Thiết Kế Vi Mạch: CMOS vs Bipolar – Cuộc Đua Công Nghệ Từ MHz đến GHz

Trong ngành thiết kế vi mạch, sự lựa chọn công nghệ không chỉ đơn thuần là về chi phí hay độ phức tạp chế tạo – mà còn là cuộc cân não giữa tốc độ, hiệu suất và khả năng tích hợp. Một trong những "cuộc đua" mang tính biểu tượng chính là CMOS vs Bipolar – đặc biệt khi chúng ta bước vào thế giới RF và tần số siêu cao.

CMOS và Bipolar – Xuất phát từ hai thế giới khác nhau

• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) từ lâu đã là lựa chọn hàng đầu cho các mạch logic nhờ mật độ cổng cao, tiêu thụ điện năng thấp và khả năng tích hợp hàng triệu transistor trên một chip.
• Bipolar (BJT – Bipolar Junction Transistor) lại tỏa sáng ở các mạch analog và mạch tần số cao, nhờ tốc độ chuyển mạch nhanh và hệ số khuếch đại dòng lớn – lý tưởng cho khuếch đại, dao động, trộn tần...

Trong suốt nhiều thập kỷ, ranh giới giữa hai công nghệ này khá rõ ràng: CMOS cho logic số, Bipolar cho RF/analog tốc độ cao.

CMOS tiến hóa – Khi logic bước vào lãnh địa analog

Với tiến trình công nghệ không ngừng được thu nhỏ:

• Năm 2004, CMOS 0.13 µm đã trở thành chuẩn thương mại phổ biến.
• Cùng năm đó, các mạch 90 nm đã xuất hiện tại hội nghị ISSCC – đem lại tốc độ cao hơn và công suất thấp hơn.

Khi chiều dài kênh transistor giảm, các thông số quan trọng như:

• fT (tần số cắt)
• GBW (gain-bandwidth product)
• gₘ (transconductance)

đều tăng đáng kể, khiến CMOS dần xâm nhập được vào các ứng dụng RF và analog tốc độ cao – những nơi trước đây là "sân nhà" của Bipolar.

BICMOS – Giải pháp lai: Hiệu suất tối ưu, giá thành cao

Trước sức ép cạnh tranh, nhiều hệ thống đã chuyển sang sử dụng BICMOS (Bipolar + CMOS) – tận dụng:

• CMOS để xử lý logic và tiêu thụ thấp
• Bipolar để đảm nhiệm các khối analog cần tốc độ hoặc khuếch đại mạnh

Kết quả là một giải pháp "2 trong 1", nhưng đánh đổi bằng chi phí sản xuất và thiết kế cao hơn đáng kể so với CMOS thuần.

Cuộc đua mới: Dải tần từ 10 GHz đến 40 GHz

Hiện nay:

• CMOS và Bipolar đang cạnh tranh trực tiếp ở vùng tần số từ 10 GHz đến 40 GHz
• Ở trên 40 GHz, một số công nghệ khác như GaAs (Gallium Arsenide), InP (Indium Phosphide) vẫn chiếm ưu thế – nhưng do chi phí quá cao, chúng chỉ dành cho các ứng dụng đặc biệt như quân sự, vệ tinh, 5G mmWave, radar...

Khi nào chọn CMOS, Bipolar hay BICMOS?

Đây là câu hỏi then chốt của mọi kỹ sư: