집적 회로(IC) 디자인이란 무엇인가요?

IC 설계는 매우 중요한 학문 분야입니다. 이는 오늘날 사용되고 있는 모든 마이크로전자 소자의 개발 기반을 형성합니다. 여기에는 노트북 컴퓨터와 휴대전화의 핵심인 마이크로프로세서, 컴퓨터 모니터와 텔레비전을 구동하는 영상 처리 회로, 웨어러블 및 이식형 의료 기기에 사용되는 센서 등이 포함됩니다. 또한 이러한 마이크로전자 소자들은자율 주행, 머신 비전, 자연어 처리와 같은 새로운 영역을 개척하고 있는인공지능(AI)의 활용이 확대되는 데 기여하고 있습니다. 

오늘날 우리 사회에서는 집적회로(IC) 기술이 널리 보급되어 있으며, IC 설계는 이러한 소자를 개발하는 데 필요한 기초 학문 분야를 형성하고 있습니다.

IC 설계 과정은 일련의 계층적 분해 단계로 볼 수 있습니다. 상위 수준의 요구사항은 목표 함수를 충실히 수행하는 회로를 실리콘 웨이퍼에 구현하기 위해 보다 세부적인 수준으로 분해됩니다. IC 설계 흐름을 구성하는 주요 단계는 다음과 같습니다:

• 아키텍처 설계.이 단계에서는 IC에 요구되는 기능이 명시됩니다. 고려 중인 특정 IC의 성능은 구축될 시스템의 맥락에서 검토됩니다. IC는 어떤 기능을 제공해야 합니까? 요구되는 속도와 전력 소비량은 얼마입니까? 장치의 목표 비용은 얼마입니까? 이러한 질문에 대한 답변은 장치를 구현하는 데 사용될 구체적인 기술을 선택하는 데 중요한 근거가 됩니다. 이 단계에서는 ‘무엇’이 필요한지가 가장 중요합니다.  이를 “어떻게” 구현할지는 아직 명확히 정의되지 않았습니다.
• 논리/회로 설계.이 단계에서는 매크로 수준의 구성 요소를 조립하고 상호 연결하여 IC의 요구 기능을 구현합니다. 일반적으로 메모리, 처리 장치, 센서와 같은 기존 구성 요소가 사용됩니다. 회로 요소에 대한 고수준 기능 설명은 필요한 저수준 회로 요소로 분해됩니다. 이 과정은 ‘논리 합성’이라고 하는 소프트웨어를 통해 자동화됩니다. 설계된 회로의 기능을 검증하기 위해 이러한 소자들의 집합을 시뮬레이션합니다.  필요한 시뮬레이션 세부 수준에 따라 디지털 논리 시뮬레이터나 아날로그 회로 시뮬레이터 중 하나가 사용됩니다. IC의 요구 사항을 충족하기 위해 매크로 수준의 구성 요소를 수정해야 하는 경우, 맞춤형 회로 설계 기법이 사용됩니다. 이 단계에서 칩을 ‘어떻게’ 구현할지에 대한 정의가 시작됩니다.
• 물리 설계.이 단계에서는 실리콘 웨이퍼 위에 필요한 모든 회로 소자를 구현하는 상호 연결된 도형의 실제 레이아웃이 생성됩니다. 이 과정은 칩의 각 주요 기능이 배치될 위치와 설계의 주요 입력 및 출력 포트가 위치할 곳을 정의하는 칩 “플로어 플랜”을 바탕으로 시작됩니다. 그런 다음 제조를 준비하기 위해 최종 회로 소자들을 배치하고 배선합니다. IC의 요구 사항을 충족하기 위해 매크로 수준의 구성 요소를 수정해야 하는 경우, IC 레이아웃 편집 도구를 활용한 맞춤형 레이아웃 기법이 사용됩니다. 이제 칩이 “어떻게” 구현될지가 완전히 정의됩니다.
• 물리적 검증.이제 제조 공정이 설계에 미치는 모든 물리적 영향을 모델링할 수 있습니다. 배선으로 인한 추가 저항, 신호 크로스톡, 제조 공정 자체의 변동성 등은 여기서 고려해야 할 수많은 요소 중 일부에 불과합니다. 이러한 스트레스 조건 하에서도 회로가 여전히 정상적으로 작동할까요? 또한, 회로가 제조 가능하도록 실리콘 웨이퍼 위에 물리적으로 어떻게 배치되어야 하는지에 관한 수많은 설계 규칙이 있습니다. 이러한 설계 규칙들도 이 단계에서 점검됩니다.
• 사인오프(Signoff). 이는설계가 제조 단계로 넘어가기 전의 마지막 단계입니다. 이 단계에서는 칩의 성능이나 제조 가능성에 영향을 미칠 수 있는 모든 핵심 매개변수를 “골든 사인오프” 품질 도구의 결과와 대조하여 검증합니다. 이 단계에서는 설계 규칙과 제조 가능성(DFM) 규칙이 철저히 검증됩니다.  또한 이 단계에서는 설계의 타이밍, 전력 소비 및 신호 무결성 도 검증되고 “마감”됩니다. 공정의 물리적 영향을 정확히 파악하기 위해서는 사인오프 단계에서 정확한 기생 성분 추출 를 수행하는 것이 매우 중요합니다. 이 골든 사인오프 Synopsys 이 단계에서 사용되는 툴로는 IC ValidatorPrimeTime®, PrimePower, 그리고 StarRC등이 있습니다.

첨단 반도체 기술을 고려할 때, IC 설계 흐름에서 중요해지는 또 다른 측면이 있습니다. 첨단 제조 기술에서는 물리적 효과와 공정 변동성이 주요한 역할을 합니다. 예를 들어, 회로 소자를 연결하는 배선의 물리적 저항은 동작 전압에 상당한 변화를 일으킬 수 있으며, 결과적으로 전체 회로 성능에도 영향을 미칩니다. 제조 공정의 변동성 또한 예상치 못한 회로 동작을 유발할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 배선 지연이나 공정 변동과 같은 후기 효과를 설계 과정 초기에 모델링하고 고려하여, 이러한 영향이 적절히 반영되도록 해야 합니다.

또한, 테스트 방법이나 전력 소비량과 같은 설계의 일부 측면은 프로세스의 각 단계에서 모델링하고 개선해야 합니다. 이러한 사항들은 너무 복잡하여 설계 단계의 마지막에 처리하기에는 무리입니다. 이러한 ‘선행 고려’ 과정을‘시프트 레프트(Shift-Left)’ 접근법이라고 하며, 이를 지원하기 위해서는 매우 정교한 설계 도구와 설계 흐름이 필요합니다.