Sự Khác Biệt Giữa Thiết Kế Số & Thiết Kế Tương Tự – Học Cái Nào Trước?

Hùng Vũ

Thu, 09 Oct 2025

1. Mở đầu: Vì sao cần phân biệt thiết kế số và thiết kế tương tự?

Trong thế giới bán dẫn, cụm từ “thiết kế vi mạch” thường khiến người mới nhập môn hình dung đến những con chip nhỏ bé nhưng đầy sức mạnh – bộ não của điện thoại, máy tính, xe điện hay thậm chí là vệ tinh. Nhưng không phải tất cả con chip đều giống nhau. Có những con chip chủ yếu xử lý tín hiệu số, được lập trình bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng và tối ưu qua các công cụ tự động. Cũng có những con chip chuyên xử lý tín hiệu tương tự, gắn liền với các định luật vật lý, dòng điện và tần số.

Đó chính là hai mảng lớn trong ngành thiết kế vi mạch: Digital IC Design (thiết kế số) và Analog IC Design (thiết kế tương tự). Người kỹ sư thường chọn chuyên sâu một trong hai hướng. Và câu hỏi kinh điển cho sinh viên, người mới bắt đầu là: nên học cái nào trước?

Để trả lời, cần hiểu rõ sự khác biệt, yêu cầu kiến thức, công cụ sử dụng, cũng như cơ hội nghề nghiệp trong mỗi mảng.

2. Khái niệm cơ bản: Digital IC vs Analog IC

2.1. Digital IC (mạch tích hợp số)

• Là loại mạch mà tín hiệu chỉ có hai trạng thái rời rạc: 0 và 1.
• Tất cả hoạt động dựa trên logic số, thuật toán và tổ hợp cổng logic.
• Ví dụ: bộ vi xử lý CPU, GPU, bộ nhớ RAM, vi điều khiển, chip AI.

Đặc trưng: dễ mô tả bằng ngôn ngữ phần cứng (Verilog, VHDL), dễ kiểm chứng bằng công cụ mô phỏng số, và có thể dùng EDA để tự động hóa hầu hết quá trình thiết kế.

2.2. Analog IC (mạch tích hợp tương tự)

• Tín hiệu ở dạng liên tục, không rời rạc, thay đổi theo thời gian và biên độ.
• Phải xử lý các đại lượng vật lý như điện áp, dòng điện, tần số, nhiễu.
• Ví dụ: bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC/DAC, mạch RF, cảm biến, PLL.

Đặc trưng: cần trực giác vật lý mạnh, khó tự động hóa hoàn toàn, và đòi hỏi kiến thức sâu về mạch điện tử, bán dẫn, tín hiệu.

3. Thiết kế số (Digital IC Design) – Nền tảng của kỷ nguyên tính toán

3.1. Nguyên lý cơ bản

Digital IC hoạt động dựa trên logic Boolean. Từ những cổng cơ bản (AND, OR, NOT), ta xây dựng thành các khối phức tạp hơn: bộ cộng, bộ giải mã, bộ nhớ, ALU, CPU, rồi đến cả hệ thống trên chip (SoC).

Tín hiệu số được biểu diễn dưới dạng xung vuông, dễ đồng bộ bằng xung clock, nên phù hợp cho các hệ thống xử lý dữ liệu tốc độ cao.

3.2. Các khối chức năng phổ biến

• Bộ xử lý (CPU, GPU, DSP): thực hiện tính toán số học và logic.
• Bộ nhớ (SRAM, DRAM, Flash): lưu trữ dữ liệu.
• Các khối điều khiển (FSM, Controller): điều phối hoạt động hệ thống.
• Hệ thống SoC: tích hợp CPU, GPU, bộ nhớ, IO trên cùng một chip.

3.3. Quy trình thiết kế (Design Flow)

1. Mô tả hành vi (Behavioral) bằng Verilog/VHDL.
2. Mô phỏng logic (Simulation) với ModelSim, Questa.
3. Tổng hợp (Synthesis) thành mạch cổng logic bằng Synopsys Design Compiler.
4. Kiểm tra timing (STA) bằng PrimeTime.
5. Thiết kế vật lý (Place & Route) bằng Cadence Innovus.
6. Signoff và đưa sang chế tạo (Tape-out).

Hầu hết các bước đều có công cụ EDA hỗ trợ, tự động hóa cao.

3.4. Công cụ EDA thường dùng

• Synopsys: Design Compiler, PrimeTime.
• Cadence: Innovus, Genus.
• Mentor Graphics/Siemens: QuestaSim, ModelSim.
• Xilinx Vivado: cho FPGA.

3.5. Yêu cầu kiến thức

• Logic số, kiến trúc máy tính.
• Ngôn ngữ HDL (Verilog/VHDL).
• Toán rời rạc, xác suất cơ bản.
• Kỹ năng sử dụng EDA tools.

3.6. Cơ hội nghề nghiệp

• Vị trí phổ biến: Front-end Engineer, RTL Designer, Verification Engineer, STA Engineer, Physical Design Engineer.
• Nhu cầu lớn tại các công ty chip toàn cầu (Intel, AMD, Qualcomm, Samsung).
• Tại Việt Nam, các công ty như Synopsys Việt Nam, Renesas, Ampere Computing, Viettel IC đều tuyển nhiều kỹ sư số.

4. Thiết kế tương tự (Analog IC Design) – “Nghệ thuật” trong vi mạch

4.1. Nguyên lý cơ bản

Khác với số, tín hiệu analog thay đổi liên tục theo thời gian. Thiết kế analog phải xử lý các yếu tố vật lý: độ lợi, độ tuyến tính, nhiễu, công suất, tần số.

