맞춤형 IC 칩을 성공적으로 개발하려면 무엇을 만들어야 하는지에 대한 철저한 이해가 필요합니다. 엔지니어링 팀은 제품 개발자와 긴밀히 협력하여 대부분의 IoT 응용 프로그램에서 일반적으로 1와트 이하로 유지되어야 하는 전력 소비 목표와 같은 요소들을 파악합니다. 또한 각 응용 분야에 특화된 열 방출 및 성능 요구 사항의 범위를 설정합니다. 예를 들어, 자동차 시스템의 경우 종종 10나노초 이하의 신호 처리 시간이 요구됩니다. 2023년 ASIC 개발 동향을 최근 분석한 결과 흥미로운 사실이 나타났습니다. 엔지니어들이 초기 단계에서 명확하고 상세한 사양을 확보할 경우, 약 5건 중 4건의 프로젝트가 초기 테스트 단계를 성공적으로 통과합니다. 하지만 이 과정을 생략할 경우, 첫 시도에서 성공할 확률은 극적으로 줄어들어 약 3분의 1 수준으로 하락합니다.
엔지니어링 팀은 RISC-V 또는 ARM과 같은 처리 코어와 메모리 시스템, 그리고 최종 제품의 요구 사항에 맞는 입출력 연결을 조합할 때 종종 모듈식 설계 접근 방식을 적용합니다. 산업 자동화에 사용되는 반도체의 경우 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다. 안전성이 가장 중요하므로 설계자는 ISO 13849 표준을 충족하는 백업 회로를 통합합니다. 실시간 신호 처리 기능 또한 필수 요소입니다. 그리고 이러한 구성 요소들은 극한의 환경에서도 신뢰성 있게 작동해야 하며, 영하 40도에서부터 영상 125도까지 온도 범위에서 오작동 없이 정상적으로 기능해야 합니다.
아키텍처 검증이 완료되면, 엔지니어들은 HDL 코딩을 진행하고 시뮬레이션을 수행하며 Cadence Innovus와 같은 다양한 도구를 사용하여 물리적 레이아웃을 최적화합니다. 초기 단계에서 여러 번의 프로토타입 반복을 통해 전자기 간섭(EMI) 검사와 열 분석을 수행하면 나중에 발생할 수 있는 비용이 많이 드는 리스핀(respin)을 줄일 수 있습니다. 대부분의 파운드리에서는 첫 번째 실리콘 칩을 제작하는 데 약 12~18주가 소요되므로 테이프아웃 이전에 철저한 검증을 수행하는 것이 프로젝트 일정과 예산 관리 측면에서 매우 중요합니다.
2024년 최신 임베디드 시스템 보고서에 따르면, 어댑티브 전압 스케일링과 클록 게이팅을 결합한 기술을 사용하면 IoT 센서 노드의 유휴 전류 소비를 약 70% 이상 줄일 수 있다. 현명한 설계자들은 이제 고주파 연산 컴포넌트와 항상 활성 상태를 유지해야 하는 부분을 분리하기 위해 다중 전원 도메인을 구현하고 있다. 이 접근 방식은 장기적인 작동이 중요한 의료용 웨어러블 기기 및 환경 모니터링 장비와 같은 장치의 배터리 수명을 연장하는 데 큰 도움이 된다. 특히 블루투스 저전력(BLE) 송신기의 경우, PMIC 설계 내에서 동적으로 임계값을 조정함으로써 신호 도달 거리를 충분히 유지하면서도 작동 시간을 약 22% 더 길게 할 수 있다. 업계는 성능을 최적화하면서도 신뢰성을 희생하지 않기 위한 방법을 모색하는 제조업체들 덕분에 이러한 기법들을 점차 채택하고 있다.
패키지와 관련 회로를 함께 설계할 때, 칩 내부의 종단 네트워크와 더불어 성가신 패키지 기생 요소들을 고려할 수 있기 때문에 신호 품질이 실제로 향상됩니다. 임피던스 정합된 입출력 버퍼를 통합한 일부 맞춤형 집적 회로 설계는 전자기 간섭(EMI)을 상당히 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 2023년의 한 산업 벤치마크 결과에 따르면 이러한 특화된 설계는 기성품 대안과 비교했을 때 EMI를 약 41% 감소시켰습니다. 모터 제어 애플리케이션에서 특정 통합 회로 , 열 관리 또한 매우 중요합니다. 적절한 열 설계는 성가신 핫스팟 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다. 그리고 급격한 부하 변화 시에도 전원이 안정적으로 유지되도록 설계 규칙에 따라 정확한 위치에 배치되어야 하는 소형 디커플링 커패시터들 또한 잊어서는 안 됩니다. 용도장치 놓여야 하며, 이는 부하가 갑작스럽게 변할 때에도 전원이 안정되도록 해줍니다.
