반도체 IP 코어

3. IP 코어의 종류

칩 설계에서 IP 코어는 미리 설계되고 검증된 재사용 가능한 회로 블록을 의미한다. 이는 마치 컴퓨터 프로그래밍에서 라이브러리를 사용하거나 인쇄 회로 기판 설계에서 개별 집적 회로 부품을 사용하는 것과 유사하다. IP 코어는 정의된 인터페이스와 동작을 가지며, 더 큰 시스템 설계에 통합될 수 있는 구성 요소이다.

IP 코어는 크게 소프트 코어(soft core)와 하드 코어(hard core) 두 가지 형태로 나눌 수 있다.

• 소프트 코어: 논리 합성이 가능한 RTL(Register-Transfer Level) 형태나 일반적인 게이트 레벨 넷리스트 형태로 제공된다. 이는 하드웨어 기술 언어(Verilog 또는 VHDL)로 작성된 코드나 논리 게이트의 연결 정보로 표현되며, 설계자가 내용을 확인하거나 일부 수정할 수 있는 유연성을 가진다. 소프트 코어는 특정 반도체 공정 기술에 덜 의존적이며, '소프트 매크로'라고도 불린다.

• 하드 코어: 특정 반도체 공정 기술에 맞춰 최적화된 물리적 레이아웃 형태로 제공된다. 설계자가 기능을 수정하기는 어렵지만, 성능이나 칩 면적을 예측하기 쉽고 일반적으로 더 나은 성능을 제공한다. 특히 아날로그 회로나 혼성 신호 회로(예: SerDes, PLL, DAC, ADC)는 주로 하드 코어로 배포된다. 하드 코어는 '하드 매크로'라고도 불린다.

3. 1. 소프트 코어 (Soft Core)

• RTL (Register-Transfer Level) 형태:
• 하드웨어 기술 언어(HDL)인 Verilog나 VHDL로 작성된 코드로 제공된다. 이는 컴퓨터 프로그래밍 분야의 C 언어와 같은 고급 프로그래밍 언어와 유사한 역할을 한다.
• 사용자는 이 RTL 코드를 특정 반도체 공정 기술에 맞춰 논리 합성하여 사용할 수 있으므로, 특정 공정에 종속되지 않는다는 장점이 있다. 즉, 반도체 공정 기술에 독립적이다.
• 설계자는 RTL 수준에서 코드를 수정하여 기능을 변경하거나 최적화할 수 있다. 다만, 많은 IP 공급업체는 사용자가 임의로 수정한 설계에 대해서는 보증이나 기술 지원을 제공하지 않을 수 있다.
• 회로의 상세한 구성(RTL 코드)을 파악할 수 있어 문제가 발생했을 때 원인 분석이 비교적 용이하다.

• 게이트 레벨 넷리스트 (Gate-Level Netlist) 형태:
• IP 코어의 논리적 기능을 일반적인 논리 게이트나 특정 공정의 표준 셀 라이브러리를 사용하여 구현한 후, 그 연결 정보를 나타내는 넷리스트 형태로 제공된다. 이는 컴퓨터 프로그래밍 분야의 어셈블리 코드 목록과 유사하다고 볼 수 있다.
• IP 제공 업체가 내부 설계 구조(RTL 코드)를 공개하고 싶지 않을 때, 일종의 블랙박스 형태로 제공하기 위해 사용되는 경우가 많다. 이는 IP 코어 공급자에게 리버스 엔지니어링에 대한 어느 정도의 보호를 제공한다.
• 넷리스트 형태로 제공된 코어는 일반적으로 사용자가 내부 로직을 변경하기 어렵다.

3. 2. 하드 코어 (Hard Core)

4. IP 코어의 장단점

칩 설계에서 IP 코어를 활용하는 것은 개발 기간 단축과 같은 여러 이점을 제공하지만, 동시에 품질, 호환성, 비용 등 고려해야 할 단점들도 존재한다. 따라서 IP 코어 도입 시에는 프로젝트의 특성과 요구사항에 맞춰 장단점을 신중하게 검토하는 것이 중요하다.

