EDA(전자 설계 자동화)란 무엇인가요?

EDA 도구는 ‘설계 및 검증 흐름’이라고 하는 일련의 상호 연계된 단계를 통해 전자 시스템 및칩 설계의전 과정을 지원합니다. 다음은 일반적인 EDA 지원 설계 프로세스의 주요 단계입니다:

기술 컴퓨터 지원 설계

컴퓨터 지원 설계( TCAD, CAD) 기술은칩 설계 프로세스의 초기 단계, 즉공정 개발 및 소자 모델링 단계에서 활용되어 설계가 요구되는 수율, 성능 및 집적도를 충족하도록 보장합니다. TCAD 는 실제 칩 설계가 시작되기 전에 사용되며, 그 결과물은 회로 설계 및 레이아웃과 같은 후속 단계에 반영됩니다.  TCAD 의 일부인 원자 수준 모델링 플랫폼은 기존 또는 신규 제품 및 시스템에 가장 적합한 특성을 지닌 신소재를 설계하는 데 사용됩니다. 

건축 탐구

시스템 온 칩(SoC)설계자는가상 프로토타이핑 을 통해 메모리, 프로세서, I/O 등과 같은 상위 수준의 구조만 제공함으로써 아키텍처 옵션과 상충 관계를 살펴보기 할 수 있습니다. 트랜잭션 수준 시뮬레이션을 통해 아키텍처 탐색 도구는 설계가 시작되기 전에 아키텍처의 주요 성능 지표와 제약 조건을 예측하고 최적화함으로써 설계 시간을 단축합니다.

사양 및 설계 제출

설계자들은 먼저 설계의 기능적 요구 사항을 정의하는 것으로 작업을 시작합니다. 이 단계에서는 일반적으로VHDL이나Verilog와 같은 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용한 고수준의 설명이 이루어집니다. EDA 도구는 HDL 소스 파일을 입력하고 관리하며, 검증 등을 수행합니다.  

설계 시뮬레이션

시뮬레이션EDA 도구를 사용하면 엔지니어들은 논리적 및 물리적 구현에 앞서 설계의 의도된 동작(기능)을 테스트하고 검증할 수 있습니다. 시뮬레이터는 다양한 입력과 조건에 대한 설계의 반응을 모델링하고 예측함으로써, 실제 하드웨어가 제작되기 전에 기능적 오류와 성능 병목 현상을 파악하는 데 도움을 줍니다.

논리 합성

논리 합성EDA 도구는 HDL로 작성된 고수준 설계 설명을 게이트 레벨 넷리스트와 같은 저수준 표현으로 변환(또는 “합성”)합니다. 이 단계를 통해 설계를 실제 전자 구성 요소(논리 게이트)를 사용하여구현할수 있게 됩니다. 또한, 테스트를 위한 설계(DFT) 합성은 사용자가 제공하거나 설계에 의해 정의된 제약 조건을 기반으로, 제조 및 현장 테스트 환경을 지원하는 회로를 설계 내에 구현합니다.

디지털 배치 및 배선

배치 및 배선 EDA 도구는 논리 합성을 통해 생성된 수십억 개의 논리 게이트 소자의 최적 물리적 배치 위치와 칩 상의 수백만~수십억 개에 달하는 메탈 연결선의 배선을 결정합니다. 이단계는타이밍, 전력, 면적과 같은 설계 제약 조건을 충족하는 데 매우 중요합니다. 

아날로그 배치 및 배선

아날로그 배치 및 라우팅( 배치 및 배선 )은 맞춤형 아날로그 및 혼합 신호 회로의 물리적 구현을 의미하며, 이 과정에서 소자 배치, 라우팅 토폴로지, 기생 특성이 회로 성능을 직접적으로 결정합니다. 디지털 P&R과 달리, 아날로그 배치 및 라우팅은 필요한 이득, 잡음, 선형성 및 안정성을 달성하기 위해 매칭, 대칭성, 공통 중심 구조, 차폐 및 라우팅 순서를 포함한 전기적 의도를 반드시 유지해야 합니다.

