아날로그 설계 란 무엇인가요?

IC 내의 모든 기본 소자는 연속 시간 자극에 반응하기 때문에, 아날로그 설계 는 모든 IC 설계의 기초를 이룹니다. 현대 IC 기술은 많은 설계상의 과제를 안고 있습니다. 첨단 기술 노드의 제조 공정에는 상당한 변동성이 존재합니다. 또한 첨단 IC에 탑재된 수많은 소자의 실제 작동 역시 변동성을 유발합니다. 이러한 변동성은 작동 전압, 작동 온도 및 성능의 변화로 나타납니다. 밀집 배치된 소자들은 서로 간에, 그리고 실리콘 기판, 패키지, 기판과 상호작용하여 신호 왜곡을 일으킬 수도 있습니다. 이러한 모든 현상은 소자 간뿐만 아니라 단일 IC 내부에서도 발생할 수 있습니다.

아날로그 설계 다음과 같은 세 가지 기본 특성, 즉 충실도/정밀도, 일관성, 성능을 보장하기 위해서는 이러한 모든 영향을 보정해야 합니다. 신뢰성 분석과 신호 무결성 분석은 이러한 영향을 모델링하고 완화하기 위해 활용되는 활동 중 일부입니다. 집적회로(IC) 응용 분야에서 이 세 가지 항목이 갖는 중요성에 대한 예시는 다음과 같습니다:

• 정밀도/정확도:많은 아날로그 설계는 IC의 외부 조건을 감지하는 회로의 기반을 형성합니다. 주변 온도, 기압, 움직임, 빛을 감지하는 것은 많은 사물인터넷(IoT) 기기의 핵심 요소입니다. 예를 들어, 빛 감지는 머신 비전의 기초가 됩니다. 이러한 연속적인 시간적 변화를 정확하게 감지하려면 정밀한 측정이 필요하며, 이는 해당 측정을 수행하는 아날로그 회로에 뛰어난 충실도와 정밀도가 요구됨을 의미합니다. 아날로그 신호 처리( 아날로그 설계 )는 이러한 충실도와 정밀도를 보장합니다.
• 일관성:디지털 회로 설계는 수많은 소자의 분석을 단순화하기 위해 이산적인 “1과 0”의 전파 과정을 모델링합니다. “1”은 일반적으로 주 공급 전압을 의미하며, “0”은 전압이 전혀 없는 상태를 의미합니다. 이 모델이 효과적으로 작동하려면 앞서 언급한 모든 변동 조건에서 회로 소자의 성능이 일관적이어야 합니다. 일관성은 전압이 “1” 또는 “0”이라는 기준 레벨 중 하나에 위치하도록 보장합니다. 아날로그 설계 는 이러한 조건이 충족되도록 보장합니다.
• 성능:이 매개변수는 속도와 전력이라는 두 가지 기본 형태로 나뉩니다. 모든 집적회로(IC)는 전체 시스템 처리량을 충족하기 위해 속도에 대해 엄격한 요구 사항을 갖습니다. 또한 특정 범위 내의 전력 소모 수준을 유지해야 합니다. 이는 효과적인 열 방산을 보장하기 위해 시스템이 허용 가능한 열 설계 범위 내에 머물러야 하는 필요성에서 비롯됩니다. 저전력 요구 사항은 운영상의 재정적 제약에서도 기인합니다. 아날로그 설계 는 전력과 속도가 허용 가능한 범위 내에 있도록 보장합니다.

아날로그 설계 와 디지털 설계의 가장 큰 차이점은 사용되는 기초 분석의 유형에 있습니다.

아날로그 설계 에서는 회로 자극을 시간에 따라 지속적으로 변화하는 신호로 취급합니다. 회로의 동작은 시간 영역과 주파수 영역에서 모델링되며, 이때 결과 파형의 정확도/정밀도, 일관성 및 성능에 중점을 둡니다. 또한 제조 및 설계에 기인한 회로의 변동성도 모델링하고 보정해야 합니다.