연구진은 여러 가지 창의적인 설계 선택 덕분에 단 한 번의 충전으로 최대 18개월까지 작동할 수 있는 연속형 혈당 모니터링 시스템을 개발했다. 첫째, 아날로그 프론트 엔드 회로에 서브스레시홀드 동작 기술을 적용하여 전력 소모를 크게 줄였다. 둘째, 데이터 전송 중 무선 주파수 버스트와 동기화되어 작동하는 시간 분할 ADC 샘플링을 사용했다. 셋째, 일반적인 실내 조명 조건에서도 약 15마이크로와트의 전력을 생성할 수 있는 온칩 태양광 에너지 수확 기술을 도입했다. 이로 인해 제작된 40나노미터 맞춤형 통합 회로는 인상적인 성능을 제공하는데, 메가헤르츠당 단지 3.2마이크로암프를 소비하면서도 거의 99.3퍼센트의 측정 정확도를 달성한다. 이는 유사한 기존 장치들에 비해 전력 소모를 약 3분의 2 가량 감소시킨 것이다.
공간이 제한되고 열 관리가 중요한 웨어러블 기기 및 IoT 장치의 경우, 고급 레이아웃 기술이 절대적으로 중요해진다. 많은 엔지니어들이 현재 3DIC 적층과 마이크로비아 기술을 활용하여 전체적인 면적을 축소하면서도 신호를 깨끗하고 강하게 유지하려 한다. 2023년에 발표된 일부 최신 연구에서는 시스템 인 패키지(SiP) 설계 내에서 구리 필러를 전략적으로 배치한 것이 상당한 차이를 만들었다고 보고했다. 그 결과, 표준 레이아웃 대비 핫스팟이 약 34% 감소했다. 기술이 발전함에 따라 부품 배치가 점점 더 조밀해지는 것을 고려하면 매우 인상적인 성과이다.
주요 기술에는 다음이 포함된다:
업계 전망에 따르면, AI 가속기의 대역폭 수요로 인해 2025년까지 새로운 고성능 컴퓨팅 칩 설계의 50%가 멀티다이 아키텍처를 채택할 것으로 예상됩니다. 이와 같은 변화는 소비자 전자제품 분야에도 영향을 미치며, 설계팀은 7mm 이하 두께의 기기 프로파일에서 UCIe 호환 인터커넥트와 열 제한 간의 균형을 맞추어야 합니다.
서드파티 IP와 자사 IP 중 선택은 시장 출시 속도와 성능 차별화 사이의 트레이드오프를 수반합니다. 상용 PCIe 6.0 또는 DDR5 PHY IP는 자동차 컨트롤러 개발을 가속화하는 반면, 맞춤형 신경망 가속기는 엣지 AI 응용 분야에서 종종 2~3배 더 나은 전력 효율을 제공합니다.
2024년 SoC 개발자들을 대상으로 한 설문조사에서 다음과 같은 추세가 나타났습니다.
| 통합 방식 | 평균 개발 기간 | 전력 최적화 유연성 |
|---|---|---|
| 서드파티 IP | 7.2개월 | 38% |
| 자사 IP | 11.5개월 | 81% |
최근 연구에 따르면, 표준화된 UCIe 인터페이스는 칩렛 기반 설계에서 통합 위험을 줄이면서도 성능을 유지한다. 산업용 자동화 SoC의 경우, 상용 모터 제어 IP와 독자적인 보안 모듈을 결합함으로써 2W 이하의 전력 범위 내에서도 ASIL-D 규격 준수를 가능하게 한다.
오늘날의 EDA 툴은 아날로그 반도체 개발 과정에서 시뮬레이션 및 검증 작업 중 지루하고 반복적인 업무의 약 70%를 처리할 수 있어, 맞춤형 IC 개발 속도를 크게 높여줍니다. 이러한 플랫폼을 통해 엔지니어는 전원이 극한 조건으로 밀려졌을 때 성능을 테스트하고 신호 경로를 정밀하게 조정하여 실제 환경에서도 신뢰성 있게 작동하도록 최적화할 수 있습니다. 산업 분석 기관의 최신 '2024년 EDA 툴 보고서'에 따르면, 통합 시스템을 사용하는 기업들은 내장된 설계 규칙 검사 기능과 개선된 열 모델링 기능 덕분에 제조 후 오류가 약 43% 감소한 것으로 나타났습니다. 초기 단계에서 문제를 조기에 발견하면 나중에 시간과 비용을 절약할 수 있기 때문에 이는 매우 타당한 결과입니다.
