첨단 칩 설계는 수십 년간 반도체 업계에서 전자 설계 자동화(EDA) 도구를 사용하여 수행되어 왔습니다. 이를 통해 반도체 설계 팀은 회로 레이아웃을 그래픽으로 계획하고, 시뮬레이션을 실행하며, 칩이 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있습니다. 오늘날 이러한 소프트웨어 도구는 비용이 많이 드는 온프레미스 솔루션에서 서비스형 소프트웨어 플랫폼으로 이동하고 있습니다. 이어서 업계에서 EDA 소프트웨어 도구의 역사, EDA가 하는 역할, 그리고 클라우드 기반 EDA가 차세대 마이크로칩 설계에 어떻게 기여할지 살펴보겠습니다.
- 집적회로 설계 공정에 전자 시스템이 필요한 이유
- 집적회로 설계에 사용되는 EDA 소프트웨어의 역사
- 첨단 칩 설계에 사용되는 EDA 도구 유형
- 클라우드의 디지털 시스템 설계 이점
- 차세대 마이크로칩을 위한 EDA
집적회로 설계 공정에 전자 시스템이 필요한 이유
반도체 제조 공정은 매우 복잡하고 시간과 비용이 많이 드는 과정입니다. 설계에 오류가 있다면 제조 단계로 넘어가기 전에 설계 과정 자체에서 반드시 수정해야 합니다. 아주 작은 설계 오류나 제조 결함조차 완성된 반도체 부품, 집적회로, 인쇄 회로 기판을 무용지물로 만들 수 있기 때문입니다.
여기에 복잡성을 한층 더하는 것은, 스마트카부터 음성 비서에 이르기까지 오늘날 사용되는 최신 전자 회로와 인쇄 회로 기판에는 수십억 개의 회로 구성 요소가 들어 있다는 사실입니다. 이 미세한 구성 요소들은 서로 상호작용하며, 의도한 대로 작동하는지 확인하려면 그 동작을 반드시 평가해야 합니다. 따라서 집적회로는 먼저 컴퓨터상에서 설계되어, 자원을 낭비하지 않고 안전하게 설계를 테스트할 수 있습니다.
반도체 기업들은 1970년대부터 집적회로의 설계, 시뮬레이션, 검증을 위해 컴퓨터 지원 설계 도구를 사용해 왔습니다. 이러한 소프트웨어 도구를 ‘전자 설계 자동화(Electronic Design Automation, EDA)’ 도구라고 부릅니다.
집적회로 설계에 사용되는 EDA 소프트웨어의 역사
회로 설계에 사용된 초기 CAD 시스템
반도체 설계는 처음에는 수작업으로, 기계적인 수단을 통해 수행되었습니다. 1960~70년대에 이르러서야 건축, 지도 제작, 기계, 그리고 물론 반도체 설계 분야에서 컴퓨터 지원 설계 또는 컴퓨터 지원 제조(CAD/CAM) 시스템이 처음 사용되기 시작했습니다. 이는 대형 메인프레임 컴퓨터가 있어야 구동할 수 있는 도구였습니다. Calma라는 회사는 집적회로(IC) 설계를 위한 그래픽 설계 시스템(GDS) 포맷을 도입했습니다. 이 회사의 GDS II 포맷은 이후 수십 년간 반도체 업계에서 IC 레이아웃을 설계하는 데 사용되었습니다. 이것이 가장 초창기의 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어 도구였습니다.
1980년대 초, 응용 특정 집적회로(ASIC) 산업이 도약했습니다. 그전까지는 대형 주문자상표부착생산(OEM) 업체만 이용할 수 있었던 맞춤형 집적회로가 이제는 소규모 설계업체도 감당할 수 있는 가격이 되었습니다. 이는 반도체 제조업체들이 빠르게 도입한 초고밀도 집적(VLSI) 기술의 발전으로 가능해졌습니다.
Intel과 같은 기업들은 반도체 칩 설계를 위한 자체 전자 설계 자동화 도구를 사내에서 자체 개발해 사용했지만, 로직 시뮬레이션 기반 설계 검증 도구에 대한 접근이 널리 확산되면서 상업용 EDA 산업이 탄생했습니다. Valid Logic, Daisy Systems, Mentor Graphics와 같은 초기 선구자들이 전자 시스템을 개발했습니다. 이 시기의 반도체 설계는 컴퓨터 지원 엔지니어링, 즉 CAE라고 불렸습니다.
‘전자 설계 자동화’라는 용어는 설계 도구가 성숙해진 1980년대 후반에 처음 사용되었습니다. 칩 설계를 직접 시뮬레이션할 수 있는 시뮬레이션 도구와 함께 Verilog라는 하드웨어 기술 언어가 도입되었습니다. 이제 설계 팀이 로직 게이트 시뮬레이션을 통해 회로 동작을 이해할 수 있게 되면서 로직 합성이 가능해졌습니다. 당시 Synopsys, Mentor, Cadence와 같은 기업들이 전자 설계 자동화 도구 분야를 선도했습니다.
