게이트 어레이
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1. 개요
게이트 어레이는 미리 제작된 트랜지스터를 금속층으로 연결하여 논리 게이트를 형성하고, 이를 다시 연결하여 회로를 구성하는 반도체 칩이다. 페란티가 1980년대 초 바이폴라 ULA 기술을 상용화했으며, CMOS 기술의 발달로 널리 사용되었다. 게이트 어레이는 맞춤형 설계보다 제작 기간이 짧고 비용을 절감할 수 있지만, 다른 ASIC 설계 방식에 비해 밀도와 성능이 낮다는 단점이 있다. 1980년대 대한민국에서도 가전제품 및 컴퓨터 산업 발전에 기여했으나, FPGA와 같은 기술의 등장으로 쇠퇴했다.
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| 게이트 어레이 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 집적 회로 |
| 설계 방식 | 주문형 반도체 |
| 기반 기술 | 반도체 소자 |
| 특징 | 사용자 정의 가능 대량 생산에 적합 개발 기간 단축 |
| 역사 | |
| 개발 시기 | 1970년대 초 |
| 초기 형태 | 사용자 정의 불가능 고정된 회로 구조 칩 설계 변경 불가 |
| 발전 단계 | 금속 마스크 맞춤형 기술 레이어 커스터마이징 기술 |
| 기술 | |
| 제조 공정 | 웨이퍼 공정 포토 리소그래피 에칭 도핑 |
| 설계 방식 | 기본 게이트 블록의 배열 금속 배선을 통한 연결 구성 주문형 논리 회로 구현 |
| 회로 구성 | 기본 논리 게이트 NAND, NOR 게이트 등 플립플롭, 래치 등 |
| 응용 분야 | |
| 컴퓨터 시스템 | 주변 장치 제어 인터페이스 회로 |
| 통신 장비 | 모뎀, 라우터 신호 처리 |
| 산업 제어 | 로봇 제어 자동화 장비 |
| 가전 제품 | 텔레비전 세탁기 냉장고 |
| 장단점 | |
| 장점 | 빠른 개발 시간 낮은 초기 투자 비용 주문형 회로 구현 대량 생산에 용이 |
| 단점 | 전력 소모가 높음 설계 유연성이 낮음 성능 최적화 어려움 복잡한 회로 설계에 불리 |
| 비교 | 표준 제품 대비 유연성 높음 전체 주문형 반도체 대비 유연성 낮음 |
| 제조사 | |
| 주요 제조사 | 페란티 모토로라 텍사스 인스트루먼트 LSI 로직 후지쯔 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 프로그래머블 논리 소자 (PLD) 주문형 반도체 (ASIC) 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 표준 제품 (Standard product) |
2. 역사
신클레어 리서치는 ZX80 설계를 개량하여 ULA 칩으로 만들어 ZX81에 사용했고, 이후 ZX 스펙트럼에도 ULA를 채용했다. 러시아에서는 T34VG1[27]로 호환 칩이 제조되었다. 애커런 컴퓨터는 BBC 마이크로에 여러 ULA 칩을 사용했고, 이후 애커런 일렉트론에서 하나의 칩으로 통합했다. 취미용 컴퓨터 전성기에 다른 제조업체들도 ULA를 자주 사용했다. 영국에서 ULA 기술의 선구적인 기업은 페란티였지만, IBM PC가 PC 시장을 석권하면서 판매량이 증가하여 반주문형 칩이 경제적으로 타당하게 되면서 시장을 빼앗겼다.[27]
2. 1. 개발
게이트 어레이는 여러 경쟁적인 개발 경로를 거쳤다. 영국의 페란티(Ferranti)는 바이폴라 ULA 기술의 상용화를 개척하여,[2] 1983년까지 "100~10,000개 이상의 게이트"를 가진 회로를 제공했다.[3][4] 1972년 롤라이(Rollei)의 카메라에 ULA 집적회로를 최초로 적용한 것을 시작으로, 반주문형 칩 분야에서 초기 선두를 달리며 기술 사용자로 "사실상 모든 유럽 카메라 제조업체"로 확장하여 1970년대 내내 이 특정 시장을 지배했다. 그러나 1982년까지 무려 30개의 회사가 페란티와 경쟁하기 시작하여 시장 점유율이 약 30%로 감소했다. 페란티의 "주요 경쟁사"는 마르코니(Marconi)와 플레시(Plessey)와 같은 다른 영국 회사들이었는데, 이들 회사는 모두 또 다른 영국 회사인 마이크로 서킷 엔지니어링(Micro Circuit Engineering)으로부터 기술을 라이선스 받았다.[5] 당시 진행되던 UK5000 프로젝트 또한 영국 통신(British Telecom)과 여러 주요 영국 기술 회사들이 참여하여 "5,000개의 사용 가능한 게이트"를 갖춘 CMOS 게이트 어레이를 생산하고자 했다.[6]IBM은 1970년대 후반과 1980년대 초에 메인프레임 제조에 사용한 독점적인 바이폴라 마스터 슬라이스를 개발했지만, 외부에는 상용화하지 않았다. 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductor)도 1960년대 후반에 마이크로모자이크(Micromosaic)와 폴리셀(Polycell)이라는 바이폴라 어레이 다이오드-트랜지스터 논리와 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL)를 잠시 시도했다.[7]
