집적 회로
集積 回路
Integrated Circuit; IC
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세계 최초의 집적 회로. 저 사진에 보이는 세계 최초의 집적 회로는 트랜지스터 1개와 그걸 보조해주는 소자를 합친 것이다.
집적 회로는 특정 기능을 수행하는 전기 회로와 반도체 소자(주로 트랜지스터)를 하나의 칩에 모아 구현한 것이다. 1958년, 텍사스 인스트루먼트에서 일하던 잭 킬비가 만들었다. 잭 킬비는 이 공로를 인정받아 2000년에 노벨 물리학상을 공동 수상한다.
수많은 트랜지스터가 포함된 회로를 현미경적 크기로 축소함으로써 컴퓨터의 크기를 획기적으로 소형화하였으며 소모되는 전력도 크게 감축시켰다. 이는 컴퓨터의 처리능력 향상으로 이어졌으며 오늘날의 정보기술 혁명은 모두 집적 회로 덕분이라 해도 전혀 과언이 아니다.
2020년 기준으로 컴퓨터의 CPU는 대개 20억~400억 개의 트랜지스터를 포함한 집적 회로로 구성되어 있으며, 만약 집적 회로 없이 트랜지스터 100억개를 일반 회로(분리형 회로, discrete circuit)에 얹으려면 약 100 헥타르, 즉 1 km²의 면적의 회로 기판이 필요할 것이다.[1]
집적회로는 1960년도부터 생긴 개념이고 그동안의 기술이 많이 바뀐 관계로 제작 방법과 소재 등이 많이 바뀌었다. 그중 대표적인 것들을 적어보면 이렇다.
하나의 칩에 들어있는 소자(저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드 등이 있지만, 주로 트랜지스터)의 갯수에 따라 아래와 같이 분류한다. 하지만 업계에서 이렇게 구분하는 경우는 거의 없다. 어지간한 고성능 칩들은 이미 소자수가 수억~수십억 단위를 찍는 터라…
정보를 저장하기 위한 집적회로이다. 트랜지스터 및 커패시터[2]로 구성된 회로인 '''단위 셀'''을 2차원[3]으로 무수히 배열한 형태로 이루어져 있다.
정보를 계산하고, 변환하고, 신호를 감지하는 등 특정한 기능을 수행하기 위한 집적회로이다. 위에 서술한 메모리 반도체를 제외한 모든 IC가 이 분류에 속한다.
집적회로의 초창기, 즉 위에 나온 LSI, VLSI 등의 용어가 현역으로 사용되던 시절에는 회로를 종이에 그리고, 이를 트레이싱 페이퍼에 본뜬 뒤 포토 에칭이라는 고색창연한 기술을 이용해 집적회로를 만들었다. 이처럼 손으로 레이아웃을 그리며 설계하던 시대는 80년대에 이미 끝났으며, 이후부터는 전적으로 코딩으로 설계한다. HDL(Hardware Description Language)라는 특수한 프로그래밍 언어를 사용하며, 합성(synthesis)[4]이라는 과정을 통해 넷리스트[5]로 변환하고, 이를 블록 단위로 실제 칩 다이에 배치하는 레이아웃 과정을 거친다.
HDL은 대표적으로 Verilog와 VHDL이 있는데 업계의 대세는 Verilog. 회로의 동작 구조를 프로그래밍 언어로 추상화하는 것인데, 합성을 통해 결국은 디지털 회로로 치환되어야 하므로 소프트웨어 프로그래밍과는 감각이 상당히 다르다. 코드를 봤을 때 회로의 구조가 눈에 안 들어오면 일반적으로 나쁜 코딩 스타일로 본다. 아무리 합성 툴의 최적화가 좋다고 하더라도 어떤 회로가 될지 모르면 생각지도 않은 곳에서 버그가 튀어나올 수 있다.
