배치 및 배선
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1. 개요
배치 및 배선은 인쇄 회로 기판(PCB), 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 집적 회로(IC) 등의 전자 부품 설계 과정에서 회로 부품을 배치하고 연결하는 과정을 의미한다. PCB의 경우 회로도 및 넷리스트를 기반으로 부품 배치 및 배선이 이루어지며, FPGA는 복잡한 내부 구조로 인해 자동화된 배치 및 배선 도구를 사용한다. IC의 경우 회로도, HDL 파일 등을 기반으로 레이아웃을 생성한다. 초기에는 수작업으로 이루어졌으나, 전자 설계 자동화(EDA) 기술의 발달로 자동화된 배치 및 배선이 가능해졌다.
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2. 인쇄 회로 기판 (PCB)
인쇄 회로 기판(PCB)의 배치 및 배선은 회로도나 넷리스트를 생성한 후 진행한다. 생성된 넷리스트는 레이아웃 도구에서 읽어 부품 드로잉으로 나타내며, 부품 배치와 배선 연결 두 단계로 완료된다.[4]
최종 설계는 RS-274X 거버 형식으로 출력되어 제조업체의 컴퓨터 지원 제조(CAM) 시스템에 로드된다. PCB 제조에는 거버 파일, 드릴 파일, 픽앤플레이스 파일 등 여러 파일 및 형식이 필요하다. 이는 IC 레이아웃과 달리 하나의 그래픽 파일에 저장되지 않는다.[1]
2. 1. 부품 배치
회로도나 넷리스트를 생성한 후, 인쇄 회로 기판(PCB)의 배치 및 배선을 실시한다. 생성된 넷리스트는 레이아웃 도구에서 읽어들여 부품 드로잉으로 나타낸다.[4] 부품 배치는 배선 단계에서 이동 및 회전을 통해 변경될 수 있으므로 절대적이지 않다. 특히 FPGA나 마이크로컨트롤러같은 복잡한 부품을 사용할 때 배치에 주의해야 한다. 많은 신호와 신호 무결성을 최적화해야 할 필요가 있을 수 있다.[4]2. 2. 배선 연결
배선은 배치된 부품 간에 전기적인 연결을 수행한다. 설계 과정에서 배선 단계 중 부품 배치는 절대적이지 않지만, 부품의 이동이나 회전에 의해 배선이 꼬일 수 있다. 특히 FPGA나 마이크로컨트롤러같은 복잡한 부품을 사용할 때 배치에 주의해야 한다. 많은 신호와 신호 무결성은 최적화하지 않은 기존 배치를 할 필요가 있을 것이다.[4] 배선은 신호 지연, 노이즈, 임피던스 매칭 등을 고려하여 설계되어야 한다. 자동 배선 도구(auto-router)를 활용하여 배선 작업을 자동화할 수 있다.2. 3. 제조 데이터 생성
완성된 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃은 RS-274X 거버 형식으로 출력되어 제조업체의 컴퓨터 지원 제조(CAM) 시스템에 로드된다. PCB 제조에는 거버 파일, 드릴 파일, 조립 과정에서 장치의 자동 배치를 위한 픽앤플레이스 파일 등 여러 파일 및 형식이 필요하다. 픽앤플레이스 파일은 장치의 위치와 정렬 정보를 포함한다.[1]3. 현장 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA)
현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)의 배치 및 배선은 FPGA 벤더나 소프트웨어 제조사가 제공하는 도구를 통해 자동화된 방식으로 수행된다. FPGA 내부 회로와 설계자가 원하는 성능을 수행하는 회로가 복잡하기 때문에 소프트웨어 도구가 필요하다. FPGA는 디지털 논리와 VHSIC가 포함된 논리도와 VHDL, 베릴로그같은 하드웨어 기술 언어를 사용하여 설계하며, 설계가 끝나면 자동으로 핀 배치를 생성하는 배치 및 배선 과정을 거친다. 이렇게 생성된 핀들은 외부 부품과 연결하는 데 사용된다.[4][2]
3. 1. 설계 및 합성