4.2. Các khối chức năng phổ biến

• Khuếch đại thuật toán (Op-Amp).
• Bộ dao động và PLL.
• ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter).
• Mạch RF: bộ khuếch đại công suất, mixer, LNA.

4.3. Quy trình thiết kế

1. Thiết kế sơ đồ (schematic) bằng Cadence Virtuoso.
2. Mô phỏng mạch (Simulation) bằng Spectre, HSPICE.
3. Thiết kế layout (Custom Layout).
4. Kiểm tra DRC/LVS bằng Calibre.
5. Tape-out và đo kiểm thực tế.

Analog ít tự động hóa, nhiều bước cần tính toán tay và trực giác từ kỹ sư.

4.4. Công cụ EDA thường dùng

• Cadence Virtuoso (schematic + layout).
• Spectre, HSPICE (mô phỏng).
• Mentor Calibre (DRC, LVS).

4.5. Yêu cầu kiến thức

• Mạch điện tử nâng cao.
• Vật lý bán dẫn.
• Tín hiệu & hệ thống, xử lý tín hiệu.
• Kỹ năng mô phỏng SPICE.

4.6. Cơ hội nghề nghiệp

• Kỹ sư analog thường khan hiếm hơn kỹ sư số.
• Công việc khó nhưng lương cao, thường gắn với các mảng: RF, IoT, cảm biến, y tế.
• Các công ty như Texas Instruments, Analog Devices, Broadcom, Renesas tuyển nhiều analog engineer.

5. So sánh Digital vs Analog

5.1. Độ phức tạp

• Digital: phức tạp ở mức hệ thống, hàng tỷ transistor, nhưng nhờ tự động hóa nên dễ quản lý.
• Analog: ít transistor hơn, nhưng mỗi transistor quan trọng, phải tinh chỉnh thủ công.

5.2. Công cụ hỗ trợ

• Digital: gần như tự động hóa toàn bộ.
• Analog: nhiều bước thủ công, đòi hỏi kỹ năng cao.

5.3. Kiến thức nền

• Digital: logic, thuật toán, lập trình HDL.
• Analog: mạch, vật lý, tín hiệu, hệ thống.

5.4. Nghề nghiệp

• Digital: nhu cầu cao, dễ tìm việc, nhiều vị trí.
• Analog: ít người làm, lương cao, chuyên sâu.

6. Học cái nào trước?

6.1. Nếu muốn đi làm nhanh, dễ xin việc

→ Học Digital trước. Vì số lượng vị trí nhiều, công cụ dễ tiếp cận, và có thể ứng dụng ngay vào FPGA, SoC.

6.2. Nếu đam mê mạch điện tử, vật lý

→ Học Analog. Dù khó hơn, nhưng nếu giỏi thì cực kỳ được săn đón.

6.3. Lộ trình gợi ý

• Bước 1: Bắt đầu từ logic số, Verilog/VHDL.
• Bước 2: Làm quen với FPGA (Vivado).
• Bước 3: Học về analog: mạch điện tử nâng cao, mô phỏng SPICE.
• Bước 4: Quyết định chuyên sâu một mảng hoặc kết hợp cả hai (Mixed-signal).

7. Nơi học & tài liệu

7.1. Đại học

• Việt Nam: Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa TP.HCM, ĐHQG HN/HCM, FPT, UIT.
• Quốc tế: Stanford, Berkeley, MIT, NUS, NTU, KAIST.

7.2. Online

• Coursera, Udemy: khóa VLSI, FPGA, analog circuit.
• iCdemy: học viện chuyên về bán dẫn ở Việt Nam, cung cấp cả lộ trình Digital (FPGA → ASIC) và Analog (mạch SPICE, Virtuoso). Có giảng viên từ doanh nghiệp, giúp sinh viên tiếp cận công cụ EDA thực tế.

7.3. Tài liệu tham khảo

• CMOS VLSI Design – Weste & Harris (Digital).
• Design of Analog CMOS Integrated Circuits – Razavi (Analog).
• Tài liệu chính hãng từ Synopsys, Cadence, Siemens.

8. Xu hướng tương lai

• Digital: bùng nổ nhờ AI, RISC-V, điện toán đám mây, siêu máy tính.
• Analog: quan trọng trong IoT, 5G/6G, chip y sinh, neuromorphic.
• Mixed-signal: tích hợp cả số và tương tự, ví dụ SoC có ADC/DAC.

9. Kết luận

Thiết kế số và thiết kế tương tự là hai thế giới song song trong ngành vi mạch. Digital thiên về logic, hệ thống, dễ học trước, nhiều việc làm. Analog thiên về vật lý, trực giác, khó hơn nhưng lương cao và được săn đón.

Không có câu trả lời duy nhất cho câu hỏi “học cái nào trước”. Nếu muốn đi làm nhanh, hãy chọn digital. Nếu yêu thích mạch điện tử, hãy chọn analog. Và lý tưởng nhất, hãy bắt đầu với digital để có nền tảng, rồi mở rộng sang analog khi đã đủ kiến thức.

Dù bạn chọn hướng nào, việc tiếp cận các công cụ EDA thực tế qua những học viện như iCdemy hay các trường đại học chuyên ngành là điều bắt buộc. Đây chính là cầu nối giữa lý thuyết và công việc thực tế, giúp bạn từ sinh viên trở thành kỹ sư vi mạch chuyên nghiệp.