High-Level Synthesis (HLS) là quá trình tự động chuyển đổi mô hình thiết kế ở cấp cao, thường được viết bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng như SystemC hay VHDL, thành một mạch tích hợp đặc biệt (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) hoặc một thiết kế phần cứng khác có thể được lập trình. HLS cho phép các kỹ sư tập trung vào việc phát triển các thuật toán và chức năng mà không cần quan tâm quá nhiều đến các chi tiết phần cứng.
High-Level Synthesis đã phát triển từ những năm 1980 khi nhu cầu về thiết kế mạch phức tạp ngày càng tăng. Ban đầu, thiết kế phần cứng chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng các ngôn ngữ mô tả phần cứng ở cấp thấp, như VHDL và Verilog. Tuy nhiên, với sự gia tăng về độ phức tạp và thời gian phát triển, HLS đã trở thành một giải pháp quan trọng.
Trong những năm gần đây, sự tiến bộ trong lĩnh vực phần mềm và công nghệ phần cứng đã thúc đẩy HLS ngày càng trở nên phổ biến. Các thuật toán HLS hiện đại có thể tối ưu hóa hiệu suất, tiêu thụ năng lượng, và diện tích chip mà không làm giảm chất lượng thiết kế.
HLS thường sử dụng các ngôn ngữ mô tả phần cứng cấp cao như SystemC, C/C++, hay Matlab. Những ngôn ngữ này cho phép kỹ sư mô tả hành vi của phần cứng một cách dễ dàng hơn so với việc viết mã VHDL hoặc Verilog.
Các kỹ thuật tối ưu hóa trong HLS bao gồm pipelining, parallelization và loop unrolling. Những kỹ thuật này giúp cải thiện hiệu suất của thiết kế bằng cách tận dụng tốt hơn tài nguyên phần cứng.
HLS và Register Transfer Level (RTL) là hai phương pháp thiết kế phần cứng khác nhau. Trong khi HLS cho phép thiết kế ở mức cao hơn và tự động hóa nhiều công đoạn, RTL yêu cầu kỹ sư phải viết mã chi tiết hơn và thường mất nhiều thời gian hơn để phát triển.
Hiện nay, HLS đang trở nên phổ biến trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning), và Internet of Things (IoT). Các công cụ HLS ngày càng được cải thiện với khả năng tối ưu hóa thông minh, cho phép các kỹ sư dễ dàng tích hợp các thuật toán phức tạp vào phần cứng.
HLS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
Nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực HLS tập trung vào việc cải thiện khả năng tối ưu hóa và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra, các nghiên cứu cũng hướng tới việc phát triển các công cụ HLS có khả năng tương tác tốt hơn với các ngôn ngữ lập trình phổ biến, nhằm làm cho quá trình phát triển trở nên dễ dàng hơn.
Trong tương lai, HLS có thể sẽ kết hợp chặt chẽ hơn với trí tuệ nhân tạo để tự động hóa quy trình thiết kế. Các nghiên cứu về HLS cũng có thể mở rộng sang các lĩnh vực như thiết kế chip cho điện thoại thông minh và các ứng dụng IoT.
Bài viết này nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về High-Level Synthesis, một công nghệ then chốt trong lĩnh vực thiết kế mạch tích hợp hiện đại.