반도체 설계 | [직장인 Vlog] 삼성반도체에서 뭐하나? 회로설계 엔지니어편 상위 5개 답변

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오늘은 반도체 블록놀이 한 판 하실래요~
누구나 한 번쯤은 해봤을 블록 조립 장난감 놀이.
블록 하나하나를 어떻게 배치하고 조립하느냐에 따라
온갖 다양한 모양이 나옵니다
반도체 설계도 이런 블록 조립 장난감과 같다는데…
물론 훨씬 더 많은 부품이 있고 더 정교하고 더 다양한 완성품이 나온다는
차이는 있겠네요~
반도체 칩을 어떻게 배치하고 조립해야 고객이 원하는 최고 사양의 제품을
만들 수 있을지 고민하는 사람들의 이야기.
지금 영상으로 만나 보세요~

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Date Published: 6/21/2022

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반도체공정설계 (메모리사업부) | 삼성전자 DS부문

반도체 공정 프로세스를 설계하고, 요구 성능 및 품질 확보를 위한 소자와 최적 Layout 및 Mask를 개발하는 직무.

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Date Published: 1/14/2021

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반도체 설계 자동화의 핵심, EDA 트렌드 – Samsung SDS

반도체 설계·검증은 EDA(Electronic Design Automation) 도구들을 이용하여 많은 부분 자동화되었습니다. 시장 또한 성장세를 보이고 있는데, 전 세계 …

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Date Published: 9/30/2022

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[반도체설계] 칩 설계 전(ALL) 과정 – 네이버 블로그

12년 전에 작성했던 내용이네요. 지금하고는 좀 다르겠지요. 칩 설계 전(ALL) 과정. ASIC 칩 개발 제작 …

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Date Published: 4/27/2021

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15화 인문학적 반도체_3. 반도체 설계(3)_칩 설계 – 브런치

3장. 반도체는 어떻게 만들어지나? | 칩설계 _ Front-end Design 2. 칩 설계 단계 (Front-end Design) 두 번째 단계는 기획단계에서 세운 spec을 바탕 …

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Date Published: 12/29/2022

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[월요논단]’시스템 반도체 설계’의 중요성 – 전자신문

시스템 반도체 칩을 설계하는 팹리스와 재이용 가능한 기능의 블록을 설계하는 IP 개발업체, 반도체 제조 공장에 맞게 설계 서비스를 하는 시스템 솔루션 …

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Date Published: 7/9/2022

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[집콕]시스템 반도체 설계(하드웨어 시스템즈) | K-MOOC

[집콕]시스템 반도체 설계(하드웨어 시스템즈). POSTECHk. Audit Enrollment. Course View. Course preview. 강좌 소개. This course introduces the entire process …

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Date Published: 2/18/2022

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시스템반도체설계지원센터

icon01. 입주·성장지원시스템반도체 설계전문기업의 창업지원, 성장을 위한 협업과 혁신의 공간입니다. icon02. MPW 지원설계전문기업의 시제품제작 및 검증을

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Date Published: 3/19/2022

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[직장인 Vlog] 삼성반도체에서 뭐하나? 회로설계 엔지니어편
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주제에 대한 기사 평가 반도체 설계

  • Author: 삼성전자 뉴스룸 [Samsung Newsroom]
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  • Date Published: 2020. 2. 17.
  • Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=JOnd-pkkiXY

반도체 설계 자동화의 핵심, EDA 트렌드

제조

김태균

들어가며

전자, IT 등 하이테크 산업의 근간이 되는 반도체는 현존하는 모든 최첨단 기술이 집약된 제품이라 해도 과언이 아닙니다. 이는 반도체를 생산하기 위한 공정, 장비, 소재 등 물리적인 영역뿐만 아니라 설계·검증을 위한 소프트웨어 분야도 마찬가지입니다. 반도체 설계·검증은 EDA(Electronic Design Automation) 도구들을 이용하여 많은 부분 자동화되었습니다. 시장 또한 성장세를 보이고 있는데, 전 세계 기준 2020년 11조 원 규모에서 2027년까지 연평균 9.6% 성장하여 23조 원에 이를 것으로 전망됩니다.

반도체 산업은 글로벌 기업 간의 기술 및 투자 경쟁이 매우 치열한 분야입니다. 이러한 경쟁에서 가장 중요한 요소는 Time-To-Market과 수율입니다. 제품을 시장에 빨리 내놓을수록 일종의 선점·독점 효과를 누리게 되며 양산 수율은 그대로 이익과 직결됩니다. 얼마나 빨리 제품을 생산해 경쟁력 있는 수율을 달성하는가에 모든 사활이 걸려 있는 것입니다.

반도체 공정은 갈수록 미세화가 진행되어 메모리 용량이나 CPU 속도가 18개월마다 2배씩 증가한다는 무어의 법칙이 여전히 유효함을 보여주고 있습니다. 이렇게 집적도가 증가하면서 EDA 도구들이 처리해야 할 데이터의 양과 복잡도도 같이 증가하고 있으며 생산 가능한 설계(DFM : Design For Manufacturability)를 도출하는 것이 갈수록 어려워지고 있습니다. 이를 극복하고자 반도체 산업은 다양한 혁신을 시도하고 있으며 최신 IT 트렌드와도 큰 연관성이 있습니다.