전체 기능을 갖춘 EDA 시스템은 연간 50만 달러 이상의 비용이 소요될 수 있지만, 이제는 초기 단계의 중소기업에 더 적합한 모듈식 옵션들도 등장하고 있습니다. 토큰 기반 라이선스를 통해 엔지니어링 팀은 칩 배치를 설정하거나 돌연변이 효과(parasitic effects)를 처리하는 중요한 단계에서 실제로 고성능 합성 도구를 사용할 수 있습니다. 작년에 발표된 일부 연구에 따르면, 중간 규모의 기업들이 오픈소스 프로젝트의 무료 검증 소프트웨어와 기존 벤더의 유료 레이아웃 프로그램을 결합했을 때, 투자 수익률 회수 기간이 거의 4분의 1가량 빨라졌습니다. 이러한 하이브리드 접근법은 현재 성장 중인 많은 기술 기업들에게 효과적으로 작동하고 있는 것으로 보입니다.
ASIC 개발 과정에서 리스크를 최소화하기 위한 주요 전략은 다음과 같습니다.
이러한 방법들은 마스크 리비전당 시장 출시를 14~22주 지연시킬 수 있는 리스핀을 방지하는 데 도움을 줍니다.
신규 개발자들은 외부 설계 센터와 프로토타입용 출하 서비스를 활용함으로써 과거 200만 달러가 넘었던 높은 초기 비용을 회피하는 방법을 찾고 있습니다. 이제 ASIC 전문 기업들은 칩 아키텍처 설계부터 최종 GDSII 파일 인도까지 모든 과정을 처리하고 있습니다. 또한 많은 파운드리들이 소규모 참여자들에게 문호를 개방하여 대규모 양산 투자를 먼저 하지 않고도 12nm 및 16nm의 첨단 제조 공정에 접근할 수 있도록 하고 있습니다. 이는 소규모 기업들이 고가의 인프라를 일일이 구축하느라 시간을 낭비하는 대신, 시장에 특화된 독창적인 제품 개발에 집중할 수 있음을 의미합니다.
맞춤형 통합 회로는 현대 스마트 시스템에서 다양한 요구를 해결합니다. 예를 들어 IoT 엣지 장치의 경우, 뉴로모픽 설계를 통해 속도 저하를 최소화하면서도 AI 처리 부담을 약 80%까지 줄일 수 있으며, 응답 시간을 10밀리초 이내로 유지할 수 있습니다. 자동차 산업 또한 큰 진전을 이루었는데, 현재 시스템 온 칩(SoC)은 단일 칩에 15가지 이상의 고급 운전자 보조 기능을 탑재하여, 자율주행 기술 테스트 단계에서 차량이 물체를 약 40% 더 빠르게 감지할 수 있게 되었습니다. 산업 분야도 예외가 아닙니다. 제조업체들이 MEMS 센서를 자체 개발한 칩 내부에 직접 탑재하면, 특히 장비가 지속적으로 진동하는 환경에서 예지 정비의 정확도를 실제로 높일 수 있습니다. 실제 테스트 결과, 이러한 열악한 조건에서도 정확도가 약 3분의 1 정도 향상된 것으로 나타났습니다.
제조업체들은 암호화, 모터 제어 및 무선 프로토콜을 위한 고유 가속기를 통합한 수직적으로 최적화된 SoC를 도입하여 시장 포화에 대응하고 있습니다. 벤치마크 결과에 따르면, AIoT 엔드포인트에서 맞춤형 행렬 곱셈 유닛이 일반 목적 GPU보다 신경망 처리량에서 5배 뛰어납니다.
강화된 FP16 코어와 적응형 전압 조절 기술을 통해 의료 영상 장비는 진단 정밀도를 저하시키지 않고 종양을 30% 더 빠르게 탐지할 수 있습니다. 맞춤형 IC를 사용하는 실시간 산업용 컨트롤러는 안전 관련 긴급 정지 작업에서 2¼초 미만의 응답 시간을 달성하여 주요 임무 수행 애플리케이션의 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.
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