확인 및 검증

Multiphysics 검증은설계가 올바르게 작동하며 모든 작동 조건에서 의도된 사양을 충족하는지 확인하는 과정입니다. 검증은 구현된 설계가의도한 대로 작동함을 입증하는 데 중점을 두는 반면, 유효성 검사는 설계가 원래의 기능, 성능 및 시스템 수준 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 디지털 설계에서 EDA 검증 기법에는 논리 시뮬레이션,정적및형식 검증,형식 등가성 검사,타이밍및 전력 분석, 그리고레이아웃 대 회로도(LVS)검사가 포함되어, 합성 단계부터 완전한 물리적 구현에 이르기까지의 정확성을 보장합니다. 아날로그 및 혼합 신호 검증은 이러한 목표를 연속 시간 동작, 소자 수준 물리 현상, 노이즈, 기생 요소 및 비선형 효과로 확장하며, 공정, 전압, 온도 및 실제 환경의 변동 전반에 걸친 SPICE 기반 시뮬레이션,혼합 신호공동 시뮬레이션, 추출 및 통계 분석에 크게 의존합니다. 설계의 규모, 밀도 및 속도가 확대됨에 따라, 검증 및 확인 과정에는 첨단 나노미터 기술 및 기가헤르츠급 시스템에서 안정적인 작동을 보장하기 위해 전력 무결성분석(예: , 열 거동 및 전자기 효과)이점점 더 많이 통합되고 있습니다.

하드웨어 지원 검증(HAV)

HAV는전용 하드웨어 플랫폼(프로토타이핑 및 에뮬레이션)을 활용하여 검증 과정을 가속화함으로써 설계의 기능성, 성능 및 신뢰성을 검증합니다. 특수하고 구성 가능한 하드웨어에서 설계를 모델링함으로써, 검증 속도는 소프트웨어 시뮬레이션만 사용할 때보다 몇 배나 더 빨라집니다.

제조 적합성 설계(DFM)

DFM 도구는설계의 제조 적합성을 분석하여, 설계를 기능적으로 올바르게 작성했더라도 제조 과정에서 수율이나 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 문제점을 점검합니다. 이 단계에는 공정 변동성점검, 전기적 규칙 준수 여부 확인, 설계 규칙 준수 여부 확인 등이 포함됩니다. 마스크 합성및마스크 데이터 준비도구는 파운드리로 고품질의 마스크 세트가 전달되도록 보장합니다. 공정/제조 기술이 점점 더 발전함에 따라, 설계 구현, 마스크 합성 및 DFM 분석 과정에서 DFM 규칙을 준수하는 것이 더욱 어려워지고 있습니다. 

제작 및 시험

설계가 확정되면,생산을 위해 제조 시설(파운드리)로 보내집니다. 제조 과정이 끝난 후, 칩이나 기판은 품질 및 성능 기준을 충족하는지 확인하기 위해 철저한 테스트를 거칩니다.

지적 재산(IP)

칩 설계에는USB, 이더넷,PCIe와 같은 공통 기능 및 표준화된 인터페이스가 자주 사용됩니다. 새로운 칩을 설계할 때마다 이러한 기능 블록을 일일이 새로 만드는 대신, EDA 업체들은 엔지니어들이 칩 설계에 바로 삽입할 수 있는 사전 설계 및 검증된 블록 설계(IP)를 제공하는 경우가 많으며, 이를 통해 설계 및 검증 시간을 대폭 단축할 수 있습니다. 

EDA는 설계 프로세스의 다양한 핵심 측면을 각각 다루는 광범위한 전문 도구를 포괄합니다. 주요 범주는 다음과 같습니다:

건축 탐구 도구 

아키텍처 탐색 도구는 제안된 칩 설계의 아키텍처를 모델링합니다. 아키텍트는 기본 아키텍처와 CPU, 입출력 인터페이스, 메모리 등의 구성 요소와 함께 주요 제약 조건 및 성능 요구 사항을 명시합니다. 트랜잭션 시뮬레이션은 실제 칩 설계를 생성하지 않고도 결과를 예측합니다.

회로도 캡처 도구 

회로도 작성 도구를 사용하면 엔지니어들이 전자 회로의 그래픽 표현을 만들어, 소자 간의 연결 방식과 상호 작용을 정의할 수 있습니다. 이러한 도구는 대부분 더 이상 사용되지 않으며, 설계 엔지니어들이 제시한 상위 수준의 사양을 바탕으로 전자 회로를 자동으로 생성하는 최신 EDA 도구로 대체되었습니다.