반도체 설계 과정

system Specification Logical Design(frontend):entity test is port in bit, end entity test, Logical Design(hardware description language)-(gate-level nestlist) Physical Design(Backend):DRC,LVS,ERC Physical Design(place & route) Production fabrication(package & testing) chip [그림 1] 반도체 설계 프로세스

(출처: VLSI Physical Design: From Graph Partitioning to Timing Closure)

반도체 설계 과정은 많은 부분에서 소프트웨어 개발과 유사합니다. 반도체 칩의 사양(Specification)을 정하고 HDL(High-Level Description Language)로 불리는 프로그래밍 언어를 사용하여 칩의 동작 방식을 기술합니다. HDL은 VHDL, Verilog, System C가 대표적이며, 소프트웨어 개발용 프로그래밍 언어와 크게 다르지 않습니다. 이렇게 개발된 소스코드는 컴파일러를 통하여 RTL(Register Transfer Level)로 변환되며 일종의 IL(Intermediate Language) 혹은 목적 코드(Object Code)에 해당합니다. RTL 코드는 최종적으로 넷리스트(Netlist)로 변환되는데 반도체의 기본소자인 게이트(Gate) 간의 연결 관계를 표현하는 것으로 결국 논리적인 회로도(Schematic)를 나타냅니다. HDL에서 넷리스트로 변환하는 과정을 논리 합성(Logical Synthesis)이라고 합니다.

논리 합성을 거쳐 생성된 넷리스트는 의도한 대로 동작하는지 검증(Verification)하는 단계를 거칩니다. 검증이 완료된 넷리스트는 P&R(Placement & Route) 과정을 거쳐 물리적인 도면(Physical Layout)으로 변환됩니다. P&R은 넷리스트상의 단위소자인 라이브러리(Library)를 배치(Placement)하고 핀(Pin)들이 연결되도록 배선(Route)하는데 이때 주어진 디자인 제약조건(Design Constraint)을 충족하는 배치와 배선 경로를 탐색해야 하기 때문에 매우 복잡한 문제를 풀어야 합니다. 디자인 제약조건은 예를 들면 칩의 면적을 한정하거나 배선의 최대 길이를 제한하거나 하는 규칙들입니다. 배선이 길면 핀 간 배선의 저항에 의해 전입이 떨어져 회로가 정상 동작을 하지 못하며 신호가 지연되어 타이밍 문제를 일으킵니다.

P&R 과정을 거치면 물리적인 도면이 생성되며 이는 GDS(Graphics Design System) 형식의 파일로 저장되는데 이 과정을 물리 합성(Physical Synthesis)이라고 합니다.

(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit_design )> [그림 2] GDS 파일 렌더링(출처:)>

GDS 파일은 반도체의 물리적인 형상을 레이어(Layer)와 폴리곤(Polygon)을 이용하여 표현합니다. GDS 파일은 70년대에 제정된 표준으로 현재는 OASIS라고 불리는 새로운 형식의 파일로 점차 대체되고 있지만 실무에서는 구분 없이 통칭하여 GDS라고 부릅니다. GDS 파일은 PDF와 같은 벡터 그래픽 파일과 유사한 형식이지만 베지에 곡선(Bezier Curve)이나 폰트(Font) 같은 복잡한 요소는 배제되고 Rectangle, Polygon, Path 같은 기본적인 도형 요소들로 구성됩니다. 이러한 요소들의 집합이 셀(Cell)이라고 불리는 단위로 정의되어 있으며 셀을 반복 배치하거나 계층으로 구성하여 작은 크기의 데이터로 복잡한 도면을 표현합니다. 최신 반도체 칩의 경우 수조 개 이상의 폴리곤이 저장될 정도로 대용량인 경우가 많고 용량은 수백 GB에 이르기도 합니다. 때문에 이러한 파일을 처리하기 위해서는 Out-Of-Core 알고리즘에 대한 고려가 필요하며 효율적인 Spatial Acceleration 아키텍처를 설계하여 요소에 대한 접근을 최적화해야 합니다.

(출처: https://www.chiprebel.com/exynos-9820 ) [그림 3] Exynos 9820 Die Photo(출처:

이렇게 생성된 GDS 파일은 DRC(Design Rule Check) 및 LVS(Layout vs. Schematic) 검증 과정을 거칩니다. DRC는 물리적인 형상이 만족해야 할 규칙을 검증하는 과정으로 예를 들면 Gate와 Metal이 Contact과 영역이 겹치는지 (따라서 물리적으로 접촉되었는지) 검사하는 규칙 등이 있습니다. LVS는 물리적인 형상으로부터 거꾸로 논리적인 회로 (Schematic)를 재건(Reconstruction)하여 원래의 회로와 같은지 검증하는 과정입니다.