하드웨어 버그는 소프트웨어 버그와는 차원이 다른 문제이기 때문에, 설계도 굉장히 보수적으로 이루어진다.[6] 보통 전혀 새로운 모듈을 넣는 경우, 기존의 것도 남겨두고 레지스터 프로그래밍을 통해 둘 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 구조를 만들고, 새 모듈이 새 제품에서 검증된 이후에야 다음번 제품에서 기존 모듈을 제거하는 식... 개발 단계에서는 당연히 모듈, IP, 칩 레벨에서 이중, 삼중으로 검증팀이 테스트한다. 검증팀이 설계팀보다 인력이나 자원이 더 많이 들어갈 정도. 칩의 구조 자체도 몇겹의 대응 구조를 둘러서 만든다. 핀의 극성(0/1)을 뒤집는 기능은 기본이고, 내부 블럭들도 왠만한 I/O에는 이러한 기능을 단다. 물론 이렇게 몇겹으로 대응체제를 갖춰도 결국은 엔지니어들이 하는 일이라 버그가 한두개씩은 제품까지 흘러나간다. 그런 식으로 개발은 됐지만 버그 때문에 완제품까지 못 가고 통편집당한 기능은 CPU/GPU 개발사에 부지기수이다.
2010년대부터 공정의 미세화와 이에 따른 누설전류의 폭증[7]으로 저전력 설계의 중요성이 대두되어서, 사용하지 않는 회로는 클럭을 끈다던지(clock gating), 전원을 끊다던지(power gating), 칩 곳곳에 사용량 측정 회로(activity monitor)를 심어두고 사용량이 낮은 곳은 클럭/전압을 최대한 내린다던지(DPM: dynamic power management)하는 각종 눈물나는 노력이 이어지는 중이다.
집적회로의 제조를 위해서는 팹이라는 생산 공장이 필요하다. 이 팹을 소유하고 운영하는 데에만 주력하는 업체를 파운드리라고 한다.
Integrated Circuit; IC
[image]
세계 최초의 집적 회로. 저 사진에 보이는 세계 최초의 집적 회로는 트랜지스터 1개와 그걸 보조해주는 소자를 합친 것이다.
1. 정의
집적 회로는 특정 기능을 수행하는 전기 회로와 반도체 소자(주로 트랜지스터)를 하나의 칩에 모아 구현한 것이다. 1958년, 텍사스 인스트루먼트에서 일하던 잭 킬비가 만들었다. 잭 킬비는 이 공로를 인정받아 2000년에 노벨 물리학상을 공동 수상한다.
2. 장점
수많은 트랜지스터가 포함된 회로를 현미경적 크기로 축소함으로써 컴퓨터의 크기를 획기적으로 소형화하였으며 소모되는 전력도 크게 감축시켰다. 이는 컴퓨터의 처리능력 향상으로 이어졌으며 오늘날의 정보기술 혁명은 모두 집적 회로 덕분이라 해도 전혀 과언이 아니다.
2020년 기준으로 컴퓨터의 CPU는 대개 20억~400억 개의 트랜지스터를 포함한 집적 회로로 구성되어 있으며, 만약 집적 회로 없이 트랜지스터 100억개를 일반 회로(분리형 회로, discrete circuit)에 얹으려면 약 100 헥타르, 즉 1 km²의 면적의 회로 기판이 필요할 것이다.[1]
3. 분류
3.1. 제작구성에 따라
집적회로는 1960년도부터 생긴 개념이고 그동안의 기술이 많이 바뀐 관계로 제작 방법과 소재 등이 많이 바뀌었다. 그중 대표적인 것들을 적어보면 이렇다.
- 트랜지스터-다이오드 로직 - 바로 위에 보이는 사진의 집적회로가 이 구성이다.
- TTL- 트랜지스터-트랜지스터-로직. 말그대로 트랜지스터와 트랜지스터를 이어붙어서 만든 집적회로.7400 시리즈 집적회로로 유명하다.
- CMOS
3.2. 집적도에 따라
하나의 칩에 들어있는 소자(저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드 등이 있지만, 주로 트랜지스터)의 갯수에 따라 아래와 같이 분류한다. 하지만 업계에서 이렇게 구분하는 경우는 거의 없다. 어지간한 고성능 칩들은 이미 소자수가 수억~수십억 단위를 찍는 터라…
- LSI (Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 1000개 ~ 10만개인 경우.
- VLSI (Very Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 10만개 ~ 100만개인 경우.
- ULSI (Ultra Large Scale Integration): 하나의 칩에 들어가 있는 소자의 수가 100만개 이상인 경우.