디지털 설계에서는 회로 입력을 시간 경과에 따른 일련의 이산 논리 “1”과 논리 “0”으로 취급합니다. 논리 “1”은 일반적으로 IC에 공급 전압이 인가된 상태로 표현되며, 논리 “0”은 이 전압이 없는 상태(즉, 0볼트)로 표현됩니다. 디지털 회로의 소자들은 대부분의 시간을 논리 “1” 또는 논리 “0” 상태 중 하나에서 보내야 합니다. 이러한 신호를 처리하는 회로들이 해당 논리 레벨에 대해 일관된 반응을 보이는 한, 디지털 설계는 원활하게 작동합니다. 논리 회로 설계( 아날로그 설계 )는 이러한 특성을 보장하는 역할을 합니다.

이를 통해 “1”과 “0”이라는 두 가지 전압만을 고려하여 조합 논리 및 순차 논리 모델을 이용해 회로의 동작을 분석할 수 있으며, 이로 인해 설계 및 검증 과정이 상당히 간소화됩니다.

아날로그 IC 설계는 일반적으로 탑다운(top-down) 설계 및 구현 과정을 거친 후, 바텀업(bottom-up) 검증 과정을 거치는 방식으로 진행됩니다. 이러한 전반적인 접근 방식에는 다양한 변형이 존재합니다. 기본 단계는 다음과 같습니다:

• 설계에 대한 고수준 사양서를 작성하십시오. 이 설계는 어떤 기능을 수행할 것인가? 이 설계의 성능, 전력 및 면적(즉, 비용) 목표는 무엇인가?
• 필터, 비교기, 증폭기 등의 매크로 함수를 사용하여 요구되는 결과를 달성할 수 있는 최상위 설계를 수립하십시오.
• 트랜지스터, 저항, 커패시터와 같은 소자를 사용하여 최상위 레벨 설계를 뒷받침할 장치 수준의 회로 설명을 작성합니다. 이 단계에서는 대개 미리 정의된 함수 라이브러리를 활용하지만, 각 설계의 고유한 요구 사항에 맞춰 이를 수정해야 합니다.
• 시뮬레이션을 통해 설계가 모든 사양을 충족하는지 확인합니다. 이 단계에서 사용되는 소프트웨어는 일반적으로 대상 제조 공정에 맞춰 조정된 선형 및 비선형 소자를 사용하여 회로를 모델링합니다. 이 단계에서는 제조 공정 및 작동상의 변동성을 모델링하여, 이러한 불확실성에도 불구하고 소자 설계가 견고함을 유지하도록 보장합니다.
• 모든 구성 요소의 미리 정의된 레이아웃을 조합하여 설계의 물리적 레이아웃을 구현합니다. 이 단계에서는 비용을 최소화하기 위해 레이아웃의 밀도를 최적화합니다. 설계가 제조 적합성 및 신호 무결성 에 최적화되도록 보장하기 위해 준수해야 할 배치 규칙이 많이 있습니다. 이러한 규칙이 준수되었는지 확인하는 검증은 이 단계에서 이루어지며, 이를 물리적 검증이라고 합니다.
• 그런 다음 레이아웃에서 등가 회로를 추출합니다. 이제 설계 설명에 크로스톡 및 배선 저항과 같은 기생 효과가 반영되며, 이러한 새로운 효과가 추가된 상태에서도 설계가 의도한 대로 작동하는지 확인하기 위해 재시뮬레이션을 수행합니다. 또한 추출된 설계를 원본 설계와 비교하여 올바른 소자가 사용되었고 올바르게 연결되었는지 확인합니다. 이 과정을‘논리 대 회로도(logic versus schematic)’ 또는 LVS 검사라고 합니다.
• 회로 테스트에 필요한 모든 구조도 이 단계에서 추가됩니다. 설계가 완료되면, 해당 설계는 제조 단계로 넘어가거나 더 큰 규모의 디지털 설계에 통합될 준비가 됩니다. 아날로그 설계를 더 큰 규모의 디지털 설계에 통합하는 것을 AMS, 즉 아날로그/혼합 신호 설계라고 합니다.

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플랫폼 도구에는 다음이 포함됩니다:

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Custom Compiler 아래에서 볼 수 있듯이, 디자인/레이아웃 협업을 원활하게 하여 디자인 의도를 쉽게 전달하고 ‘ 아날로그 설계 ’를 달성할 수 있도록 돕습니다.