물리적인 설계 이후에는 생산 가능한 설계(DFM : Design For Manufacture)를 도출하기 위한 단계를 거칩니다. P&R을 통하여 산출한 도면은 웨이퍼 표면에 형성되어야 하는 타깃 패턴(Target Pattern)이며, 실제로 웨이퍼에 이러한 타깃 패턴을 형성하는 것은 또 다른 험난한 과정입니다. 웨이퍼 패터닝은 감광 물질(포토레지스트, Photoresist)을 도포한 후 포토마스크라고 불리는 패턴이 새겨진 유리판에 빛을 통과시켜 빛을 받은 부분과 받지 못한 부분이 다르게 화학 반응을 하도록 현상하고(Develop) 선택적으로 패턴을 녹여내는 에칭(Etching) 과정을 거쳐 생성됩니다. 이때 빛의 회절 현상이나 포커스 값과 화학 반응의 정도에 따른 변수 등이 작용하여 의도한 패턴 형성을 방해하게 됩니다. 이러한 현상을 극복하기 위해서 OPC(Optical Proximity Correction) 같은 기법을 동원하여 타깃 패턴에 가깝게 형성되도록 하는 포토마스크 패턴을 역으로 계산하는 과정을 거치기도 합니다.

without OPC

with OPC Design No OPC

OPC Applied Lithography Mask Patterning Process

Patterning Process On Wafer Poor Imaging

Robust Imaging

(출처: https://www.ibm.com/cloud/blog/ibm-and-synopsys-demonstrate-euv-opc-workload-runs-11000-cores-on-the-hybrid-cloud ) [그림 4] Effect of OPC in pattern printing on wafer(출처:

양산에 들어가기 전 마지막 단계를 MTO(Mask Tape Out)라고 하며 모든 검증이 완료된 후 생산에 들어갑니다. 양산 과정에서도 수율 확보를 위한 다양한 활동을 하는데 대표적인 예로 MI(Metrology & Inspection)를 들 수 있습니다. MI는 광학현미경이나 SEM/TEM (Scanning/Transmission Electronic Microscope) 같은 전자현미경을 동원하여 불량 발생을 모니터링합니다. 발견된 불량은 이물질이나 공정 외적인 요소로 인해 발생한 불량(Random Defect)인지 설계상 취약점으로 인해 발생하는 불량(Systematic Defect)인지 판별하고 근본 원인(Root Cause)에 대한 분석을 진행합니다.

(출처: http://www.ddaily.co.kr/cloud/news/article.html?no=149274 ) [그림 5] Various defect patterns(출처:

EDA 소프트웨어의 장벽

EDA 소프트웨어는 실로 오랜 역사를 가지고 있는 분야입니다. 대표적으로 EDA 빅3로 불리는 시놉시스(Synopsys), 케이던스(Cadence), 지멘스EDA(구 Mentor Graphics)와 같은 회사는 30년 이상의 역사를 가지고 있습니다. EDA 소프트웨어를 개발하기 위해서는 반도체 산업에 대한 전문 지식이 필요하며 최고 수준의 소프트웨어 개발 역량도 갖춰야 합니다. 또한 컴파일러 기술부터 Physical Layout을 처리하기 위한 Computational Geometry, 물리 시뮬레이션을 위한 광학이나 전자기학 등 실로 다양한 기술이 요구됩니다. EDA 빅3의 제품들은 오랜 기간 사용되면서 발전해왔고 반도체 산업의 표준 도구로 자리잡고 있습니다.

이러한 환경에서 후발 주자가 새로운 소프트웨어 제품을 보급하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 기술 격차를 극복하는 것도 어렵거니와 반도체 업체가 새로운 소프트웨어를 사용함으로써 발생하는 리스크를 감수할 이유가 없기 때문입니다. 그렇기 때문에 EDA 분야의 신생업체들은 새로운 혁신적인 기술을 기반으로 하는 경우가 많습니다. EDA 빅3는 이러한 매력적인 소규모 업체들을 인수하여 자사 제품에 반영함으로써 기술적 우위를 유지하는 전략을 사용하고 있습니다.

EDA 소프트웨어 트렌드

EDA 분야는 새로운 혁신적인 방식들을 도입해가면서 지속적인 발전을 이루고 있습니다. 전통적인 직선 위주의 포토마스크 패턴에서 곡선 형태(Curvilinear)의 패턴을 사용하여 해상도를 더욱 높이는 시도는 상용화가 머지 않은 기술입니다. 포토마스크 제작은 크롬 코팅된 유리판에 레이저 빛을 이용하여 패턴을 새기는데 기존 방식으로는 복잡한 패턴의 마스크를 제작하는데 한계가 있었습니다. 보통 Manhattan Geometry라고 불리는 직각 패턴만 가능했으나 VSB(Variable Shaped Beam)나 Multi-Beam Mask Writer가 등장하면서 다양한 모양의 패턴을 마스크에 프린트하는 게 가능해졌습니다. 이에 따라 기존 직각 위주의 설계 방식에서 Any Angle 더 나아가 곡선 형태의 패턴을 지원하는 새로운 설계 방식이 연구되고 있습니다.

ILT(Inverse Lithography) 기술은 이러한 Curvilinear 마스크를 위한 가장 중요한 기술에 속합니다. ILT는 OPC(Optical Proximity Correction) 방식 중 하나입니다. Conventional한 OPC는 패턴의 Edge를 잘게 쪼개어 상하좌우로 이동하거나 사각형 형태의 Assist Feature를 규칙 기반으로 삽입하여 회절에 의한 왜곡을 보정하는 방식으로 동작합니다. 포토마스크에서 웨이퍼 표면으로 전사되는 이미지를 계산하는 것은 광학계를 수학적으로 표현하여 얻을 수 있습니다. 이를 Forward Function이라고 하며 ILT는 이 Forward Function의 Inverse Function을 구하려는 시도입니다. ILT는 이미 구현되어 있는 기술이지만 매우 많은 연산을 필요로 하기 때문에 전체 칩(Full Chip ILT)에 적용하기보다는 국소적으로 패턴이 복잡한 곳에 사용하는 방식으로 활용되었습니다. 하지만 최근 GPU 클러스터를 기반으로 기존 OPC 수준의 처리 속도를 확보한 Full Chip ILT 기술이 등장하면서 Curvilinear 마스크 활용이 더욱 가까워지고 있습니다.

