Thiết kế Kiến trúc Xử lý Tín hiệu Hỗn hợp (Mixed‑Signal) cho Cảm biến AI

– Tích hợp ADC, DAC và Lõi AI trên cùng một Chip; Giảm thiểu nhiễu và độ trễ giao tiếp giữa các miền Analog và Digital

1. Bối cảnh và vấn đề cốt lõi

Trong kỷ nguyên AI‑Edge, các cảm biến thông minh phải thực hiện thu thập, tiền xử lý và suy luận ngay tại nguồn. Đòi hỏi:

• Mật độ tích hợp cao – một chip duy nhất chứa bộ chuyển đổi Analog‑Digital (ADC), Digital‑Analog (DAC) và lõi AI (NN accelerator).
• Độ trễ pico‑second – để đáp ứng các ứng dụng thời gian thực như radar, lidar, hoặc đo lường y‑sinh.
• Hiệu suất năng lượng (PUE/WUE) tốt – vì các thiết bị thường chạy bằng pin hoặc nguồn năng lượng hạn chế.

Khi các khối analog và digital được đặt liền kề trên cùng một silicon, nhiễu chéo (crosstalk), jitter và sự khác biệt tiềm năng (ground bounce) trở thành những rào cản nghiêm trọng. Nếu không được kiểm soát, chúng làm giảm độ chính xác của ADC/DAC và làm tăng latency của đường truyền dữ liệu tới lõi AI.

2. Định nghĩa chuẩn kỹ thuật

3. Kiến trúc vật lý – Luồng tín hiệu và điểm lỗi

3.1 Luồng tín hiệu (Data/Signal Flow)

1. Capture – Tín hiệu cảm biến (ví dụ: photodiode, MEMS) được khuếch đại qua Low‑Noise Amplifier (LNA).
2. Sampling – LNA đưa tín hiệu vào SAR‑ADC (Successive Approximation Register) với tốc độ mẫu f_s = 2 GHz.
3. Digital Pre‑Processing – Dữ liệu số được lọc (FIR) và chuẩn hoá trong DSP block.
4. AI Inference – Các khối dữ liệu được nạp vào NPU qua bus AXI‑Stream.
5. Control Output – Kết quả inference điều khiển DAC để tạo tín hiệu analog (ví dụ: điều khiển actuator).

3.2 Các điểm lỗi vật lý

4. Trade‑offs chuyên sâu

4.1 Độ phân giải ADC vs. Tốc độ mẫu

• ENOB ≈ N – log₂(SNR).
• Tăng N (độ phân giải) giúp giảm sai số lượng tử, nhưng tăng capacitance của sampling capacitor, dẫn tới độ trễ settling lớn hơn và tiêu thụ năng lượng cao hơn.
• Đối với các ứng dụng radar, f_s ≥ 2 GHz và ENOB ≥ 10 bit là mục tiêu; việc chọn SAR‑ADC với interleaved architecture cho phép cân bằng giữa tốc độ và độ phân giải.

4.2 NPU compute density vs. Power density

• GFLOPS/W giảm khi systolic array được ép chặt (độ mật độ transistor ↑).
• Khi die size giảm, thermal resistance (θJA) tăng, gây hot‑spot quanh các macro NPU.
• Giải pháp: 3‑D stacking (logic‑on‑top‑memory) với Through‑Silicon Vias (TSVs) để giảm đường truyền, đồng thời dùng micro‑fluidic cooling để duy trì θJA < 0.5 °C/W.

4.3 Noise performance vs. Power supply rejection (PSRR)

• PSRR của ADC thường giảm ở tần số cao (>1 GHz).
• Để duy trì SNR > 70 dB, cần low‑dropout regulators (LDOs) với PSRR > 80 dB ở 10 MHz.
• Điều này làm tăng quiescent current của LDO, ảnh hưởng tới PUE.

5. Công thức tính toán quan trọng

5.1 Công thức tính năng lượng tiêu thụ trên mỗi mẫu (tiếng Việt)

Hiệu suất năng lượng của thiết bị được tính như sau: năng lượng tiêu thụ trên mỗi mẫu (J/sample) = tổng năng lượng tiêu hao chia cho số mẫu thành công.

Trong đó:

• P_{\text{tổng}} – công suất tổng (W) của chip (ADC + DAC + NPU).
• T_{\text{hoạt động}} – thời gian hoạt động (s) trong một chu kỳ đo.
• N_{\text{mẫu}} – số mẫu thu thập được trong chu kỳ.

