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초고밀도 집적 회로

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목차

1. 개요

초고밀도 집적 회로(VLSI)는 수만에서 수십억 개의 트랜지스터를 단일 칩에 집적하는 기술을 의미한다. 1920년대부터 시작된 트랜지스터 개발은 1970년대에 VLSI 시대로 이어졌으며, 잭 킬비와 로버트 노이스의 집적 회로 발명이 핵심적인 역할을 했다. VLSI 설계는 칩 면적을 절약하기 위한 모듈식 접근 방식을 사용하며, 구조적 설계와 같은 방법론이 활용되었다. 하지만, 공정 변화, 엄격한 설계 규칙, 설계 마감, 1차 통과 성공, 전기 이동 등의 어려움과 과제가 존재한다.

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초고밀도 집적 회로

2. 역사

잭 킬비와 로버트 노이스가 집적 회로를 발명하면서, 모든 구성 요소와 칩을 동일한 반도체 물질(모노리스) 블록으로 제작하여 회로 크기 문제를 해결했다.[3] 이로 인해 회로를 더 작게 만들고 제조 공정을 자동화할 수 있었다. 이는 1960년대 초 소규모 집적(SSI)과 1960년대 후반 중규모 집적(MSI)으로 이어지는, 단결정 실리콘 웨이퍼에 모든 구성 요소를 통합하는 아이디어의 기반이 되었다.[4]

2. 1. 배경 (1920년대 ~ 1960년대)

트랜지스터의 역사는 1920년대, 여러 발명가들이 고체 다이오드에서 전류를 제어하고 이를 트라이오드로 변환하려는 장치를 시도하면서 시작되었다. 제2차 세계 대전 이후, 레이더 탐지기로 실리콘과 게르마늄 결정을 사용하면서 제조 및 이론이 개선되어 성공을 거두었다. 레이더 연구에 참여했던 과학자들은 고체 소자 개발로 복귀했다. 1947년 벨 연구소에서 최초의 트랜지스터가 발명되면서, 전자공학 분야는 진공관에서 고체 소자로 전환되었다.[1]

1950년대의 전기 기술자들은 소형 트랜지스터를 통해 훨씬 더 진보된 회로를 구축할 수 있는 가능성을 보았다. 그러나 회로의 복잡성이 증가하면서 회로의 크기가 문제가 되었다.[2] 컴퓨터와 같은 복잡한 회로는 속도에 의존했는데, 구성 요소가 크면 이를 연결하는 전선도 길어져 전기 신호가 회로를 통과하는 데 시간이 걸려 컴퓨터의 속도가 느려졌다.[2]

잭 킬비와 로버트 노이스는 집적 회로를 발명하여 모든 구성 요소와 칩을 동일한 반도체 물질(모노리스) 블록으로 제작함으로써 이 문제를 해결했다.[3] 회로를 더 작게 만들 수 있었고, 제조 공정을 자동화할 수 있었다. 이는 1960년대 초 소규모 집적(SSI), 1960년대 후반 중규모 집적(MSI)으로 이어지는 단결정 실리콘 웨이퍼에 모든 구성 요소를 통합한다는 아이디어였다.[4]

2. 2. VLSI 시대의 개막 (1970년대 ~ 현재)

제너럴 마이크로일렉트로닉스(General Microelectronics)는 1964년 최초의 상업용 MOS 집적 회로를 출시했다.[5] 1970년대 초, MOS 집적 회로 기술은 단일 칩에 10,000개 이상의 트랜지스터를 통합할 수 있게 했다.[6] 이는 1970년대와 1980년대에 VLSI(Very Large-Scale Integration, 초고밀도 집적 회로)로 가는 길을 열었으며, 단일 칩에 수만 개의 MOS 트랜지스터(나중에는 수십만 개, 수백만 개, 현재는 수십억 개)가 집적되었다.

한때 VLSI 이상의 집적도를 표현하기 위해 ''초대규모 집적''(ULSI)과 같은 용어가 사용되기도 했다. 그러나 일반적인 소자에서 사용할 수 있는 엄청난 수의 게이트와 트랜지스터로 인해 이러한 미세한 구별은 무의미해졌다. 현재는 VLSI 수준보다 더 높은 집적도를 나타내는 용어는 더 이상 널리 사용되지 않는다.

2008년에는 10억 개의 트랜지스터를 집적한 프로세서가 상업적으로 출시되었다. 이는 65 nm 프로세서 세대에서 반도체 제조가 발전함에 따라 더욱 보편화되었다. 초기 소자와 달리 현재 설계는 광범위한 설계 자동화 및 자동화된 논리 합성을 사용하여 트랜지스터를 배치함으로써 결과적으로 논리 기능의 복잡성을 높일 수 있다. SRAM (정적 램) 셀과 같은 특정 고성능 논리 블록은 여전히 최고 효율을 보장하기 위해 수작업으로 설계된다.