(출처: https://design2silicon.com/products/truemask-ilt ) [그림 6] Curvilinear mask and corresponding wafer pattern(출처:

설계 과정 곳곳에서 AI를 활용하려는 노력이 지속되고 있습니다. 구글은 강화학습(Reinforcement Learning)을 P&R 및 Floor Planning에 적용한 결과를 발표하기도 하였으며, 시놉시스, 케이던스에서도 딥러닝을 활용한 제품들이 출시되고 있습니다. 반도체 설계에 AI 활용이 점차 활성화되면서 그에 필요한 데이터를 체계적으로 관리·분석하기 위한 플랫폼, 컴퓨팅 클러스터에 대한 요구사항도 지속적으로 증가하고 있습니다.

반도체 설계 과정에서는 실제 물리적인 공정을 그대로 표현하는 모델을 생성하여 주어진 설계에 대한 결과값을 예측하는 화이트박스 모델링 기법을 주로 사용합니다. 대표적으로 OPC에서는 포토마스크 패턴이 웨이퍼 표면에 형성되는 광학계를 모델링하거나 감광 물질이 빛과 반응하는 과정, 에칭 과정을 모델링하게 되는데 이러한 모델과 실제 물리적인 공정 간의 오차를 줄이기 위해 테스트 패턴을 웨이퍼로 제작한 후 CD-SEM(Critical Dimension Scanning Electronic Microscope)으로 관측하여 오차를 보정(Calibration)하는 과정을 거치게 됩니다. 이렇게 생성된 촬영 이미지는 주어진 공정값에 대한 설계 패턴의 실제 물리적인 웨이퍼 형태를 표현하는 것으로 AI 활용 가능성이 큰 데이터입니다.

또 하나의 중요한 트렌드는 오픈화입니다. 오픈화 경향은 반도체 설계 자산에 대한 오픈화 및 반도체 설계 과정에 대한 오픈화가 모두 이루어지고 있습니다. 대표적인 오픈 반도체 설계 자산은 RISC-V가 있습니다. RISC-V는 ARM, 인텔, AMD 등의 전유물이었던 CPU에 새로운 명령어 체계(Instruction Set Architecture) 및 설계 IP, 그에 따른 표준 공정들을 제공합니다. 오픈소스 소프트웨어와 유사한 형태로 하드웨어 설계에서의 오픈화 시도이며 RISC-V 기반의 업체들이 활발하게 생겨나고 인수·합병도 이루어지고 있습니다. 또한 이에 대한 공정을 개발하기 위한 오픈소스 PDK(Process Development Kit)도 구글에 의해서 실험적으로 진행되고 있습니다. 오픈화 자산들은 반도체 제조의 진입 장벽을 낮추기 위한 꾸준한 노력을 통하여 오픈소스 소프트웨어처럼 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

HPC에 대한 요구사항도 중요한 문제입니다. 반도체 설계가 갈수록 복잡해지고 이에 필요한 컴퓨팅 파워 및 스토리지 요구사항도 지속적으로 증가하는 추세입니다. 최신 칩 설계의 경우 OPC 과정을 수행하는데 수천 코어를 사용하여 수십 시간이 걸리기도 합니다. 이러한 컴퓨팅 자원들을 효율적으로 관리하고 유지하는데 매우 큰 비용이 들어갑니다. 클라우드 전환은 자연스러운 것처럼 보이지만 사실 반도체 분야는 보안이 매우 중요하게 작용하고 있습니다. 자신의 설계 데이터가 클라우드에 업로드되는 것을 고객들은 원하지 않습니다. 보안 문제가 가장 큰 걸림돌이지만 그럼에도 불구하고 클라우드를 활용하는 움직임은 실제로 일어나고 있습니다. 주요 반도체 제조사들은 클라우드상에서 설계·검증할 수 있는 서비스를 제공합니다.

마치며

[반도체설계] 칩 설계 전(ALL) 과정

12년 전에 작성했던 내용이네요.

지금하고는 좀 다르겠지요

칩 설계 전(ALL) 과정

ASIC 칩 개발 제작을 통한 하나의 칩이 나오기 까지 과정을 정리해 보고 , 각 단계 별 회사별로 솔루션을 제공하며

입사를 생각하는 신입사원은 어느 영역의 어떤 분야의 사회생활을 시작할 지 체크해 보는 것도 좋겠지요.

영업으로 시작할 지, 마케팅으로 시작할 지, R&D 엔지니어로 시작할 지, 기술 지원을 담당할 지, 기술영업을 시작할 지

시작은 어떠한 영역에서 시작하더라도 뒤쪽으로 가다보면 기술 -> 영업 -> 마케팅 -> 사업담당 -> 회사창업등으로

대체로 많이 흘러 가더군요.