4. 1. 장점

• 개발 기간 단축: 모든 구성 요소를 처음부터 새로 설계하는 대신, 이미 개발되고 검증된 IP 코어를 활용함으로써 전체 칩 설계에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다.
• 검증된 설계 활용: IP 코어는 일반적으로 제작자에 의해 충분한 검증 과정을 거친 상태로 제공된다. 이렇게 검증된 구성 요소를 사용함으로써 설계 과정에서 발생할 수 있는 오류의 위험을 줄이고 최종 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
• 재사용성: 한 번 개발되거나 구매한 IP 코어는 여러 다른 칩 설계 프로젝트에 반복적으로 적용될 수 있어 개발 효율성을 높인다.
• 공정 기술 독립성 (소프트 매크로의 경우): RTL(Register-Transfer Level) 형태로 제공되는 소프트 매크로 IP 코어는 특정 반도체 제조 공정 기술에 얽매이지 않고 다양한 공정에서 유연하게 활용될 수 있다는 장점이 있다.

4. 2. 단점

• '''품질 및 신뢰성 문제''': IP 코어 제공 업체에 따라 상세한 설계 사양이나 검증 결과가 충분히 제공되지 않을 수 있다. 따라서 IP 코어를 도입하기 전에는 해당 코어의 상세 사양과 검증 수준을 면밀히 확인해야 한다.
• '''연결 문제''': 기존 회로 설계에 IP 코어를 통합할 때, 각 구성 요소의 사양을 정확히 파악하지 못하면 연결 부분에서 호환성 문제가 발생하기 쉽다.
• '''공정 의존성 (하드 코어의 경우)''': RTL 형태가 아닌 레이아웃 형태로 제공되는 하드 매크로 IP 코어는 특정 반도체 공정 기술에 맞춰 설계되었기 때문에, 해당 공정 외에서는 사용할 수 없는 제약이 있다. 이는 소프트 매크로 IP 코어가 공정 기술에 비교적 덜 의존적인 것과 대비된다.
• '''높은 라이선스 비용''': IP 코어를 사용하려면 라이선스 계약을 통해 비용을 지불해야 한다. 계약 방식은 초기 도입 시 일시불 계약금을 내는 경우, 양산되는 제품 개수당 로열티를 지불하는 경우, 또는 이 두 가지를 모두 요구하는 경우 등 다양하다. 문제 발생 시 기술 지원 등을 포함한 총비용을 고려하면 자체 개발보다 오히려 더 많은 비용이 들 수도 있으므로, 상용 IP 코어 도입 시에는 비용 효율성을 신중하게 검토해야 한다.

5. IP 코어의 활용 분야

칩 설계 과정에서 IP 코어를 사용하는 것은 컴퓨터 프로그래밍에서 라이브러리를 사용하거나, 인쇄 회로 기판 설계에서 개별 집적 회로 부품을 활용하는 것과 유사하다. IP 코어는 미리 정의된 인터페이스와 동작 방식을 가지며, 제작자에 의해 검증된 재사용 가능한 디지털 논리 설계 블록이다. 이렇게 검증된 IP 코어는 더 크고 복잡한 시스템 설계에 효율적으로 통합되어 활용될 수 있다.

5. 1. 디지털 회로 IP 코어

• CPU (소프트 프로세서, 하드 프로세서), DSP
• CPU 주변 회로 (타이머, DMA, 인터럽트 제어 등)
• 메모리 (플래시 메모리, SRAM, DRAM 등)
• * 기본적으로 반도체 공정 기술에 의존한다.
• * 풀 스크래치의 풀 커스텀 ASIC에서만 이용 가능하다.
• 통신 인터페이스 (UART, SPI, I²C, USB, 이더넷, ATM, JTAG 등)
• 버스 인터페이스 (PCI, PCI Express, AHB, 하드 디스크 드라이브 인터페이스, 각종 메모리 카드 인터페이스 등)
• 기본 산술 연산 (부동소수점, FFT 등)
• 암호화/복호화 (AES, DES, RSA 암호, RC5, SHA-1, MD5, TLS/SSL 등)
• 동영상·이미지 처리 (정지 화상 코덱 (JPEG 등), 동영상 코덱 (MPEG), 이미지 인식 등)
• 음성 처리 (음성 코덱 (MP3, AAC, μ-law, A-law), 음성 합성 등)