1980년대의 EDA 시스템
첨단 칩 설계에 사용되는 EDA 도구 유형
반도체 기업이 집적회로 설계 과정에서 사용하는 전자 설계 자동화(EDA) 도구는 주로 세 가지 유형으로 나뉩니다. 바로 설계, 검증, 시뮬레이션 도구입니다.
시뮬레이션 도구
이러한 EDA 도구는 Verilog나 VHDL과 같은 하드웨어 기술 언어를 사용해 집적회로를 기술합니다. 그런 다음 시뮬레이션 도구는 각 구성 요소와 회로 동작을 모델링하여 다양한 입력 조건에서 어떻게 반응하는지 확인합니다. 대량의 입력 데이터를 테스트해야 할 때는 하드웨어 기반 에뮬레이션이나 고속 프로토타이핑 기법이 사용됩니다. 이는 영상 처리 애플리케이션에서 특히 필요합니다.
설계 도구
컴퓨터 지원 설계 소프트웨어는 제안되거나 요구되는 기능을 수행하는 회로 구성 요소를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 이는 논리적인 방식으로, 즉 설계자가 필요로 하는 기능을 구현하기 위해 로직 합성을 통해 회로 구성 요소를 선택하고 연결하는 방식으로 수행될 수 있습니다. 또는 구성 요소를 배치하고 라우팅하는 물리적 공정을 통해서도 수행될 수 있습니다.
검증 도구
이러한 전자 시스템은 집적회로의 논리적 또는 물리적 표현을 검토하여 연결이 올바른지, 그리고 원하는 성능을 낼 수 있는지 확인하는 역할을 합니다. 물리적 검증은 상호 연결된 형상이 제조 요구 사항과 일치하는지 확인하는 작업을 포함하며, 이 절차는 최대 1만 개의 규칙을 검증해야 하는 경우도 있습니다.
레이아웃 대 스키매틱(LVS) 검증은 집적회로의 원래 설계 기술을 실제 구현 결과와 비교하는 검증 방법입니다. 시뮬레이션 EDA 소프트웨어는 회로의 예상 동작과 실제 동작을 비교하는 기능적 검증에 사용될 수 있습니다. 다만 시뮬레이션은 전자 시스템에 제공 가능한 입력 자극에 의해 제한을 받습니다. 회로 동작은 입력 자극 없이도 알고리즘을 사용해 검증할 수 있는데, 이러한 접근 방식은 ‘형식 검증(formal verification)‘이라는 개념에 속합니다.
설계 과정은 EDA 소프트웨어가 담당하지만, 팹(fabrication plant) 생산 라인의 모니터링과 제어를 통한 실제 반도체 부품 제조는 ‘제조 실행 시스템(Manufacturing Execution System)’ 또는 MES라는 소프트웨어가 담당합니다.
클라우드의 디지털 시스템 설계 이점
전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어 도구는 이제 서비스형 소프트웨어(SaaS) 플랫폼을 통해 제공되고 있습니다. 과거 EDA 소프트웨어는 업계에 이미 자리 잡은 시장 선도 기업들만 이용할 수 있었습니다. 하지만 이제는 클라우드에서 이용할 수 있게 되면서, 반도체 업계의 소규모 기업들도 이러한 새로운 설계 방식을 빠르게 도입하며 컴퓨터 지원 설계에 더 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 클라우드 기반 전자 설계 자동화 소프트웨어는 사용자에게 다양한 이점을 제공합니다.
클라우드에서 더 저렴해진 전자 설계 자동화
Cadence CloudBurst는 2019년에 출시된 SaaS 플랫폼으로, 중소기업(SMB)의 설계 과정을 크게 지원해 왔습니다. 이를 통해 기업들은 사내에 EDA 소프트웨어를 투자하지 않고도, 또는 기존 EDA의 처리 용량이 부족한 성수기에도 단기 프로젝트의 전자 설계 작업을 수행할 수 있습니다.
클라우드 기반 EDA 소프트웨어가 등장하기 전에는 중소기업이 설계를 완성하는 데 필요한 컴퓨팅 하드웨어 인프라를 감당하기 어려웠습니다. 이제는 서버 인프라를 걱정하지 않고도 매우 복잡하고 컴퓨팅 자원이 많이 필요한 설계 작업을 수행할 수 있습니다. 어느 회사의 반도체 칩 설계자든 노트북 하나로 클라우드의 EDA에 접속해 시뮬레이션을 실행하고 설계 검증을 받을 수 있게 되었습니다.