수요자 세계와 공급자 세계의 흐름을 알고 , 수요자와 공급자의 연결을 해주는 헤드헌터가 최근에 더욱 더 늘어나는 것을

보니 이 세계가 재미 있는것인지 다른 사업보다 이쪽 분야가 쉬운건지.. 아니면 마진이 좋은건지..

최근 아는 회사분(반도체 설계 업체)들이 만날때마다 신신 당부를 하는것이 사람좀 뽑아 달라고 하는 것 입니다.

아는 사람들 연결을 시켜주고 있으나 워낙 물량들이 없어 난리 입니다.

하나의 칩 기획에서 그칩이 만들어 손에 넣는 과정까지 무수한 과정을 통하여 진행이 되지요.

저도 전과정을 열심히 공부하고 있으나 세부적 과정으로 들어갈 수록 배울게 많이 있습니다.

하나의 칩을 보면서 어떠한 과정을 통하여 칩이 나와는지 알면 좋겠지요.

어떤 ASIC을 만들지 열심히 궁리(제품기획)를 해야겠지요 . 설계 능력, 개발비, 영업마케팅의 3개 정도는 준비해 놓고 시작하겠죠.

사용하고자하는 파운드리와 테크놀러지를 선정하고 그리고 디자인하우스 또는 직접 파운드리 영업팀을 통하여 계약하고 본격

진행을 합니다.

=> 파운드리는 국내는 삼성,동부,매그너칩

=> 파운드리 디자인하우스는 이곳 블러그에서 확인하세요.

설계한 DB가 파운드리로 넘어가기 전까지 크게 두개의 영역으로 나누어 집니다.

전단계(Front-end) 와 후단계(Back-end)로 나누어 집니다.

전단계는 거의 설계 설계 의뢰업체에서 담당하지요.

Verilog등의 HDL 코드등을 이용하여 설계하고 이상이 없는 기능 검증을 합니다.

(전단계로 넘어오기 전에는 FPGA등을 통하여 사전 개발을 하겠죠)

전단계에서 이상이 없으면 최종 Pre Simulation을 마치고 후단계(Back-end) 진행을 합니다.

(최종물은 Final Netlist)

=> 이 부분 설계하는 업체들이 대 부분 이죠. 코아로직,엠텍비젼,텔레칩스등 거의 모든 설계 업체들이 이 부분까지

집중적으로 담당 하지요.

후단계 과정은 대체로 설계를 의뢰한 파운드리 디자인회사에서 담당하지요. 설계 난이도 및 제반 사항에 따라 몇백만원에서

거의 억대에 가까운 Back-end 비용이 들어 갑니다. 이때 사용 하는 EDA 툴들이 아주 비싼 툴들 입니다.

P&R 를 담당하는 하는 엔지니어도 많이 필요 합니다.

이쪽 사람들이 표현할때는 3D업종이라고도 합니다. 한번 칩 레이아웃이 되면 모르지만 기능 문제로 계속 반복 작업을 하다보면

스트레스도 많이 받지요. 그대신 이 부분의 적성이 맞아 이 분야만 고집하는 엔지니어도 많지요.

=> 이 부분 하고 싶은 분들 있으면 연락 주시면 회사 소개 시켜 드리죠.

(경력이 필요합니다.)

Post Simulation을 이상없이 마치면 후단계 과정 마무리하고 파운드리쪽으로 넘어갑니다.

* 여기까지의 과정이 전(앞전자 사용)공정으로 표현을 하고 이이후의 과정이 후(뒤후자사용)공정 이지요.

후공정은 다시 웨이퍼프로세서 영역을 전공정, 이후의 어셈블리,테스트 등의 이후 공정을 후공정 이라 표현하죠.

후단계에서 만들어진 GDS DB는 파운드리로 넘어가면서 패턴 설계 및 마스크 제작을 합니다.

ASIC 설계 시 개발비(NRE)에서 제일 차지하는 부분이 MASK입니다.

마스크 경우 다양한 회사들이 파운드리 회사에 Qual을 받고 공급을 하고 있지요. 국내에 PKL(포트로닉스) 및 토판 등 다양한

MASK 회사들이 있지요.

MASK는 사용 공정 회사에서 자기들이 지정해들어가는 경우와 고객이 별도로 MASK작업을 하여 들어가는 경우가 있습니다.

ASIC설계자 입장에서는 MASK Setup ,작업에서 몇일정도가 소요되지요.

마스크 제작이 완료되면 본격 Wafer Process 작업이 진행됩니다.

이 안에는 기판공정(FEOL), Si다결정제조,Si단결정제조,경면Si웨이퍼제조,배선공정(BEOL)의 세부 과정등이 있습니다.

=> 각 가정 장비마다 다양한 영역이 있으며, 이중 저는 최근에 Scrubber, CA 필터에 대하여 열심히 공부하고 있습니다.

이중 클린룸을 정화시켜주는 CA필터쪽에 사업을 손 되려고 합니다.

이 분야에 보면 코스닥 회사도 있고 많은 회사들이 있습니다. 이들 회사와 경쟁을 할 수 있는 솔루션을 준비하고 조만간

영업마케팅을 본격적으로 하려고 합니다.

