Tất cả đều là Tương tự

“Tất cả đều là tương tự!” Tôi thường nhấn mạnh, đôi khi đập bàn để tạo hiệu ứng. Những người trong phòng biết tôi thì tiếp tục làm việc, những người không tin tôi có thể thấy họ lăn mắt, nhưng đôi khi tôi lại thu hút sự chú ý của một nhân viên mới hoặc ai đó vừa ra trường, và họ có thể hỏi “vậy còn số học?”

Thời gian là giữa những năm 1980, và tôi đang làm việc tại Commodore Business Systems với tư cách là một kỹ sư thiết kế cấp cao, điều này có nghĩa là những sai lầm của tôi được sao chép hàng triệu lần. Tôi chưa bao giờ đi học đại học và đã leo lên từng bậc từ khi bắt đầu với tư cách là một thợ sửa chữa Tivi có giấy phép. Nói rằng tôi tự học không hoàn toàn đúng bởi vì một khi tôi tham gia vào các bộ phận kỹ thuật, tôi học hỏi từ những người tài năng xung quanh mình. Tôi cũng luôn rút kinh nghiệm từ những sai lầm, dù là của tôi hay của họ.

Nếu chúng ta bỏ qua thời điểm tồn tại của "Thế hệ ECL", thế hệ tiếp theo là "Thế hệ TTL" đã bị cám dỗ nghĩ về khía cạnh số hóa, tức là họ bắt đầu gọi các tín hiệu là “cao” hoặc “thấp”, hoặc ngắn gọn hơn, là một “1” hoặc một “0”. Đơn giản phải không? Tất nhiên, bây giờ chúng ta biết và sử dụng các thuật ngữ như Tính Toàn vẹn Tín hiệu (SI) và Mạng Lưới Phân phối Điện (PDN), nhưng vào thời điểm đó, vi xử lý trong thiết bị tiêu dùng và thiết bị công nghiệp nhỏ còn khá mới mẻ.

Đột nhiên, chúng ta có một thế hệ kỹ sư mới mà “làm việc với số hóa, nhưng không phải tương tự”. Tôi đã phát hiện ra rằng hầu hết họ có nghĩa là họ không làm vòng lặp mặt đất, phát thải/sức đề kháng FCC, thiết kế nguồn điện và thậm chí mạch khởi động cũng nằm ngoài vùng thoải mái của họ. Cá nhân tôi, tôi coi công việc này là toàn diện, một ví dụ điển hình là điều đầu tiên tôi dạy cho bất kỳ kỹ sư được đào tạo đúng cách nào gia nhập đội ngũ của tôi là cách tính nhiệt độ nút giao của một chip sẽ là bao nhiêu.

Điển hình, khi tôi đến Commodore, tôi phát hiện mạch khởi động đề xuất, cho những gì sẽ trở thành C116/C264/Plus4, được tạo thành từ một mạch trong đó ai đó đã kết nối một tụ điện với một điện trở vào nguồn +5V và vào đầu vào của một cổng. Tôi đã lớn tiếng tuyên bố rằng điều này đơn giản là không thể hoạt động. Hãy tưởng tượng một cậu bé tóc dài không học hành gì nói với bạn điều này trong tuần đầu tiên làm việc ở đó. Ít nhất thì tôi chưa bắt đầu cởi giày khi làm việc.

Vậy là kỹ sư, hóa ra là kỹ sư sắp rời đi vì anh ấy đang chuyển sang môi trường ít căng thẳng hơn, đã kiên nhẫn giải thích rằng người sáng lập công ty đã đặt ra giới hạn về số lượng chip có thể có trong máy tính mới, con số là chín. Tôi đã kiên nhẫn giải thích rằng điều đó không quan trọng và mạch đó sẽ không hoạt động. Phản ứng của Commodore là giao cho tôi trách nhiệm về dòng máy tính mới và giờ đây đó là vấn đề của tôi. Tôi đã thêm một mạch khởi động chuyên dụng dưới dạng một chip hẹn giờ 555 và người sáng lập không sa thải tôi, cuối cùng chúng tôi cần nó hoạt động ở mọi số lượng, thấp và cao.

Tiến lên phía trước đến bài phát biểu mới nhất của tôi; tôi phụ trách thiết kế và phần cứng của Commodore C128, và phải đặt một hệ thống hai bộ xử lý - với hai bộ xử lý đồ họa và tổng cộng 144mB DRAM - trên một bảng mạch 2 lớp, và phải đảm bảo nó hoạt động với số lượng hàng triệu (và đó là năm 1985). Tại trung tâm của vấn đề là hầu hết các nhà thiết kế có thể thoát khỏi việc tạo ra thứ gì đó hoạt động 95% hoặc ở hầu hết các điện áp hoặc sự kết hợp của các chip, nhưng một triệu lần một vấn đề 2% là rất nhiều máy móc đang ngồi trên các bệ và trong đống phế liệu. Những con số này có thể và sẽ làm nổi bật vấn đề về sự nhạy cảm với các thương hiệu chip và biến thể và mọi sự kết hợp của nhiệt độ và điện áp.

Tôi đã cố gắng hết sức để ấn tượng lên bất kỳ ai sẽ lắng nghe rằng những gì họ gọi là “thấp” thực sự là một điện áp ngưỡng là .8V như được chip nhìn thấy khi chip điều khiển có thể có một đầu ra cao như .4V, để lại một lượng nhỏ .4V cho biên độ nhiễu. Chúng tôi đã từng đùa rằng cổng OR là “ồn ào” hơn, vì bất kỳ sự tăng vọt nào lớn hơn .4V trên bất kỳ đầu vào nào cũng có thể khiến đầu ra bắt đầu trở nên không hợp lệ.

