저전력 SoC 반도체 설계를 위한 세부적인 과정 및 기술

성공적인 SoC 설계을 위한 주요 고려 사항 

 

 1. User Interface Design in SoC: 

   User Interface (UI)는 사용자와 시스템 사이의 상호작용을 가능하게 하는 방법입니다. SoC 설계에서의 UI는 고려해야 할 중요한 요소입니다. 여기에는 물리적 버튼, 터치스크린, 음성 인식, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 사용자 입력을 처리하기 위한 소프트웨어 등이 포함될 수 있습니다. 효과적인 UI 설계는 사용자의 요구를 충족시키는 반면, 비효과적인 UI 설계는 사용자의 경험을 저해하고, 제품의 성공을 위협할 수 있습니다.
  UI 설계는 사용자의 경험, 사용자의 요구사항, 그리고 특정 응용 프로그램의 요구사항에 따라 결정됩니다. 이는 실제 SoC 설계를 위한 사용자의 요구사항을 수집하고, 효율적인 시스템 동작을 위한 인터페이스를 제공하는 과정을 포함합니다.

SoC (System-on-Chip) 설계에 있어서 사용자 인터페이스(UI)는 시스템과 사용자 간의 상호작용을 제어하는 요소로서 중요한 역할을 합니다. 

-  사용자 인터페이스 설계 : SoC는 임베디드 시스템, 스마트폰, 태블릿 등 다양한 디바이스에 사용되므로, 각 디바이스에 적합한 사용자 인터페이스를 설계해야 합니다. 이를 위해서는 사용자 요구사항을 정확히 이해하고 이를 반영하는 것이 중요합니다.

-  사용자 인터페이스 구현 : SoC 설계에 있어서 UI는 보통 IP (Intellectual Property) 블록 형태로 구현되며, 디바이스의 터치스크린, 버튼, 디스플레이 등의 사용자 인터페이스를 제어합니다.

-  테스트 및 검증 : UI 설계가 사용자 요구사항을 정확히 충족하는지 확인하기 위해 테스트와 검증이 수행됩니다.

 

 2. Chip-Package Co-design: 

   Chip-package co-design은 반도체 칩의 설계와 패키지의 설계가 병행되는 접근법을 의미합니다. 이는 시스템의 전체 성능, 비용, 그리고 제조 가능성을 향상시키기 위한 전략적인 방법입니다.

SoC 설계에서 칩-패키지 공동 설계는 칩과 패키지 사이의 상호 작용을 고려하여 설계 성능을 최적화하는 방법입니다.

-  칩-패키지 상호작용 분석 : 칩과 패키지 사이의 전기적, 열적, 기계적 상호작용을 분석하여 성능에 미치는 영향을 이해합니다.

-  동시 최적화 : 칩과 패키지의 설계 변수를 동시에 최적화하여 전체 시스템의 성능을 향상시킵니다.

-  실제 환경에서의 성능 예측 : 공동 설계를 통해 칩과 패키지가 실제 환경에서 어떻게 작동할지 예측하고, 이를 바탕으로 설계를 개선합니다.

 

 3. LSI  Design Flow: 

LSI (Large Scale Integration) 설계 흐름은 전체적인 반도체 칩 설계 과정을 나타내며, 일반적으로 아래의 단계를 포함합니다.

-  시스템 수준 설계 : 제품의 기능 및 성능 요구사항을 정의하고, 이를 바탕으로 시스템 아키텍처를 설계합니다.

-  RTL (Register Transfer Level) 설계 : 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용하여 RTL 설계를 수행합니다.

-  논리 합성 : RTL 설계를 게이트 레벨의 설계로 변환합니다.

-  백엔드 설계 : Floorplanning, Placement, Routing 등의 물리적 설계 단계를 수행합니다.

-  테스트 및 검증 : 구현된 설계가 기능 및 성능 요구사항을 충족하는지 검증합니다. 이 단계는 설계 과정 중 여러 번 수행될 수 있습니다.

-  팹리케이션 : 검증된 설계를 바탕으로 실제 칩을 제조합니다.

 

 

 SoC Design Flow
 SoC 설계 흐름은 SoC 설계 프로젝트를 완성하기 위한 일련의 단계를 정의한 것입니다. 이는 아이디어에서부터 최종 제품까지의 모든 과정을 포함하며, 아래의 주요 단계들을 포함합니다

1. 시스템 명세 및 아키텍처 설계**: 이 단계에서는 SoC의 기능적 요구사항이 정의되고, 전체 아키텍처가 설계됩니다.

2. 프론트엔드 설계: HDL을 사용하여 각 기능 블록의 RTL 설계가 수행되며, 이 설계는 합성 및 검증 단계를 거칩니다.

3. 백엔드 설계: 이 단계에서는 물리적 배치, 라우팅, 그리고 타이밍 분석 등이 수행됩니다.

4.테스트 및 검증 (DFT):  DFT 기법이 적용되며, 테스트 패턴이 생성되고, 결함 시뮬레이션 및 분석합니다.