또한 서버 하드웨어를 자체 보유하는 데 드는 유지관리 및 운영 비용도 중소기업은 물론 대형 반도체 기업에게도 크게 줄어들었습니다.
클라우드에서 더 확장 가능한 전자 설계 자동화
2022년까지 Cadence는 대형 반도체 기업들조차 EDA 소프트웨어 작업을 클라우드로 옮기고 있다는 것을 확인했습니다. 그 이유는 새롭고 정교한 칩의 설계 과정이 매우 복잡해졌기 때문입니다. 이는 기존 EDA 인프라의 한계를 넘어서며 설계 과정에 병목을 초래하고 있었습니다.
EDA 소프트웨어 실행을 위해 특별히 추가 네트워크, 서버, 스토리지 용량을 계획한 경우에도, 최근 몇 년간 폭증한 마이크로칩 수요를 따라가기는 쉽지 않았습니다. 용량을 늘리기 위해 특수 목적 하드웨어를 추가하려면 서버 사양 검토, 구매, 설치, 프로비저닝이라는 오랜 과정을 거쳐야 했고, 이는 보통 몇 달이 걸리는 일이었습니다.
클라우드 기반 EDA 소프트웨어를 활용하면 대형 반도체 기업들은 하이브리드 모델을 선택할 수 있습니다. 기존의 사내 서버 하드웨어를 플랫폼에 연결해 계속 사용하면서, 성수기나 필요할 때마다 추가 용량을 더할 수 있는 것입니다.
더 짧아진 시장 출시 시간
전자 설계 자동화 소프트웨어가 클라우드에서 실행되면서, 설계자가 온프레미스 하드웨어에서 기대할 수 있는 성능보다 훨씬 크게 향상된 성능을 얻을 수 있게 되었습니다. 이는 복잡한 시뮬레이션과 칩 검증에 소요되는 시간을 줄여줍니다. 그 결과 생산성 향상, 비용 절감, 시장 출시 시간 단축이라는 성과로 이어집니다. 기업에 따라서는 이를 통해 수백만 달러를 절감할 수도 있습니다.
전자 설계 자동화로 더 쉬워진 협업
전자 설계 자동화 도구는 과거에는 회사 사내에 위치한 서버 하드웨어에 설치된 라이선스 기업용 소프트웨어였습니다. 설계 팀은 EDA에 접속하려면 고정된 워크스테이션 앞에 직접 있어야 했습니다. 코로나19 팬데믹으로 직원들이 재택근무를 하게 되면서, 대부분의 반도체 기업에게 이러한 방식은 더 이상 현실적이지 않게 되었습니다.
클라우드 기반 EDA 소프트웨어는 분산된 설계 팀이 원하는 곳 어디서든 필요한 도구에 접속할 수 있게 해줍니다. 노트북과 인터넷 연결만 있으면 플랫폼에 접속할 수 있습니다. 새로 채용된 직원에게도 1~2주 안에 반도체 설계 환경을 손쉽게 구축하고 EDA 도구에 대한 접근 권한을 부여할 수 있습니다.
차세대 마이크로칩을 위한 EDA
Cadence, Siemens EDA(구 Mentor Graphics)와 같은 업계 선구 기업들은 이제 차세대 전자 설계 자동화 도구를 개발하고 있습니다. 이들은 고급 인공지능과 빅데이터 처리 기술을 활용해 클라우드 기반 최신 EDA 서비스의 성능을 개선하고 있습니다. 이러한 발전을 통해 설계 중인 칩의 검증과 디버깅이 더 빠르고 덜 소모적으로 이루어질 것입니다.
전자 설계 자동화는 반도체 설계에 있어 절대적으로 필수적인 요소이며, 자율주행차부터 스마트시티까지 모든 것을 구동할 차세대 마이크로칩을 만들고자 하는 기업이라면 경쟁에서 살아남기 위해 이를 활용해야 합니다. 반도체 설계, 제조, 업계 소식에 대해 더 알고 싶다면 Inquivix Technologies를 확인해 보세요!
자주 묻는 질문
전자 설계 자동화(EDA)란 무엇인가요?
전자 설계 자동화(EDA)는 반도체 설계자가 집적회로의 레이아웃을 계획하고, 시뮬레이션을 실행하며, 제조 공장에 보내기 전에 설계가 의도한 대로 작동하는지 확인하는 데 도움이 되는 소프트웨어 도구 및 클라우드 서비스입니다.
EDA와 CAD는 같은 것인가요?
컴퓨터 지원 설계(CAD) 도구는 1970년대 반도체 업계에서 사용되었습니다. 그 후 1980년대 후반에 인쇄 회로 기판과 집적회로를 위한 EDA라는 전용 설계 도구가 발명되었습니다. EDA는 CAD 도구의 후속 기술이며, 때로는 ECAD(Electronic Computer-Aided Design)라고도 불립니다.