전공정과정을 마치고 나온 웨이퍼는 고객에게 전달 되거나 어셈블리 회사로 넘어갑니다.

제작되어 나온 웨이퍼는 웨이퍼 테스트를 진행하거나 어셈블리 작업을 합니다.

최종 칩 테스트를하지만 사전 웨이퍼 테스트를 통하여 걸러주어 패키지,Final Test에서 비용을 줄여줍니다.

(기타 장단점 있음.하면 좋지요. 비용이 들어가서 그렇지요)

패키지는 원하는 핀과 형태로 제작 됩니다.

가장 우명한 회사가 Amkor이지요. 특히 Amkor Korea에서가 최고의 질을 자랑하지요.

시그네틱스, 하나마이크론,STS반도체통신, 세미텍등 다양한 회사가 있습니다.

칩 테스트에는 아이테스트,GMNT,테스나,아이텍등 다양한 회사들이 있습니다.

파운드리,어셈블리,테스트의 영역에는 가각 세부적으로 다양한 작업들 및 진행 사항들이 있습니다.

Wafer Sawing, Wafer BackGrinding, 범핑,… Tray는 패키지,테스트등이 되어진 칩등이 들어가는 그릇입니다.

이것이 없어도 안되고 .. 더 세분화하면 계속 나누어 집니다.

우리가 사용하는 웨이퍼는 Prime Wafer, Test Wafer등으로 나누어 6인치,8인치,12인치등의 크기로 제공되며

실제 장당 가격은 몇 장 구할때는 몇만원(만단위 후반대) 정도 가격이나 대량 경우는 얼마안되죠.

그러나 파운드리 회사에서는 장비가격, 인건비, 기타 등등으로 몇백불에서 천불이상 넘어가죠.

이러한 전과정에 대하여 궁금하신 분들 있으시면 언제든지 연락들 주세요 ……

15화 인문학적 반도체

칩설계 _ Front-end Design

2. 칩 설계 단계 (Front-end Design)

두 번째 단계는 기획단계에서 세운 spec을 바탕으로 실제 chip을 설계하는 단계입니다.

이를 흔히 Front-end Design 이라고 합니다.

SoC는 설계의 복잡성 때문에 흔히들 Top-down설계 방식이라고 전체적인 구조 설계를 진행한 후 Top Block 설계를 진행하고 각각의 Sub Module에 대한 설계를 진행하는 방식을 사용합니다.

[ 칩설계 순서_Front end design ]

먼저 사람이 작성하기 쉬운 언어로 동작 수준 설계를 기술하여 점점 제조공정에 사용하는 게이트 수준으로 설계하여 물리적 설계 수준인 레이아웃 순서로 설계가 진행됩니다.

반도체 설계는 크게 Front-end design 단계와 Back-end design 단계로 구분합니다.

상위 수준 언어로 동작을 기술하고 RTL 즉 레지스터 전송 수준을 거쳐 Gate level netlist라는 게이트 수준 설계 데이터를 생성하고 검증합니다. 여기까지를 전반부 설계 즉 Front-end design 이라고 합니다.

RTL이라고 하는 레지스터 전송 수준은 게이트 수준과 비교하여 검증 시간이 짧은 반면에 검증의 정확도는 낮습니다.

Gate-Level Netlist 가 완성되면 후반부 설계 즉 Back-end design 이라는 레이아웃 데이터를 생성하는 단계를 거치는데 이는 좀 더 제조 기술에 의존적입니다. 이후는 실제 칩을 제조하는 단계로 넘어가는데 Mask를 만들어 FAB에서 칩을 제조하는 단계를 의미합니다.

상위 수준 기술, High Level Description 이란 컴퓨터 언어상의 상위 언어(High level Language)로 기술한다는 의미입니다. 즉 기계어나 어셈블리어가 아닌 FORTRAN이나 C 언어 같은 상위 수준 언어를 말합니다.

자신이 설계하고자 하는 칩의 기능에 대한 알고리즘이 맞는지를 C 모델을 사용하여 프로그램을 짜서 실행시켜 빠른 시간 안에 검증합니다.

RTL Description 이란 HDL(Hardware Description Language) 이라는 하드웨어 언어를 사용하여 설계하는 것을 말합니다. 많이 사용하는 언어는 VHDL 과 Verilog 가 있습니다.

RTL은 C언어에 비해 동작에 필요한 비트(bit) 수나 클록의 개수를 정확하게 알 수 있습니다.

예를 들어 High Level Language인 시스템 C언어로 A값과 B값을 더하여 S라는 값으로 하라는 프로그램을 짜면 S=(A+B); 와 같습니다.

이를 verilog로 기술하면 아래와 같습니다.

[ 출처: 반도체 제대로 이해하기_강구창 ]

꽤 길어지고 @표시등 다른 기호들도 있습니다.

여기서 줄 3의 경우 S라는 출력은 S [0], S [1], S [2], S [3], S [4], S [5] 해서 모두 6bit를 의미합니다.

그리고 줄 9는 덧셈 동작이 1 clock안에 끝난다는 의미입니다.

RTL설계가 끝나면 설계가 올바로 되었는지 검증을 해야 합니다.

이를 Functional Verification and Testing이라고 합니다.