CMOS(상보형 금속-산화물-반도체) 기술은 게이트 어레이의 광범위한 상용화의 길을 열었다. 최초의 CMOS 게이트 어레이는 로버트 리프(Robert Lipp)[8][9]가 1974년에 전 IBM 직원인 프랭크 드버스(Frank Deverse), 짐 터틀(Jim Tuttle), 찰리 앨런(Charlie Allen)이 설립한 서니베일의 포토마스크 업체인 인터내셔널 마이크로서킷(International Microcircuits, Inc.)(IMI)에서 개발했다.[7]
2. 2. 혁신
초기 게이트 어레이는 당시 사용되던 최첨단 n-MOS 기술에 비해 성능이 낮고 크기가 크며 비쌌다. CMOS 기술은 시계 칩과 배터리로 작동하는 휴대용 계측기와 같은 초저전력 애플리케이션에 의해 주도되었지, 성능에 의해 주도되지는 않았다. 1980년대 초, 게이트 어레이는 틈새 시장에서 일반 시장으로 진출하기 시작했다. 1981년, 윌프리드 코리건, 빌 오미어라, 롭 워커, 미첼 "믹" 본은 LSI 로직을 설립했다.[12]신클레어 리서치는 향상된 ZX80 설계를 ZX81용 ULA 칩으로 이식했고, 나중에는 ZX 스펙트럼에서 ULA를 사용했다. 러시아에서는 T34VG1[13]로 호환되는 칩이 제작되었다. 애콘 컴퓨터는 BBC 마이크로에서 여러 ULA 칩을 사용했고, 나중에는 애콘 일렉트론에서 단일 ULA를 사용했다. 홈 컴퓨터 붐 시대의 다른 많은 제조업체들이 자사 기계에 ULA를 사용했다. IBM PC는 개인용 컴퓨터 시장의 상당 부분을 차지했고, 판매량이 많아짐에 따라 맞춤형 칩이 더욱 경제적으로 생산될 수 있었다.
2. 3. 대안
간접적인 경쟁은 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)의 개발과 함께 시작되었다. 자일링스(Xilinx)는 1984년에 설립되었으며, 초기 제품은 초기 게이트 어레이와 마찬가지로 속도가 느리고 비용이 많이 들었으며 일부 틈새 시장에만 적합했다. 그러나 무어의 법칙에 따라 빠르게 성장하여 1990년대 초에는 게이트 어레이 시장을 심각하게 위협했다.설계자들은 여전히 완전 맞춤형 설계의 비용 없이 자신만의 복잡한 칩을 만들 수 있는 방법을 원했고, 결국 FPGA뿐만 아니라 복합 프로그래머블 논리 디바이스(CPLD), 금속 구성 표준 셀(MCSC) 및 구조적 ASIC의 등장으로 그 바람이 이루어졌다.
2. 4. 쇠퇴
1980년대 반도체 산업은 경기침체를 겪으며 호황과 불황이 반복되는 사이클을 형성했다. 1980년과 1981년~1982년의 전반적인 경기침체 이후 고금리가 발생하여 자본 지출을 억제했고, 당시 자본 지출에 크게 의존했던 반도체 사업은 큰 타격을 입었다. 빠르게 변화하는 업계에서 끊임없는 현대화를 감당하고 팹 공장을 가동하기 위해 필사적인 제조업체들은 과도한 경쟁에 돌입했다. 시장에 새롭게 진출한 많은 업체들로 인해 게이트 어레이 가격은 실리콘 제조업체의 한계 비용 수준까지 하락했다. LSI Logic과 CDI와 같은 팹리스(Fabless) 회사들은 생산 수익이 아닌 설계 서비스와 컴퓨터 시간 판매를 통해 생존했다.[8]21세기 초, 게이트 어레이 시장은 과거의 잔재에 불과했으며, 비용 또는 성능상의 이유로 FPGA로 전환되는 추세였다. IMI는 게이트 어레이 사업에서 혼성 신호 회로로 사업 방향을 전환했고, 2001년 Cypress Semiconductor에 인수되었다. CDI는 1989년 문을 닫았고, LSI Logic은 표준 제품을 선호하여 게이트 어레이 시장에서 철수했으며, 결국 Broadcom에 인수되었다.[21]
3. 특징
게이트 어레이는 대부분의 트랜지스터가 미리 정해진 기능을 갖지 않은 채 미리 제작된 실리콘 칩이다. 이러한 트랜지스터는 금속층으로 연결되어 표준 NAND 또는 NOR 논리 게이트를 형성하며, 이 논리 게이트들은 동일하거나 후속 금속층에서 완전한 회로로 상호 연결될 수 있다. 특정 기능을 가진 회로를 만드는 것은 제조 공정 후반에 칩에 이러한 최종 금속 상호 연결층을 추가함으로써 이루어지며, 칩의 기능을 원하는 대로 사용자 지정할 수 있다. 이러한 층은 인쇄 회로 기판의 구리층과 유사하다.
