반도체 회로 설계 과정
반도체 칩 하나를 만들기 위해서는 수많은 과정이 필요합니다. 그중에서도 회로 설계는 반도체 칩의 기초가 되는 과정이기 때문에 가장 중요한 단계라고 할 수 있습니다. 반도체 회로 설계에도 계획, 분석, 시뮬레이션 등 여러 단계를 거치게 되는데 그 과정에 대해 간단히 살펴보도록 하겠습니다.
칩 사양 및 요구 사항 설정
회로 설계를 하기에 앞서 반도체 칩에 대한 기본 사양과 이것을 사용할 수요기업으로부터의 요구사항을 고려하여 최종 칩에 대한 사양을 결정해야 합니다. 어떤 기능이 들어가야하는지, 전력 소비량, 크기 등과 같은 사양이 이러한 것에 해당됩니다. 특히 칩을 설계할 때는 보통 대략적인 수요처를 산정하고 설계하기 때문에 수요기업과 협력하여 응용할 수 있는 프로그램, 목표 시장, 비용과 같은 설계에 영향을 미치는 요소들을 고려하는 것이 중요합니다.
회로 설계
사양이 정해졌다면 설계자는 사양에 맞는 공정을 선택하게 됩니다. 공정은 삼성, TSMC와 같이 어떤 파운드리 회사의 공정을 쓸 것인지, 어떤 nm 공정을 사용할 것인지 결정한 후 해당 공정의 PDK(Process Design Kits)를 입수하여 설계할 수 있습니다. 공정을 결정할 때는 추후 양산 시 해당 칩의 비용, 납기일 등을 모두 고려하여 가장 최적화된 공정을 선택하는 것이 중요합니다.
PDK를 입수한 후엔 본격적인 회로 설계를 하게 되는데 어떤 회로 구조를 사용할지, 테스트는 어떤 방식으로 할지와 같은 여러 가지 요소들을 고려하여 설계해야 합니다. 회로 설계에는 아날로그 회로와 디지털 회로로 나눌 수 있는데 주요 회로설계는 아날로그 회로로 이루어지며 verilog 또는 VHDL과 같은 하드웨어 언어를 사용하여 디지털 회로를 개발할 수 있습니다. 디지털 회로는 주로 게이트 단위 수준으로 설계되며 반도체 칩과 외부로의 원활한 통신을 위해 주로 사용됩니다.
시뮬레이션 및 검증
회로 설계가 완료되면 검증을 위한 시뮬레이션을 진행합니다. 시뮬레이션은 회로의 기본 기능을 검증하고 Process Corner 시뮬레이션을 통해 공정 산포에 따른 특성을 검증할 수 있습니다. 공정 산포란 칩을 실제로 만드는 과정에서 발생할 수 있는 여러 변수들을 미리 예상해놓은 데이터로 반도체 각 소자마다 fast, typical, slow 특성이 있으며 이와 같은 파라미터들은 PDK에서 모두 제공됩니다. 파운드리 공정마다 산포가 다르기 때문에 시뮬레이션 단계에서 꼭 수행해야 할 과정입니다.
레이아웃(Layout)
레이아웃은 설계된 회로를 실제 웨이퍼상에 구현하기 위해 사용되는 Mask pattern을 그리는 과정입니다. 레이아웃을 거친 데이터가 최종 반도체 칩으로 만들어진다고 보면 됩니다. 레이아웃은 설계된 회로의 소자를 어떻게 배치해야할지, 라우팅은 어떤 방식으로 할지를 고려하여 진행되는데 회로 간 노이즈나 공정 변수 등과 같은 요소를 고려해야 하고 또 레이아웃에 따라 칩의 크기가 결정되기 때문에 다양한 변수를 고려하면서 설계해야 합니다. 보통 아날로그 회로는 100% 수동으로 설계되며 디지털 회로 같은 경우 Auto P&R(Place&Routing)이라고 하는 프로그램으로 공정에서 제공되는 논리소자 셀을 자동으로 원하는 위치에 배치하여 배선되는 방법을 사용합니다.
레이아웃 검증 및 기타
레이아웃이 완료되면 DRC(Design Rule Check), LVS(Layout versus Schematic)와 같은 검증 툴을 통해 레이아웃이 공정의 규칙에 맞게 제대로 되었는지, 회로와 레이아웃이 동일하게 설계되었는지 검증할 수 있습니다. 그리고 레이아웃이 검증된 후에는 LPE(Layout Parasitic Extraction)툴을 활용하여 레이아웃에서 생성될 수 있는 기생적인 R(Resister), C(Capacitor) 성분을 추출하여 기생 소자가 모두 포함된 회로 시뮬레이션을 통해 최종적으로 회로를 검증하게 됩니다. LPE까지 모든 단계가 완료되면 최종 레이아웃 데이터를 파운드리 회사에 보내어 반도체 칩을 제작하게 됩니다.
반도체 칩을 설계하기 위한 가장 기초적인 단계인 회로 설계에 대해 대략적으로 알아보았습니다. 보통 이 과정은 팹리스 회사에서 진행하게 되는데 회로 설계와 레이아웃을 동시에 하는 회사도 있고 레이아웃만 전문적으로 하는 회사도 있습니다. 엔지니어의 설계 노하우에 따라 칩의 전체적인 성능이 좌지우지될 수 있기 때문에 끊임없는 공부와 피드백이 필요한 과정이라고 할 수 있습니다.
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