보통의 경우 chip 전체를 simulation 하기 전에, 각 block 별로 test bench를 만들어 simulation을 하여 검증하고, chip 전체의 simulation은 각 block이 잘 연결되었고 간단한 작업이 잘 동작하는지 정도를 검증합니다.

[ Test bench를 이용한 RTL 검증 환경 ]

Test bench에서 mismatches 가 나왔으면 Waveform이라는 tool을 이용하여 검증을 합니다.

또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 를 사용하여 prototype을 만들어서 Function을 검증하는 경우도 많이 있습니다. 대개 외부 도입 IP에 대해 FPGA를 이용해서 검증하는 경우가 대부분입니다.

[ FPGA를 이용한 검증 환경 ]

Logic Synthesis 는 RTL 코드를 Gate level netlist로 바꾸어 주는 과정 을 의미합니다.

합성 툴은 대부분 Synopsys의 Design Compile r라는 tool을 많이 사용합니다.

[ Logic Synthesis 과정 ]

삼성 등 FAB 공정에서 제공하는 library와 설계자의 RTL, 그리고 timing constraint라고 하는 SDC을 입력해 주고 tool을 돌리면 gate level netlist가 나오게 됩니다.

FAB에서 주는 design kit에는 합성에 사용될 gate 들의 동작 및 속도 등이 들어 있습니다.

이를 Software의 compile과 비유를 하면 반도체 공정에서 주는 design kit은 각 CPU 마다 존재하는 ISA(instruction set architecture)라고 보면 되고 RTL은 C source code라고 생각하면 됩니다.

C source code를 compile 하게 되면 instruction sequence, 즉 기계어가 나오게 되는데 그것이 합성에서는 gate들의 연결로 결과가 나타나게 됩니다.

전체 Synthesis 과정을 한 번 더 도식화해서 보면, RTL description, Verilog 또는 VHDL로 기술된 언어가 RTL 코드입니다. 이 RTL description 자체가 Gate level description(netlist)으로 바뀌는 과정을 Synthesis 과정이라고 할 수 있습니다.

즉 RTL 코드가 팹 공정에서 제공하는 라이브러리에 매핑돼서 최종적으로 netlist가 나오는 과정이라고 할 수 있습니다.

[ Logic Synthesis 과정 ]

Synthesis를 하는 데 있어서 인풋과 아웃풋 파일을 보시면, 먼저 Synthesis를 할 때 인풋 파일은 가장 중요한 파일인 Verilog 혹은 VHDL로 설계한 HDL의 코드가 있어야 합니다. 그다음에는 TSMC 혹은 삼성에서 제공하는 셀 라이브러리가 필요합니다. 그다음에는 SDC라는 파일이 필요합니다.

SDC 는 Synopsys Design Constraints 의 약자로 이 디자인이 어떤 조건에서, 어떤 Clock frequency에서 동작해야 하는지, 그러한 timing Constraints 파일입니다.

이 3가지, HDL 코드와 라이브러리 그리고 SDC를 입력으로 넣어서 Synthesis 툴을 동작시키면 Synthesis 결과를 얻을 수 있습니다.

Synthesis를 마치면 아웃풋 파일은 Synthesized netlist 혹은 Gate level netlist file이 나옵니다. 또한 SDF 라고 Standard delay format 의 약자인데 딜레이를 고려해서 시뮬레이션을 돌리기 위한 파일이 나옵니다. 세 번째 아웃풋 파일은 Reports입니다. Synthesis 합성이 되고 나면 칩의 면적이나 전체 설계 크기가 어느 정도인지 알 수 있습니다. 그리고 회로가 동작할 때 타이밍적으로 문제가 없는지 등을 나타내는 Timing정보 나 power consumption 정보를 알 수 있습니다.

• Synthesis Input files

– HDL (Verilog)

– Cell Library (eg. Samsung 28nm library)

– SDC (Synopsys Design Constraints)

• Synthesis Output files

– Gate level netlist (Gate level Verilog file)

– SDF(Standard Delay Format)

– Reports (area, timming, power)

합성 후 Gate level Netlist를 가지고 여러 가지 신호를 입력하여 Simulation 하는 Gate level Simulation 을 진행합니다. 이런 simulation을 보통 Pre-sim 이라고 부릅니다.

게이트 수준의 netlist를 가지고 시뮬레이션을 하면 셀의 크기, 동작속도, 동작 시간 등을 알 수 있어 RTL 코드로 시뮬레이션하는 것보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.

물론 시뮬레이션하는데 걸리는 시간은 RTL 코드에서보다 훨씬 오래 걸립니다.

검증은 Synopsys의 Formality라는 tool을 많이 사용하고 있습니다.

이상이 주로 Fabless회사에서 진행하는 Front-end Design 과정입니다.

이를 다시 순서도로 설명하면 아래와 같습니다.

[월요논단]’시스템 반도체 설계’의 중요성

시스템 반도체가 무엇인가. 정보신호를 감지하고 연산·변환 과정을 거쳐 특정 요구에 맞춰 실행 출력물을 만드는 반도체다. 오감으로 입력신호가 들어오면 우리 뇌가 과거 경험을 기반으로 축적된 다양하고 풍부한 학습 프로세싱에 따라 결과를 인지하는 것과 같은 원리다. 시스템 반도체도 인지를 위해서는 뉴럴프로세서유닛(NPU)·텐서프로세싱유닛(TPU) 등과 같은 액셀러레이터가 필요하고, 그래픽처리장치(GPU)·중앙처리장치(CPU) 등 반도체 설계자산(IP) 엔진이 요구된다.

