[Stereo Wiki] FPGA – tương lai mới cho DAC chất lượng cao

FPGA là khái niệm "đã từng nghe vài lần" với những bạn đang học tập, nghiên cứu chuyên ngành điện tử. Nhưng với phần lớn dân audiophile, đây vẫn là một điều còn khá mới mẻ và ... khù khoằm khó hiểu. Nhu cầu tất yếu  Như chúng ta đã biết, mọi thiết bị DAC nhắc đến thường ngày dù có cả trăm ngàn loại với hàng sa số các nhà sản xuất khác nhau, thì cũng đều được thiết kế dựa trên linh hồn là chip DAC (Digital-to-Analog Coverter) với nhiệm vụ biến đổi các luồng dữ liệu số nhận được trở thành tín hiệu âm thanh analog có thể nghe được. Hiện nay đa phần các chip DAC phổ biến trên thị trường đều là các sản phẩm được sản xuất hàng loạt và được gói gọn trong phạm vi một số nhà sản xuất như AKM (Asahi Kasei Microdevices), Burr-Brown PCM (Texas Instruments), Wolfson WM (Wolfson Microelectronics) hoặc ESS Sabre (ESS Technology), .... Đây đều là những cái tên có tiềm lực tài chính mạnh và đủ khả năng để có thể tự sản xuất hoặc đặt hàng gia công các loại IC bán dẫn của riêng mình với số lượng lớn và giá thành rẻ.

ES9018S của ESS Technology được sử dụng trên một board mạch thành phẩm

Xét về góc độ kĩ thuật, thì việc thiết kế ra một con chip DAC chất lượng cao không quá phức tạp và khó khăn như như một con vi xử lý - và thực tế là hiện nay trên thế giới, không ít đơn vị nghiên cứu, hoặc thậm chí là một cá nhân, hoàn toàn có đủ kiến thức và khả năng để làm được việc đó. Trở ngại lớn nhất lại đến từ khâu sản xuất khi mà việc này đòi hỏi số lượng sản xuất rất lớn và chi phí đầu tư ban đầu khổng lồ đến mức chỉ có những ông lớn trong ngành công nghiệp bán dẫn như đã kể trên mới có khả năng đầu tư. May mắn thay, cánh cửa vẫn chưa hoàn toàn đóng lại với những con người tài năng như vậy. FPGA chính là vị cứu tinh xuất hiện đúng lúc và đang làm thay đổi từng bước thị trường thiết bị digital audio hiện nay. FPGA là cái gì ? Ở đây mình sẽ không dành thời gian để nói về một khái niệm chính xác, hàn lâm và mang tính chuyên môn cao, những thứ đó hiện đang đầy rẫy trên internet và nếu muốn thì các bạn hoàn toàn có thể hỏi Google để biết thêm chi tiết.

Mẫu FPGA Virtex 4 nằm trên kit phát triển của Xilinx 

Các chip DAC thành phẩm từ các nhà sản xuất mình kể trên, về bản chất nó là một loại IC được cấu thành từ các cổng logic được sắp xếp và thiết kế để có thể hoạt động được theo các chức năng định trước và chủ ý của chính nhà sản xuất đó. Đây là loại chip bán dẫn có cấu trúc cố định và không thể thay đổi được. Trong khi đó, FPGA là một dạng IC với cấu trúc logic có thể thay đổi được. Khái niệm về FGPA xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980, sau đó nhanh chóng được phát triển và thương mại hóa trong các ngành viễn thông chuyên dụng, nhưng phải đến đầu thế kỉ 20 thì FPGA mới bắt đầu xuất hiện trực tiếp trên các sản phẩm điện tử dân dụng. Hiện nay, các loại FPGA được phát triển và sản xuất chủ yếu bởi 2 ông lớn là Xilinx và Altera, ngoài ra còn có sự tham gia của Lattice, Actel (nay là Microsemi) và SiliconBlue.