5. 테이프아웃 및 제조: 이는 최종 GDSII 파일을 제조사에게 전송하고, 실제 반도체 칩을 제조하는 단계입니

6. 테스트 및 디버그: 제조된 칩은 기능적, 구조적 검사를 거치며, 필요한 경우 디버깅이 수행됩니다.
SoC 설계 흐름은 복잡한 시스템을 설계, 제조하고, 검증하는 데 필요한 모든 단계를 포괄하므로, 이를 통해 품질, 비용, 그리고 시장 진입 시기를 최적화할 수 있습니다.

 

저전력 SoC 반도체 설계에서 저전력을 위한 세부적인 전자회로 기술

 

1.  하이-레벨 합성 (HLS, High-Level Synthesis) : 최적화된 하드웨어 구현을 생성하며, 전력 사용을 줄입니다.

2.  클록 게이팅 (Clock Gating) : 불필요한 클록 신호를 차단하여 전력 소비를 줄입니다.

3.  전력-영역-타이밍 최적화 (Power-Area-Timing Optimization) : 설계의 각 부분에 대해 전력, 면적, 타이밍을 동시에 최적화합니다.

4.  다이나믹 전압 스케일링 (DVS, Dynamic Voltage Scaling) : 실행 부하에 따라 전압을 동적으로 조정하여 전력 소비를 줄입니다.

5.  다이나믹 전력 관리 (DPM, Dynamic Power Management) : 부하에 따라 시스템을 동적으로 온/오프하거나 절전 모드로 전환합니다.

6.  다중 Vdd (전압) 도메인 : 회로 일부를 더 낮은 전압에서 작동하도록 하여 전력 소비를 줄입니다.

7.  다중 Fdd (주파수) 도메인 : 회로 일부를 더 낮은 주파수에서 작동하도록 하여 전력 소비를 줄입니다.

8.  서브 임계 전압 작동 (Sub-threshold Operation) : 트랜지스터를 서브 임계 전압 영역에서 작동시킵니다.

9.  비용효율적인 파워 그리드 설계 : 시스템의 전력 및 그라운드 배선을 최적화하여 전력 소비를 줄입니다.

10.  저전력 스테이트 머신 설계 : 저전력 스테이트 머신은 트랜지션 회로를 최적화하여 전력 소비를 줄입니다.

11.  저전력 메모리 설계 : SRAM, DRAM 등의 메모리 유닛은 대부분의 전력을 소비하는 요소 중 하나입니다. 이들의 전력 소비를 줄이기 위해 메모리 셀, 전력-다운 모드, 동적 참조 등의 기술이 사용됩니다.

12.  저전력 플립-플롭 설계 : 클록 회로는 전체 칩 전력의 상당 부분을 차지하기 때문에, 저전력 플립-플롭 설계가 중요합니다.

13.  저전력 입출력 (I/O) 버퍼 설계 : 입출력 버퍼의 전력 소비를 줄이기 위한 기술이 있습니다.

14.  부분적 유휴 전력 최적화 (Partial Idle Power Optimization) : 이는 전체 회로가 유휴 상태일 때 특정 부분만 절전 모드로 전환하는 것입니다.

15.  전력 경사 최적화 (Power Slope Optimization) : 이는 트랜지스터 수준에서의 전력 소비를 최소화하는 것입니다.

16.  저전력 배치 및 라우팅 : 이는 회로의 물리적 배치와 연결 경로를 최적화하여 전력 소비를 줄입니다.

17.  저전력 전력 공급 네트워크 설계 : 저전력 전력 공급 네트워크 설계는 전력 공급 임피던스를 최소화하고 노이즈를 줄입니다.

18.  전력 가이트 (Power Gating) : 이 기술은 특정 로직 블록이 활성 상태가 아닐 때 그 전력을 완전히 차단합니다.

19.  저전력 성능 추적 (Low Power Performance Tracking) : 이 기술은 칩의 성능을 계속 모니터링하고 필요에 따라 전력 사용을 조절합니다.

20.  저전력 테스트 기법 : 이는 제품의 전력 소비를 측정하고 최적화하는데 사용됩니다. 이러한 테스트 기법에는 기능 테스트, 낮은 Vdd 테스트, 높은 Vdd 테스트, 등이 포함됩니다.

 

SoC 반도체 설계  프로세스

 Front End Design 

 

Front-end design는 설계 프로세스의 첫 번째 부분으로, 이 단계에서는 크게 다음의 10가지 주요 활동이 이루어집니다:

1.  시스템 요구사항 정의 : 설계의 초기 단계에서는 반도체 기기가 충족해야 하는 기능 및 성능 요구사항이 정의됩니다.

2.  시스템 아키텍처 설계 : 이 단계에서는 전체 시스템의 아키텍처가 설계되며, 이를 통해 각 컴포넌트가 어떻게 상호 작용하는지 결정됩니다.

3.  하드웨어 기술 언어(HDL) 설계 : HDL을 사용하여 디지털 회로를 설계하며, 이는 일반적으로 Verilog 또는 VHDL을 사용하여 수행됩니다.