3. 구조적 설계

구조적 VLSI 설계는 카버 미드와 린 컨웨이가 마이크로칩 면적을 절약하기 위해 고안한 모듈식 방법론으로, 상호 연결 구조 면적을 최소화하는 데 중점을 둔다. 이는 인접 배선을 사용하여 상호 연결될 수 있는 직사각형 매크로 블록을 반복적으로 배치하여 얻어진다. 예를 들어, 가산기 레이아웃을 동일한 비트 슬라이스 셀의 행으로 분할하는 것이다. 복잡한 설계에서는 이러한 구조화가 계층적 중첩을 통해 달성될 수 있다.[7]

1980년대 초반에는 구조적 VLSI 설계가 인기가 있었지만, 배치 및 배선 도구의 등장으로 인해 그 인기가 떨어졌다. 해당 도구들은 배선을 통해 많은 면적을 낭비했지만, 무어의 법칙의 발전으로 인해 용인되었다. 1970년대 중반 라이너 하텐슈타인은 하드웨어 기술 언어 KARL을 도입하면서 "구조적 VLSI 설계"(원래는 "구조적 LSI 설계"로)라는 용어를 만들었는데, 이는 무질서한 ''스파게티 구조'' 프로그램을 피하기 위한 절차 중첩을 통해 에츠허르 데이크스트라의 구조적 프로그래밍 방식을 반영한 것이다.

4. 어려움 및 과제

마이크로프로세서가 기술 축적으로 인해 더욱 복잡해짐에 따라, 마이크로프로세서 설계자들은 여러 가지 문제에 직면했다.


  • '''공정 변화''' – 광학 리소그래피 기술이 광학의 기본 법칙에 가까워짐에 따라, 도핑 농도와 식각된 배선에서 높은 정확도를 달성하기가 어려워지고 오류가 발생하기 쉬워졌다. 설계자는 칩이 생산 준비가 완료되기 전에 여러 제조 공정 코너에서 시뮬레이션하거나, 변화의 영향을 처리하기 위한 시스템 수준 기술을 사용해야 한다.[8][9]
  • '''더 엄격한 설계 규칙''' – 축적과 관련된 리소그래피 및 식각 문제로 인해, 집적 회로 레이아웃에 대한 설계 규칙 검사가 점점 더 엄격해지고 있다. 설계자는 맞춤형 회로를 레이아웃할 때 늘어나는 규칙 목록을 염두에 두어야 한다. 맞춤형 설계에 대한 오버헤드가 임계점에 도달하여 많은 설계 회사가 설계 프로세스를 자동화하기 위해 전자 설계 자동화(EDA) 도구로 전환하고 있다.[10]
  • '''설계 마감''' – 클럭 주파수가 높아지는 경향이 있으므로, 설계자는 전체 칩에서 이러한 고주파 클럭 간에 낮은 클럭 스큐를 분배하고 유지하는 것이 더 어려워지고 있다. 이는 멀티코어 및 멀티프로세서 아키텍처에 대한 관심 증가로 이어졌다. 암달의 법칙에 따라 모든 코어의 계산 능력을 사용하여 더 낮은 클럭 주파수에서도 전반적인 속도 향상을 얻을 수 있기 때문이다.[11]
  • '''1차 통과 성공''' – 다이 (집적 회로) 크기가 축소되고, 웨이퍼 (전자 공학) 크기가 증가함에 따라, 웨이퍼당 다이 수가 증가하고 적합한 포토마스크를 만드는 복잡성이 급격히 증가한다. 최신 기술에 대한 마스크 세트는 수백만 달러의 비용이 들 수 있다. 이러한 일회성 비용은 실리콘에서 오류를 찾는 여러 "스핀 사이클"을 포함하는 이전의 반복적 철학을 저해하고 1차 통과 실리콘 성공을 장려한다. 이러한 새로운 설계 흐름을 지원하기 위해 제조를 위한 설계 (DFM), 테스트를 위한 설계 (DFT) 및 Design for X를 포함한 여러 설계 철학이 개발되었다.[12]
  • '''전기 이동'''

참조

[1] 논문 How the First Transistor Worked https://spectrum.iee[...] 2022-11-20
[2] 웹사이트 The History of the Integrated Circuit https://www.nobelpri[...] Nobelprize.org 2012-04-21
[3] 웹사이트 BBC - History - Historic Figures: Kilby and Noyce (1923-2005) https://www.bbc.co.u[...] 2024-08-10
[4] 서적 The Invention of the Integrated Circuit and the Birth of Silicon Valley https://doi.org/10.1[...] Springer International Publishing 2024-08-10
[5] 웹사이트 1964: First Commercial MOS IC Introduced http://www.computerh[...]
[6] 논문 Metal-Oxide-Semiconductor Technology 1973
[7] 서적 Digital Electronics - A Modern Approach by B K Jain https://books.google[...] Global Vision Publishing House 2017-05-02
[8] 서적 2020 China Semiconductor Technology International Conference (CSTIC) IEEE 2020-06-26
[9] 웹사이트 Exploring the Challenges of VLSI Design: Navigating Complexity for Success https://insemitech.c[...] 2024-08-10
[10] 서적 Electronic Design Automation: Synthesis, Verification, and Test https://dl.acm.org/d[...] Morgan Kaufmann Publishers Inc. 2009-02
[11] 웹사이트 Clock Skew in STA https://vlsiweb.com/[...] 2024-08-10
[12] 논문 Retrospective on VLSI value scaling and lithography https://www.spiedigi[...] 2019-11-26


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