실리콘 칩( 배치 및 배선)이란 무엇인가요?

EDA 소프트웨어 도구를 사용하여 배치 및 배선 설계 단계를 수행하기 전에, 실리콘 다이 설계 데이터베이스와 칩의 논리 설계를 배치 및 배선 도구에 제공해야 합니다. 설계 데이터베이스는 물리적(및 논리적) 설계를 담는 빈 캔버스와 같으며, 도구에 칩의 물리적 크기와 치수를 알려줍니다. 또한 논리 설계 데이터베이스에는 논리 게이트와 각 게이트 간의 핀 간 연결 정보가 포함되어 있습니다. 

EDA 툴이 직면한 과제는 논리 설계를 배치 및 배선 하여 정확하고 최적화된 방식으로 물리 설계 로 변환하는 것입니다. 주어진 논리 설계와 빈 물리 설계 를 바탕으로 할 때, 배치 및 배선 솔루션의 가능성은 무수히 많으며, 이는 정답이 단 하나뿐인 퍼즐이 아닙니다. 여기서 핵심 과제는 설계자가 설정한 전력, 성능, 면적(PPA) 목표는 물론 , 최종적으로 실리콘 칩을 제조하는 파운드리에서 정한 물리 설계 규칙까지 모두 충족하는 배치 및 배선 완료된 설계를 도출해내는 것입니다.

배치 및 배선 (물리 설계 ) 단계에 관한 몇 가지 세부 사항:

• 배치:
  • 이 단계에서는 각 논리 소자(게이트, 플립플롭 또는 기타 기능 블록 등)가 실리콘 칩 상에서 물리적으로 어디에 배치될지를 결정합니다.
  • 목표는 이러한 셀들을 효율적으로 배치하여 셀 간 신호 전달 거리를 최소화함으로써, 전력 소비를 줄이고 속도를 높이며 칩 면적을 최적화하는 데 있습니다.
• 경로 설정:
  • 배치 과정이 끝나면, 라우팅은 설계 회로도에 따라 전기 신호를 전달하기 위해 ‘경로(route)’라고 하는 물리적 통로(배선)를 생성하여 셀의 핀들을 연결합니다.
  • 실리콘 칩은 수직 층으로 구성되어 있으며, 하부 층은 논리 게이트를 구성하는 트랜지스터 기본 소자로 이루어져 있고, 여러 층은 게이트 간의 배선 연결을 위한 경로로 사용됩니다.
  • 라우팅 도구는 이러한 연결에 대해 최적의 경로(또는 루트)를 찾아내어, 신호가 간섭이나 다른 경로와의 단락 없이 목적지에 도달하도록 보장하며, 간격, 레이어 사용 및 타이밍에 관한 설계 규칙을 준수합니다.

EDA 소프트웨어를 통해 설계의 배치 및 라우팅이 완료된 후, 생성된 물리 설계 를 분석하여 그 품질을 평가할 수 있습니다. 대표적인 지표로는 다음이 있습니다:

• 설계 경로를 구성하는 데 사용된 총 전선 길이 (일반적으로 짧을수록 좋습니다)

• 배치 및 라우팅 혼잡도 (일반적으로 혼잡도가 낮을수록 좋다)

• 남아 있는 단락 또는 개방 수 (경로를 찾을 수 없는 경우 일부 신호에서 배선 단락 또는 개방이 발생할 수 있음)

• 설계 규칙 위반 건수 (설계 규칙 위반을 피할 수 없는 경우)

EDA 툴은 또한 논리 게이트 배치와 물리적 배선 경로를 보여주는 강력한 그래픽 표시 기능을 제공합니다. 엔지니어들은 디버깅이나 시각화를 위해 문제나 혼잡 등이 발생한 원하는 영역을 확대하여 확인할 수 있습니다. 

그림 1은 논리 게이트 배치(사각형)를 보여줍니다:

Synopsys 까다로운 타이밍, 전력 및 면적 요구 사항을 충족하는 최적의 물리적 설계를 생성하는 동시에 개별 설계자의 제약 조건과 지침을 반영하는 포괄적이고 자동화된 배치 및 배선 솔루션을 제공합니다. Synopsys 자동화된 배치 및 배선 기능을 제공하는 제품으로는 다음이 있습니다:

• Fusion Compiler
• Custom Compiler
• 3DIC Compiler

이 제품들은 ‘ 배치 및 배선 ’가 핵심을 이루는 포괄적인 실리콘 설계 솔루션을 제공합니다. 통합된 환경으로서, 이 솔루션들은 실리콘 칩 설계 전 과정에 걸쳐 타당성 탐색, 프로토타이핑, 플로어플래닝, 설계, 최적화, 분석, 검증 및 첨단 패키징 기능을 모두 제공합니다. Synopsys’ 배치 및 배선 솔루션은 개별적이고 고립된 설계 단계가 아닌, 전체 흐름의 맥락에서 통합된 기능을 제공합니다. 예를 들어, 배치 및 라우팅 단계는 타이밍과 면적을 기반으로 이루어지므로, 최적화가 물리 설계 와 긴밀하게 연결됩니다. 이를 통해 칩 설계자들은 서로 연결되지 않은 일련의 소프트웨어 도구 대신, 완벽한 종단 간 통합 솔루션을 활용할 수 있습니다.

초기 아키텍처 탐색부터 설계 구현, 테스트, IP, 소프트웨어 및 하드웨어 검증에 이르기까지, Synopsys 실리콘 칩 설계 분야의 차세대 혁신을 지속적으로 주도하고 있습니다.