FPGA의 배치 및 배선 과정은 사람이 직접 수행하지 않고, FPGA 벤더나 다른 소프트웨어 제조사가 제공하는 도구를 사용한다. FPGA 내부 회로가 복잡하고 설계자가 원하는 기능을 수행해야 하기 때문에 소프트웨어 도구가 필요하다. FPGA는 디지털 논리와 VHSIC가 포함된 논리도와 VHDL, 베릴로그같은 하드웨어 기술 언어를 사용하여 설계한다.[4] 설계가 끝나면 자동으로 핀 배치를 생성하는 배치 및 배선 과정을 거치며, 이 핀 배치는 FPGA 외부 부품과 연결하는 데 사용된다.[2]3. 2. 자동 배치 및 배선
FPGA 개발 도구는 자동 배치 및 배선 기능을 제공하여 핀 배치를 생성한다. 복잡한 FPGA 내부 구조와 설계 요구 사항으로 인해 자동화 도구 사용이 필수적이다.[4][2] FPGA는 디지털 논리와 VHSIC가 포함된 논리도와 VHDL, 베릴로그같은 하드웨어 기술 언어를 사용하여 설계한다. 이러한 설계가 끝나면 자동으로 핀아웃을 생성하는 배치 및 배선 과정을 거치며, FPGA의 이러한 핀들은 외부 부품과 연결하는 데 사용된다.[4]4. 집적 회로 (IC)
집적 회로(IC)의 배치 및 배선 단계는 일반적으로 하나 이상의 회로도, HDL 파일, 사전 라우팅된 IP 코어 또는 이들의 조합으로 시작하여 표준 GDS II 또는 OASIS 형식으로 자동 변환되는 IC 레이아웃을 생성한다.[3]
4. 1. 레이아웃 생성
IC 배치 및 배선 단계는 일반적으로 하나 이상의 회로도, HDL 파일, 사전 라우팅된 IP 코어 또는 이들의 조합으로 시작한다. 이는 표준 GDS II 또는 OASIS 형식으로 자동 변환되는 IC 레이아웃을 생성한다.[3]5. 역사
초기에는 배치 및 배선을 수작업으로 수행했으나, 전자 설계 자동화(EDA) 도구의 발전으로 자동화가 이루어졌다. 자동 라우터는 라우팅 과정을 가속화했다. 일부에서는 자동 배치 및 자동 라우터가 더욱 개선되어 사람의 수동 개입 없이도 훌륭한 레이아웃을 만들 수 있기를 바라며, 이는 실리콘 컴파일러라는 아이디어로 이어졌다.
5. 1. 초기 수작업 방식
초창기 IC와 PCB의 최종 레이아웃은 테이프 아웃 형태로 루비리스를 투명 필름에 담아 보관했다.[1]점차 전자 설계 자동화가 배치 및 배선 작업을 더 많이 자동화했다.[1] 처음에는 테이프를 떼고 붙이는 데 많은 시간을 들이지 않고 소규모 편집을 빠르게 하는 정도였다.[1] 이후 설계 규칙 검사를 통해 가장 흔한 오류 유형을 확인하는 과정이 빨라졌다.[1]
5. 2. 전자 설계 자동화 (EDA)의 발전
전자 설계 자동화는 배치 및 배선 작업을 자동화했다. 초기에는 테이프를 떼고 붙이는 시간을 줄이고 소규모 편집을 빠르게 하는 정도였으나, 이후 설계 규칙 검사를 통해 흔한 오류 유형을 확인하는 과정이 빨라졌다. 자동 라우터는 라우팅 과정을 가속화했다.일부에서는 자동 배치기 및 자동 라우터가 더욱 개선되어 사람의 수동 개입 없이도 훌륭한 레이아웃을 만들어낼 수 있기를 희망한다. 추가적인 자동화는 실리콘 컴파일러라는 아이디어로 이어진다.
참조
[1]
서적
Fundamentals of Layout Design for Electronic Circuits
https://link.springe[...]
Springer
2020
[2]
웹사이트
FPGA/PCB Co-Design Increases Fabrication Yields
http://pcdandf.com/c[...]
Printed Circuit Design and Fabrication
2008-07-24
[3]
논문
VLSI Physical Design: From Graph Partitioning to Timing Closure
Springer
2022
[4]
웹인용
FPGA/PCB Co-Design Increases Fabrication Yields
http://pcdandf.com/c[...]
Printed Circuit Design and Fabrication
2008-07-24
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