Công thức này giúp đánh giá energy‑per‑sample và so sánh với các chuẩn IoT (≤ 10 nJ/sample).

5.2 Mô hình độ trễ tổng hợp (display)

Giải thích:

• t_{\text{LNA}} – thời gian khuếch đại tín hiệu analog (ps).
• t_{\text{ADC}} – thời gian chuyển đổi ADC (ps).
• t_{\text{DSP}} – thời gian tiền xử lý số (ps).
• t_{\text{NPU}} – thời gian inference NPU (ps).
• t_{\text{DAC}} – thời gian tạo tín hiệu analog lại (ps).

Mục tiêu thiết kế là t_{\text{lat}} ≤ 200 ps cho các hệ thống radar thời gian thực.

6. Kiến trúc chip đề xuất

6.1 Layout và phân vùng

1. Analog Island – Đặt LNA, SAR‑ADC và DAC trong một island được bao quanh bởi deep‑n‑well và shielded metal.
2. Digital Core – NPU và DSP block nằm ở trung tâm, kết nối qua high‑speed crossbar (≥ 10 Tb/s).
3. Power Grid – Mạng cấp nguồn đa‑layer:
   • VDD_analog (1.2 V) riêng, với decoupling capacitors 200 pF.
   • VDD_digital (0.9 V) cho NPU, có on‑chip voltage regulator.
4. Thermal Interface – Micro‑channel (Cu‑micro‑fins) dưới die, chảy dielectric coolant (e.g., Fluorinert), giảm θJA xuống < 0.3 °C/W.

6.2 Giao thức truyền dữ liệu

• AXI‑Stream cho đường truyền dữ liệu từ ADC → DSP → NPU, hỗ trợ burst length 256 để giảm overhead.
• Clock Domain Crossing (CDC) dùng FIFO‑based synchronizer để tránh metastability khi chuyển từ analog clock (sampling) sang digital clock (core).

6.3 Kiểm soát nhiễu

7. Thách thức triển khai và vận hành

7.1 Nhiệt

• Hot‑spot quanh NPU có thể đạt 120 °C nếu không có tản nhiệt hiệu quả.
• Solution: Thiết kế thermal vias (≥ 30 µm) và heat spreader bằng diamond‑like carbon (DLC) để truyền nhiệt nhanh tới micro‑channel.

7.2 Điện

• IR drop trên mạng cấp nguồn analog < 10 mV yêu cầu metal width ≥ 10 µm cho VDD_analog.
• Solution: Sử dụng multiple power grids và EMI shielding để giảm ground bounce.

7.3 Bảo mật

• Các khối analog có thể bị injection attacks (có thể thay đổi offset).
• Solution: Thêm tamper‑detect circuits và hardware root‑of‑trust để kiểm tra tính toàn vẹn của calibration dữ liệu.

7.4 Độ tin cậy

• MTBF (Mean Time Between Failures) bị ảnh hưởng bởi electromigration trong các đường dẫn cao‑tần.
• Solution: Giới hạn current density < 0.5 MA/cm², sử dụng Cu‑reinforced interconnects.

8. Tối ưu hoá hiệu suất và chi phí

Chi phí sản xuất có thể giảm ≈ 15 % nhờ shared mask set cho ADC/DAC và NPU, đồng thời yield tăng lên nhờ built‑in self‑test (BIST) cho mỗi khối.

9. Khuyến nghị vận hành chiến lược

1. Triển khai mô hình “cold‑start calibration” trong mỗi khởi động để giảm offset analog trước khi NPU hoạt động.
2. Giám sát nhiệt độ real‑time bằng on‑die thermal sensors và kích hoạt dynamic throttling khi θJA > 0.4 °C/W.
3. Áp dụng “power‑budget partitioning”: chia nguồn cho analog và digital, tránh hiện tượng “power‑sag” khi NPU bùng nổ tính toán.
4. Thường xuyên cập nhật firmware cho các khối CDC và calibration để đối phó với drift do tuổi thọ silicon.
5. Lập kế hoạch bảo trì coolant (đổi hoặc lọc) mỗi 12 tháng để duy trì thermal conductivity > 0.8 W/(m·K).

Việc thực hiện các biện pháp trên không chỉ giảm latency và nhiễu, mà còn kéo dài lifespan của chip lên tới 10 năm trong môi trường AI‑Edge khắc nghiệt.