칩 전체 구동을 제어하기 위해 IP 엔진과 연동된 소프트웨어(SW) 운용체계(OS) 역시 필수다. 동시에 칩 기능에 맞는 하드웨어(HW) 아키텍처 구성이 필요하다. 내부엔 센서와 아날로그 회로 및 디지털 회로가 아키텍처에 맞게 설계되고, 파운드리 과정을 거쳐 비로소 칩이 탄생한다. 반도체 칩은 특정 응용제품에 맞는 다양한 SW가 탑재된다. 이를 통해 완성된 시스템이 자의적으로 동작할 수 있다. 시스템 반도체 설계는 이처럼 모든 응용기기에 부가가치를 만든다. 아이디어를 구현하는 수단으로서 탄탄하게 구축돼야 비로소 제조 산업이 부흥할 수 있다.

시스템 반도체 산업은 무엇인가. 시스템 반도체를 만드는 생태계 전반을 말한다. 시스템 반도체 칩을 설계하는 팹리스와 재이용 가능한 기능의 블록을 설계하는 IP 개발업체, 반도체 제조 공장에 맞게 설계 서비스를 하는 시스템 솔루션업체, 여러 반도체 공정을 거쳐 최종 웨이퍼 형태의 칩을 만드는 파운드리업체, 칩을 테스트하고 패키징해 주는 OSAT업체 등이 있다. 여기에 소재·장비·부품(소부장) 업체가 시스템 반도체 칩을 만들기 위해 필요하다. 이 가운데 시스템 반도체 설계업체, IP 개발업체, 시스템 솔루션업체로 구성된 산업이 반도체 설계 산업으로 볼 수 있다.

우리나라 메모리 반도체 산업은 세계 시장점유율 60~70%를 차지할 정도로 미세 공정 기술이 세계 최고다. 초격차를 유지하며 시장을 리딩하고 있다. 파운드리 사업에서도 오는 2030년 세계 1위를 목표하고 있다.

우리나라 시스템 반도체 설계 산업은 어떠한가. 세계적 팹리스 업체를 살펴보면 퀄컴, 엔비디아, 브로드컴, 미디어텍, AMD 등 연매출 5조원 이상 기업이다. 세계 톱10에 대만 기업이 3개나 차지했다. 이는 대만 TSMC와 UMC 파운드리를 기반으로 대만 팹리스 생태계가 활성화됐기 때문이다. 벤치마킹해야 할 대상이다. 시스템 반도체 파운드리 부족 문제를 시장 논리에 맡기면 팹리스 업체가 살아남기 어렵다. 정부와 산업계의 지원이 절실하다.

시스템 반도체 설계 분야는 4차 산업혁명과 맞물려 엄청난 기회를 맞았다. 10년 동안 세계 기술 트렌드는 인공지능(AI), 자율주행, 전기자동차, 데이터센터, 컴퓨팅, 가상현실(VR)·증강현실(AR), 메타버스 분야로 진화해 나갈 것이다. 4차 산업혁명은 따져보면 이면에는 AI 기능을 극대화하는 시스템 반도체 칩을 기반으로 하고 있다. 각 시스템 반도체 칩을 응용 제품에 적용하기 위해서는 SW 기술이 필수다. 어떤 응용 제품의 기능과 성능은 시스템 반도체 칩으로부터 나온다. 칩은 팹리스가 기획·설계해서 만든다.

그렇지만 우리 시스템 반도체 설계 산업은 매우 허약하다. 그나마 유지하고 있는 뿌리도 흔들리고 있다. 시스템 반도체 설계 분야 교수가 해마다 줄고 있다. 석박사 졸업생도 매년 감소하고 있다. 반면에 애플, 아마존, 구글, 테슬라와 같은 글로벌 완성품 업체는 시스템 반도체 칩을 자체 설계하기로 했다. 시스템 반도체 칩 설계의 부가가치가 얼마나 있는 산업인지를 단적으로 말해 준다.

시스템 반도체 산업은 메모리 산업과 비교해도 3배 정도 크다. 4차 산업혁명과 더불어 고도 성장할 것이다. 기술 흐름을 대기업이 모두 커버하기엔 너무나 많고 다양한 시스템 반도체 칩이 필요하다. 정보기술(IT) 산업 특성상 새로운 기술이 요구되는 생태계에선 대기업뿐만 아니라 많은 기술 스타트업 기업과 중소·중견 기업이 필요하다.

향후 10년은 과거 10년과는 비교가 안 될 정도의 생활과 산업 생태계 전반에 많은 변화가 있을 것이다. 어느 국가가 혁신적 IT 변화에 잘 대응해 나갈 것인가. 그것은 어느 나라가 고부가가치 시스템 반도체 설계 산업을 활성화하는지에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 우리는 시스템 반도체 설계 산업 전반을 어떻게 혁신할 수 있는지, SW 산업과 함께 산업계와 정부·국회가 심각하게 고민해야 하는 시점이다.

이서규 한국시스템반도체포럼 회장 / 픽셀플러스 대표 [email protected]

[집콕]시스템 반도체 설계(하드웨어 시스템즈)

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