5. 2. 아날로그 회로 IP 코어

• AD 변환회로 및 DA 변환회로
• 연산 증폭기
• PLL, 클럭 및 타이밍 관련 회로
• 전원 관리 회로
• 모터 드라이버와 같은 대전력 드라이버
• 각종 센서
• * 가속도 센서
• * 압력 센서
• * 광/이미지 센서
• * 온도 센서
• * 자기 센서
• * 전류/전압 센서

6. 주요 용도

• ASIC (주문형 반도체) 설계
• FPGA나 CPLD 등 프로그래머블 로직 디바이스 설계

7. IP 코어 벤더

1990년대 들어 반도체 칩 설계에서 IP 코어의 라이선스와 이용이 일반화되었다.^[1] IP 코어를 개발하고 라이선스를 제공하는 주체는 개인 개발자부터 수십억 달러 규모의 대기업에 이르기까지 다양하며, 파운드리 업체들과 함께 시장에서 경쟁하고 있다.

2013년 기준으로 시장 점유율이 높은 주요 IP 코어 벤더는 다음과 같다.^[10][2]

이러한 기업들은 종종 '실리콘 지적 재산'(SIP, Silicon IP) 비즈니스 모델을 따른다. 이는 반도체 회사가 물리적인 칩을 직접 제조하여 판매하는 대신, 특정 기능 블록(예: 마이크로프로세서)에 대한 지식 재산권을 고객에게 라이선스하는 방식이다. 이 모델을 따르는 회사는 물리적 칩 대신 특정 기능 블록을 제공하여 고객의 칩 개발을 돕는 팹리스 반도체 회사의 한 형태이다. 주요 고객은 자체적으로 반도체를 개발하는 회사나 모듈 개발자이다. 고객은 SIP를 활용하여 이미 검증된 기능 블록을 사용함으로써 칩 개발에 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

실리콘 IP 산업은 꾸준한 성장세를 보여왔다. 특히 ARM 홀딩스와 시놉시스는 '스타 IP'라고 불릴 정도로 이 분야에서 큰 성공을 거두었다. 시장 조사 기관인 가트너는 2005년 실리콘 IP 관련 총 판매액을 15억달러로 추산했으며, 당시 연간 약 30%의 높은 성장률을 보일 것으로 예상했다.^[3]

참조

_[1] 웹사이트 The Future of Semiconductor Intellectual Property Architectural Blocks in Europe https://publications[...] 2023-08-02
_[2] 뉴스 Cadence breaks into top four in semi IP core ranking https://web.archive.[...] Peter Clark 2014-04-23
_[3] 서적 Intellectual Property for Integrated Circuits J. Ross Publishing 2010
_[4] 웹사이트 IP hardening by eetTaiwan http://www.eettaiwan[...]
_[5] 웹사이트 More about IP hardening https://web.archive.[...]
_[6] 웹사이트 Licensing :: OpenCores https://opencores.or[...] 2019-11-14
_[7] 웹사이트 RISC-V Cores and SoC Overview https://web.archive.[...] RISC-V Foundation 2019-10-08
_[8] 웹사이트 The relevance of open source intellectual property cores for the IoT development https://www2.deloitt[...] Deloitte 2019-10-08
_[9] 웹사이트 Home :: OpenCores http://opencores.org[...] 2012-04-02
_[10] 뉴스 Cadence breaks into top four in semi IP core ranking https://web.archive.[...] Peter Clark 2014-04-23