4.  RTL 설계 : Register-Transfer Level (RTL) 설계는 HDL에서 수행되며, 이는 각 논리 게이트가 어떻게 연결되어야 하는지, 그리고 이들이 어떻게 클럭 및 기타 신호에 반응하는지를 명시합니다.

5.  설계 검증 : Simulation tools를 사용하여 RTL 설계가 명세에 부합하는지 검증합니다.

6.  합성 : 이 단계에서는 RTL 설계를 게이트 레벨의 설계로 변환합니다.

7.  타이밍 분석 : 변환된 게이트 레벨 설계에 대한 타이밍 분석을 수행하여 설계가 특정 클럭 속도에서 작동할 수 있는지 확인합니다.

8.  전력 분석 : 합성 후 전력 분석을 수행하여 전력 소비를 예측하고 최적화합니다.

9.  폼알 검증 : 이 단계에서는 합성된 설계가 RTL 설계와 동일한 기능을 수행하는지 검증합니다.  이 단계에서는 합성된 설계가 RTL 설계와 동일한 기능을 수행하는지 검증합니다. 이를 위해, "Formal Verification" 또는 한국어로 "폼알 검증"이라는 과정이 이루어집니다. 폼알 검증은 합성된 설계가 RTL 설계의 의도를 정확하게 반영하였는지를 체크하는 중요한 단계입니다. 이 과정에서는 논리적으로 합성된 설계 (게이트 레벨)와 RTL 설계가 동일하게 동작하는지를 수학적으로 증명합니다. 이러한 검증 과정을 통해 어떠한 입력에 대해서도 합성된 설계가 RTL 설계와 동일하게 동작함을 확인할 수 있습니다. 폼알 검증의 목적은 합성 과정에서 발생할 수 있는 문제를 발견하고 이를 수정하는 것입니다. 이는 최종 제품의 안정성과 신뢰성을 보장하는데 매우 중요한 과정입니다.

10.  Netlist 생성 : 게이트 레벨의 설계를 netlist 형식으로 변환하며, 이는 백엔드 설계 단계로 전달됩니다.

 

 Back End Design 

Back-end design는 물리적 설계 단계로, 대체로 다음의 10가지 주요 활동을 포함합니다:

1.  Floorplanning : 이 단계에서는 디자인의 물리적 레이아웃을 계획하며, 이는 메모리 블록, IP core, I/O pads의 위치 등을 포함합니다.

2.  Power Planning : 전력과 그라운드의 배선을 계획합니다.

3.  Placement : 모든 논리 게이트를 적절한 위치에 배치합니다.

4.  Clock Tree Synthesis (CTS) : 논리 회로 전체에 대한 클럭 신호를 제공하는 클럭 트리를 생성합니다.

5.  Routing : 배치된 각 게이트를 연결하는 선로를 생성합니다.

6.  Layout Extraction : 레이아웃에서 파라메터를 추출하여 회로의 전기적 행동을 분석합니다.

7.  Physical Verification : 물리적 설계가 모든 제조 및 설계 규칙을 준수하는지 검사합니다.

8.  Timing Verification : 모든 타이밍 제약 조건이 충족되는지 확인합니다.

9.  IR Drop Analysis : 전압 손실을 분석하여 전력 네트워크의 안정성을 확인합니다.

10.  GDSII Generation : 최종 설계를 GDSII 형식으로 출력하여 제조사에게 전달합니다.

Design for Test (DFT) 

 

Design for Test는 반도체 제품의 테스트 가능성을 향상시키기 위한 설계 기법을 포함하며, 주요 활동 10가지는 다음과 같습니다:

1.  Testability Analysis : DFT 과정의 시작은 테스트 가능성을 분석하는 것입니다.

2.  Scan Chain Insertion : 각 플립플롭에 연결하여 전체 회로를 단일 긴 shift register처럼 만드는 과정입니다.

3.  Automatic Test Pattern Generation (ATPG) : 이 과정은 테스트 패턴을 생성하여 디지털 회로의 결함을 탐지하는 데 사용됩니다.

4.  Built-In Self-Test (BIST) : 칩 내부에 테스트 로직을 포함하여 칩 자체가 자신을 테스트할 수 있게 합니다.

5.  Memory BIST (MBIST) : 메모리 블록에 대해 BIST를 적용하는 기법입니다.

6.  Boundary Scan/JTAG : I/O 핀을 직접 테스트하기 위한 기술입니다.

7.  Fault Simulation : 생성된 테스트 패턴이 결함을 탐지할 수 있는지 확인하기 위해 결함 시뮬레이션을 수행합니다.

8.  Fault Grading : 테스트 패턴 세트의 효과를 평가하는 프로세스입니다.

9.  DFT Verification : DFT 기능이 올바르게 구현되었는지 검증합니다.

10.  Test Compression : 테스트 데이터의 양과 테스트 시간을 줄이는 기법을 적용합니다.