초기 게이트 어레이는 일반적으로 고성능 트랜지스터-트랜지스터 논리, 에미터 결합 논리, 또는 전류 모드 논리 논리 구성으로 된 바이폴라 트랜지스터로 구성되었다. 이후 CMOS(상보형 금속-산화물-반도체) 게이트 어레이가 개발되어 업계를 장악하게 되었다.
게이트 어레이 방식은 사용자 지정 마스크를 적게 생성해도 되므로 비반복적 엔지니어링 마스크 비용을 줄인다. 또한 제조 테스트 도구 리드 타임과 비용이 줄어들며, 동일한 다이 크기로 제조된 모든 게이트 어레이 제품에 동일한 테스트 고정구를 사용할 수 있다. 게이트 어레이는 더 복잡한 구조화 ASIC의 전신이었으며, 구조화 ASIC는 일반적으로 미리 정의되거나 구성 가능한 메모리 및/또는 아날로그 블록을 포함한다.
게이트 어레이의 주요 단점은 다른 ASIC 설계 방식에 비해 밀도와 성능이 다소 낮다는 것이다. 그러나 이 방식은 생산 수량이 적을 경우 가장 현실적인 방법인 경우가 많다.[26]
3. 1. 제조 공정
게이트 어레이 제조에서는 주문과 관계없이, 미리 대량으로 '마스터 슬라이스'라고 불리는 논리 게이트 등의 소자를 만들어 넣은 반제품 상태의 웨이퍼를 제조하여 재고로 보유한다. 고객의 주문에 따라 배선이 결정되면, 마스터 슬라이스의 상층에 금속 배선층을 추가로 구축하여 반도체 제품을 완성한다.3. 2. 게이트와 배선
어떤 응용 회로를 게이트 어레이에 배치하려면 논리 게이트 수, 배선 공간, 입출력(IO) 등이 충분해야 한다. 게이트 어레이는 다양한 종류를 갖춘 제품군으로 제공되며, 논리 게이트 수가 많은 것은 다이 크기가 커지고 가격이 비싸진다.[26] 필요한 논리 게이트 수와 입출력(IO) 수는 쉽게 계산할 수 있지만, 게이트 수가 같더라도 배선의 복잡성은 회로에 따라 크게 다르다. 예를 들어, 크로스바 스위치는 같은 게이트 수의 시스톨릭 어레이에 비해 훨씬 많은 배선을 필요로 한다. 사용하지 않는 배선 트랙은 아무런 역할도 하지 않지만 비용을 증가시키고 성능을 저하시킨다.[26] 따라서 게이트 어레이 제조업체는 논리 게이트 수와 입출력(IO) 수에 꼭 맞는 배선 트랙을 제공하려고 노력하며, 이러한 예측에는 렌트의 법칙을 사용하거나 기존 설계의 경험을 활용한다.[26]4. 장점
고객은 주문 후 표준 셀 방식이나 풀 커스텀 방식보다 빠르게 완성품을 받을 수 있다. 게이트 어레이 방식에서는 마스터 슬라이스의 포토마스크가 공통으로 사용되기 때문에 고객 제품별로 필요한 마스크 수가 적어지고, 마스크 설계 및 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 같은 다이 크기로 제조된 게이트 어레이 제품에서는 테스트 툴도 상당히 공통화할 수 있으므로, 테스트 준비 기간과 비용을 절감할 수 있다.[26]
5. 단점
게이트 어레이는 다른 ASIC 설계 방식에 비해 구현 밀도와 성능이 낮다. 그러나 생산 수량이 적을 경우 가장 현실적인 방법인 경우가 많다. 다이 크기나 공정 기술, 로직 기술도 미리 준비된 것 중에서 선택하기만 하면 된다.[26]
6. 유사 부품
FPGA, CPLD, 구조적 ASIC은 맞춤형 설계 방식보다 저렴하게 복잡한 칩을 제조하려는 요구에 부응하는 기술들이다. ULA(게이트 어레이)는 배선을 위해 반도체 공장 설비가 필요하지만, FPGA는 배선이 프로그래밍 가능하다.[1]
참조
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[3]
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[4]
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Т34ВГ1
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