Những "ông lớn" trong làng FPGA trên thế giới

Về bản chất, việc thay đổi cấu trúc logic trên FPGA có thể thực hiện được bằng các câu lệnh lập trình trên máy tính. Mặt khác, mật độ tích hợp các cổng logic trên FPGA hiện nay khá lớn, có thể lên đến con số hàng tỷ - tức là tương đương với phần lớn các IC bán dẫn hiện tại. Nhờ vậy, nếu bạn có trong tay một con chip FPGA với các công cụ và phần mềm thích hợp, bạn hoàn toàn có thể biến FPGA thành một con IC số với chức năng hoạt động y hệt như IC số thứ thiệt được sản xuất hàng loạt bởi các nhà máy bán dẫn quy mô lớn. Vậy rốt cục FPGA có ích gì trong việc chế tạo DAC ? Sau một đống lý thuyết dài ngoằng ở phần trên, thì mọi người có thể hiểu sơ sơ rằng, hoàn toàn  có thể tái tạo lại hoặc thiết kế mới một con IC với chức năng định trước bằng cách sử dụng FPGA. Nói cách khác, nếu bạn nắm trong tay toàn bộ thiết kế logic của một con chip DAC ES9018 và có khả năng sử dụng FPGA, bạn hoàn toàn có thể biến chip FPGA đang có trong tay thành một IC ES9018 "clone version" với các chức năng và cách thức xử lý tín hiệu y hệt. Hoặc xa hơn, nếu bạn đủ khả năng và đầu óc để có thể thiết kế ra một con DAC với cách thức xử lý tín hiệu riêng của mình và tự tin rằng nó sẽ cho ra âm thanh có thể sánh được với các loại chip DAC của các nhà sản xuất lớn, bạn hoàn toàn có thể hiện thực hóa điều đó bằng FPGA. Tất nhiên FPGA không phải là công nghệ hoàn hảo và vẫn còn nhiều nhược điểm, đó là tốc đọ thực thi chậm hơn và giá thành tính trên mỗi đơn vị chip cao hơn kha khá nếu so với IC bán dẫn sản xuất hàng loạt. Nhưng xét tới ứng dụng trong lĩnh vực chuyển đổi tín hiệu số - tương tự như DAC, những vấn đề nêu trên hoàn toàn có thể bỏ qua.

Chord Hugo - một FPGA-based DAC tiêu biểu

Với những lợi thế như vậy, FPGA nghiễm nhiên trở thành sự lựa chọn hoàn hảo dành cho những cá nhân hoặc doanh nghiệp nhỏ, những người muốn tạo ra một dòng DAC với thiết kế của riêng mình và có thể thương mại hóa thành sản phẩm dễ dàng với số lượng không lớn và chi phí đầu tư thấp hơn rất nhiều so với việc đặt hàng gia công IC số lượng lớn từ các nhà máy công nghiệp. Rất nhiều sản phẩm trong số này đã chứng minh được hiệu quả và chất lượng âm thanh của mình với việc được công nhận rộng rãi bởi cộng đồng yêu âm thanh trên toàn thế giới. Hãy cùng điểm qua một vài cái tên nổi bật với các sản phẩm FPGA-based DAC như vậy: 1. Chord Electronics Ở Việt Nam, hẳn cộng đồng chơi âm thanh không còn xa lạ gì với những cái tên Chord Hugo hoặc Chord DAVE. Đây đều là những sản phẩm đến từ Chord Electronics và cũng là 2 đại diện tiêu biểu cho dòng DAC sử dụng khối giải mã do hãng tự thiết kế trên nên nền FPGA  của Xilinx. Cả 2 dòng DAC này hỗ trợ giải mã âm thanh chất lượng cao lên đến DSD128 và đều được đánh giá rất cao về khả năng tái tạo âm thanh với độ chi tiết cao, khả năng bóc tách lớp nhạc cụ ấn tượng và chính xác.

Chiếc Chord Hugo (ảnh trên) và board mạch chính của nó, cũng sử dụng chip Spartan-6 đến từ Xilinx

2. PS Audio Với chiếc desktop DAC mang tên PS Audio DirectStream và sở hữu cái giá cao ngất ngưởng - 5996 USD, đây xứng đáng là minh chứng cho thấy FPGA cũng hoàn toàn đủ khả năng để chen chân vào đất hi-end vốn yêu cầu cực kì khắt khe về chất lượng. Có vẻ Xilinx rất được lòng các nhà sản xuất thiết bị audio khi mà PS Audio cũng chọn đích xác chip Spartan-6 để gửi gắm niềm tin cho sản phẩm của mình.

PS Audio DirectStream DAC

3. NAD Là một ông lớn trong mảng Hi-end audio, nhưng NAD cũng sử dụng FPGA cho rất nhiều sản phẩm DAC của mình, tiêu biểu là dòng desktop DAC mang tên NAD M51. Đây là sản phẩm đem đến chất lượng âm thanh vượt trội với khả năng giải mã  DSD natively hoàn toàn cũng như PCM với chất lượng tối đa lên đến 35 bit - 844 kHz. Sản phẩm được bán với giá 2000 USD tại thời điểm mới ra mắt và hiện cũng đã xuất hiện ở Việt Nam.

NAD M51