설계 캡처 도구 (맞춤형/아날로그 및 혼합 신호)

커스텀, 아날로그 및 혼합 신호 설계를 위한 설계 캡처 도구는 트랜지스터 레벨 회로도, 소자 레벨 계층 구조 및 회로 의도를 생성하는 데 사용되는 그래픽 및 제약 조건 기반 환경을 제공합니다. 이러한 도구는 커스텀 설계 흐름의 출발점이 되어, 엔지니어들이 시뮬레이션, 레이아웃 및 검증 단계에 앞서 상세한 회로 동작, 소자 간 관계 및 아날로그 성능 요구 사항을 표현할 수 있도록 지원합니다. RTL 입력이 회로도 캡처를 완전히 대체한 디지털 설계 흐름과 달리, 커스텀 아날로그 설계 는 소자 물리학, 기생 요소, 바이어스, 레이아웃 의존적 효과와 밀접하게 연관되어 있기 때문에 여전히 회로도 기반 캡처에 의존하고 있습니다. 

시뮬레이션 도구

• 아날로그 시뮬레이터: 아날로그 회로의 동작을 모델링합니다(예: SPICE).

• 디지털 시뮬레이터: 디지털 논리 및 타이밍을 모델링합니다.

• 혼합 신호 시뮬레이터: 아날로그 및 디지털 시뮬레이션을 결합합니다. 

• Multiphysics 시뮬레이터: 전력 공급망, 열 분포, 전자기 및 신호 무결성 효과를 모델링합니다.

특성 분석 도구  

특성 분석 도구는 표준 셀, 메모리 인스턴스, 맞춤형 회로 및 아날로그/혼합 신호 블록에 대한 고정밀도 타이밍, 전력, 노이즈 및 신뢰성 모델을 생성합니다. 이러한 도구는 SPICE 수준 또는 SPICE에 근접한 정확도로 작동하며, 합성, 배치 및 라우팅 정적 타이밍 분석, 사인오프 검증 및 실리콘 상관 관계 분석에 필요한 모델을 생성합니다. 라이브러리와 소자 모델의 품질이 타이밍 클로저, 전력 추정 및 회로 성능 예측의 정확성을 직접적으로 결정하기 때문에, 특성 분석은 디지털 및 혼합 신호( 아날로그 설계 ) 모두의 기초가 됩니다.

합성 도구 

합성 도구는 고수준 기술 언어(HDL)를 물리적 구현에 적합한 게이트 레벨 넷리스트로 변환합니다. 또한 합성 도구는 올바른 기능을 유지하면서 면적을 줄이고 타이밍을 개선하기 위해 생성된 넷리스트를 최적화합니다.

배치 및 배선(레이아웃) 도구

배치 및 배선 도구는 실리콘이나 PCB 상에서 소자의 물리적 배치와 연결 배선을 자동화합니다. 또한 이러한 도구는 물리적 레이아웃 설계의 최적화 작업도 수행합니다.

검증 도구 

• 기능 검증: 설계가 의도한 대로 작동하도록 보장합니다.

• 형식적 방법: 형식적 검증은 수학적 방법을 사용하여 올바름을 증명하는 반면, 형식적 동등성은 합성 또는 최적화 후 설계가 기능적으로 동일함을 증명합니다.

• 정적 타이밍 분석: 모든 타이밍 제약 조건이 충족되는지 확인하고, 최적화 도구를 통해 해결할 수 있는 타이밍 병목 현상을 파악합니다.

• 게이트 레벨 전력 분석: 설계 내의 전력 소비를 분석하여 정확한 풀칩 및 블록 레벨 전력 지표를 제공합니다.  

• 하드웨어 지원 검증: 고속 하드웨어와 소프트웨어를 결합하여 에뮬레이션 및 프로토타이핑을 통해 검증 속도를 높입니다.

실리콘 수명주기 관리 (SLM) 도구

• 데이터 수집 및 상세 분석: 설계 및 제조부터 배포 및 현장 운영에 이르기까지 반도체 소자의 전체 수명 주기에 걸쳐 모니터링, 분석 및 최적화를 수행하는 데이터 기반 접근 방식입니다. SLM은 실리콘의 상태, 성능, 품질, 신뢰성 및 수명을 지속적으로 개선할 수 있도록 지원합니다.