Để làm tăng thêm khó khăn trong những gì chúng tôi đang làm là thực tế rằng chúng tôi chưa bao giờ nghĩ đến việc sử dụng một bảng mạch đa lớp trong bộ phận tiêu dùng, không lần nào, không bao giờ. Điều đó có nghĩa là các đường dẫn nguồn của chúng tôi không gì khác hơn là các đường dẫn tín hiệu lớn hơn theo tiêu chuẩn ngày nay, và trở kháng của cả đường dẫn nguồn và tín hiệu thay đổi rộng rãi dựa trên may mắn của bố cục.

Đó là những ngày trước khi có bất kỳ công cụ thực tế nào để dự đoán hành vi xấu; do đó chúng tôi chỉ giả định rằng hành vi sẽ là xấu. Ngay cả các nhà thiết kế IC cũng không có công cụ nào báo cho họ biết liệu chip có khớp với sơ đồ mạch hay không, chỉ có việc xây dựng chip và kiểm tra nó mới cung cấp câu trả lời cuối cùng. Cũng vậy đối với các hệ thống, chúng tôi phải xây dựng chúng để xem chúng tôi có gì.

Khi bắt đầu một thiết kế mới, tôi có hai nguyên tắc; nguyên tắc đầu tiên là phải lập lưới cho tất cả nguồn và mặt đất, tất cả các chip phải có hai đường dẫn đến cả nguồn và mặt đất, điều này có nghĩa là lý thuyết không có đoạn dư. Nguyên tắc thứ hai thực sự là điểm khởi đầu, đó là đặt và định tuyến các DRAM, đây là thách thức khó nhằn nhất vào thời điểm đó. Không phải tất cả DRAM đều được sản xuất đúng cách, không phải tất cả nguồn cung cấp điện đều giữ được độ chính xác (DRAM nhạy cảm với điện áp ở một số khía cạnh), và chính những chip tạo ra thời gian biểu cũng có vấn đề. Lợi thế duy nhất của chúng tôi là cố gắng đảm bảo rằng bố cục PCB nguồn không góp phần vào những vấn đề này.

Tiếp theo, chúng tôi sẽ khởi tạo các chip đồ họa, bao gồm cả các đồng hồ chính - tần số cơ bản cao nhất trên bảng mạch. Chúng tôi tự động thiết kế một tấm chắn nhỏ để bao bọc phần này của thiết kế, quá trình phạm tội của chúng tôi đã bắt đầu và việc vá lỗi cho những tội lỗi đó cũng vậy.

Khi hoàn thành, theo tiêu chuẩn ngày nay, chúng tôi thường có một mớ hỗn độn, và một lần nữa, bài kiểm tra của chúng tôi không phải là liệu chúng tôi có thể sản xuất được một vài cái, hay vài nghìn cái. Một triệu là mức tối thiểu và thường thì chúng tôi sản xuất hơn năm triệu.

Quay trở lại với vấn đề cao điểm và thấp điểm, tín hiệu lúc bấy giờ có thể reo như chuông hoặc xuất hiện với hàng tá phản xạ hoặc nhiễu chéo mà nó đã nhận được dọc theo đường đi. Không còn chỗ trống trên bảng mạch cho các mặt đất, lá chắn hoặc sự tách biệt và cũng không còn thời gian trong lịch trình để “bắt đầu lại” một cách có ý nghĩa nào. Điều này có nghĩa là chúng tôi phải hiểu và thích nghi với môi trường của mình. Buồn phải nói rằng, những gì chúng tôi đã làm sau đó là “điều chỉnh” mớ hỗn độn đó để nó có vẻ hoạt động đúng cách. Chúng tôi sống chung với các hiện tượng nghệ thuật miễn là chúng ổn định trong những thời điểm quan trọng như quá trình chuyển đổi tín hiệu điều khiển DRAM.

Một việc chúng tôi thường làm là sử dụng điện trở kết thúc dãy hàng loạt. Chúng tôi đã thử nâng giá trị lên đến 68 Ohm nhưng điểm lý tưởng cho chúng tôi thường là 22 Ohm, 33 Ohm nếu chúng tôi có thời gian cho thành phần RC bổ sung. Tôi cũng tìm thấy một số trường hợp nâng mặt đất và cũng phải tự điều chỉnh một dây địa chỉ bằng cách thêm một dây rời: đến 5,7 triệu đơn vị.

Tôi đã chỉ cho những kỹ sư "số" mới đến rằng bạn không thể tính thời gian một tín hiệu dành để dao động như là một tín hiệu cao hoặc thấp cho đến khi nó ngừng dao động. Đột nhiên, analog đã bước vào quan điểm số hóa của họ khi tôi buộc họ phải làm lại các tính toán thời gian dựa trên các hiện vật thực tế. "Tất cả đều là analog", tôi sẽ tuyên bố lớn tiếng cho đến một ngày, một kỹ sư đồng nghiệp tên là Hedley hỏi, "Còn về hiệu ứng lượng tử thì sao?"

Sau đó, khẩu hiệu của tôi trở thành "TẤT CẢ ĐỀU LÀ ANALOG… cho đến khi bạn đi sâu vào hiệu ứng lượng tử, trong trường hợp đó thì không phải".

Bạn có muốn đọc thêm những câu chuyện truyền cảm hứng về công nghệ không? Đọc các bài viết trong OnTrack Newsletter của Altium, được biên soạn bởi Judy Warner. Hoặc tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo và trò chuyện với một chuyên gia tại Altium về ứng dụng của bảng mạch in và sử dụng gói phần mềm thiết kế PCB thống nhất duy nhất trên thị trường.