테스트 및 검증 도구

• 테스트를 위한 설계(DFT): 스캔 체인, 경계 스캔, 내장 자가 진단(BIST) 모듈과 같은 구조적 테스트 기능을 통합함으로써, 과도한 외부 프로빙이나 개입 없이 내부 회로를 철저히 테스트할 수 있게 하여 결함 탐지 범위를 개선하고 제조 공정 중 테스트를 용이하게 합니다. 이러한 기능을 통해 자동 패턴 생성 및 테스트( 테스트 패턴 생성 , ATPG) 및 현장 테스트 방법론을 구현할 수 있습니다.

제조 관련 도구

• 설계 규칙 검사(DRC) 및 전기적 규칙 검사(ERC) 도구: 설계가 제조 및 전기적 제약 조건을 준수하는지 확인합니다. 이러한 제약 조건은 일반적으로 실제 실리콘 칩을 제조하는 파운드리에서 정의합니다.

• 마스크 합성/데이터 준비 도구: 반도체 제조 과정에서 핵심적인 역할을 하는 포토마스크 제작을 위한 레이아웃 데이터를 준비하고 최적화합니다. 

• 기술: 컴퓨터 지원 설계(TCAD): 반도체 공정 단계를 시뮬레이션하고 모방하여 트랜지스터와 같은 가상 반도체 소자를 생성합니다. 또한 이 가상 반도체 소자에 대해 전기 신호, 응력 또는 온도와 관련된 변화를 평가할 수 있습니다.  

• 원자 수준 모델링: 신규 또는 기존 제품 및 시스템에 최적의 물성을 지닌 신소재를 설계합니다. 

EDA는 기술과 반도체 산업의 지속적인 발전과 혁신에 필수적입니다. 그 중요성은 다음과 같은 몇 가지 핵심 영역으로 요약할 수 있습니다:

복잡성 관리

현대 칩에는 수십억 개의 트랜지스터와 정교한 상호 연결 구조가 포함되어 있습니다. 이 정도 규모에서는 수작업으로 설계하는 것이 불가능합니다. EDA는 복잡한 작업을 자동화하여 설계자들이 혁신에 집중하고 더 높은 추상화 수준에서 작업할 수 있도록 해줍니다.

생산성 및 효율성 향상 

EDA 도구는 전자 시스템의 설계, 검증 및 제조에 소요되는 시간을 획기적으로 단축합니다. 자동화를 통해 엔지니어들은 신속하게 반복 작업을 수행하고, 살펴보기 다양한 아키텍처와 설계 대안을 탐색하며, 성능, 전력, 면적 및 기타 제약 조건을 최적화할 수 있습니다. EDA 도구 내에서 AI를 활용하면 결과물의 품질이 획기적으로 향상될 뿐만 아니라 설계 및 검증 시간도 더욱 단축됩니다.

신뢰성 및 품질 향상

시뮬레이션, 검증 및 오류 점검을 통해 설계가 견고하고 의도한 대로 작동하도록 보장합니다. 문제를 조기에 발견함으로써 제조 과정에서 발생하는 비용이 많이 드는 오류와 재작업을 줄일 수 있으며, 이는 논리 회로가 합성되기 전 단계에서도 가능합니다.

혁신 촉진 

EDA는 설계자들이 스마트폰부터 고성능 CPU, 인공지능 프로세서에 이르기까지 최첨단 기술을 개발할 수 있도록 지원합니다. 첨단 도구를 통해 새로운 아키텍처, 소재 및 제조 기술을 탐구할 수 있습니다.

비용 절감

EDA는 노동 집약적인 단계를 자동화하고 설계 정확도를 높임으로써 개발 비용을 절감하고, 첫 번째 제조 시도에서 정상적으로 작동하는 칩( 첫 실리콘에서의 성공 )을 생산할 가능성을 높입니다.

업계 표준 및 협업 지원 

EDA 도구는 업계 표준 준수를 지원함으로써, 팀들이 조직과 지역을 초월하여 더 원활하게 협업할 수 있도록 돕습니다.

시장 출시 기간 단축

변화가 빠른 산업 분야에서는 속도가 매우 중요합니다. EDA는 신속한 프로토타이핑, 설계 반복 및 검증을 가능하게 하여, 기업이 제품을 신속하게 시장에 출시하고 경쟁력을 유지할 수 있도록 돕습니다. 일반적인 인터페이스, 보안 및 기타 기능을 위한 하드웨어 IP는 주류 애플리케이션과 상호 운용이 가능한 애플리케이션을 위해 미리 설계된 모듈을 사용자에게 제공함으로써, “바퀴를 다시 발명하는” 수고를 덜어줍니다.