3.3. 기능에 따라
3.3.1. 메모리 반도체
정보를 저장하기 위한 집적회로이다. 트랜지스터 및 커패시터[2]로 구성된 회로인 '''단위 셀'''을 2차원[3]으로 무수히 배열한 형태로 이루어져 있다.
3.3.2. 비메모리 반도체
정보를 계산하고, 변환하고, 신호를 감지하는 등 특정한 기능을 수행하기 위한 집적회로이다. 위에 서술한 메모리 반도체를 제외한 모든 IC가 이 분류에 속한다.
4. 설계
집적회로의 초창기, 즉 위에 나온 LSI, VLSI 등의 용어가 현역으로 사용되던 시절에는 회로를 종이에 그리고, 이를 트레이싱 페이퍼에 본뜬 뒤 포토 에칭이라는 고색창연한 기술을 이용해 집적회로를 만들었다. 이처럼 손으로 레이아웃을 그리며 설계하던 시대는 80년대에 이미 끝났으며, 이후부터는 전적으로 코딩으로 설계한다. HDL(Hardware Description Language)라는 특수한 프로그래밍 언어를 사용하며, 합성(synthesis)[4]이라는 과정을 통해 넷리스트[5]로 변환하고, 이를 블록 단위로 실제 칩 다이에 배치하는 레이아웃 과정을 거친다.
HDL은 대표적으로 Verilog와 VHDL이 있는데 업계의 대세는 Verilog. 회로의 동작 구조를 프로그래밍 언어로 추상화하는 것인데, 합성을 통해 결국은 디지털 회로로 치환되어야 하므로 소프트웨어 프로그래밍과는 감각이 상당히 다르다. 코드를 봤을 때 회로의 구조가 눈에 안 들어오면 일반적으로 나쁜 코딩 스타일로 본다. 아무리 합성 툴의 최적화가 좋다고 하더라도 어떤 회로가 될지 모르면 생각지도 않은 곳에서 버그가 튀어나올 수 있다.
하드웨어 버그는 소프트웨어 버그와는 차원이 다른 문제이기 때문에, 설계도 굉장히 보수적으로 이루어진다.[6] 보통 전혀 새로운 모듈을 넣는 경우, 기존의 것도 남겨두고 레지스터 프로그래밍을 통해 둘 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 구조를 만들고, 새 모듈이 새 제품에서 검증된 이후에야 다음번 제품에서 기존 모듈을 제거하는 식... 개발 단계에서는 당연히 모듈, IP, 칩 레벨에서 이중, 삼중으로 검증팀이 테스트한다. 검증팀이 설계팀보다 인력이나 자원이 더 많이 들어갈 정도. 칩의 구조 자체도 몇겹의 대응 구조를 둘러서 만든다. 핀의 극성(0/1)을 뒤집는 기능은 기본이고, 내부 블럭들도 왠만한 I/O에는 이러한 기능을 단다. 물론 이렇게 몇겹으로 대응체제를 갖춰도 결국은 엔지니어들이 하는 일이라 버그가 한두개씩은 제품까지 흘러나간다. 그런 식으로 개발은 됐지만 버그 때문에 완제품까지 못 가고 통편집당한 기능은 CPU/GPU 개발사에 부지기수이다.
2010년대부터 공정의 미세화와 이에 따른 누설전류의 폭증[7]으로 저전력 설계의 중요성이 대두되어서, 사용하지 않는 회로는 클럭을 끈다던지(clock gating), 전원을 끊다던지(power gating), 칩 곳곳에 사용량 측정 회로(activity monitor)를 심어두고 사용량이 낮은 곳은 클럭/전압을 최대한 내린다던지(DPM: dynamic power management)하는 각종 눈물나는 노력이 이어지는 중이다.
5. 제조
집적회로의 제조를 위해서는 팹이라는 생산 공장이 필요하다. 이 팹을 소유하고 운영하는 데에만 주력하는 업체를 파운드리라고 한다.
6. 관련 회사
7. 쓰임새
8. 종류
[1] 대략 여의도 삼분의 일 면적이다.[2] DRAM의 경우이다.[3] 요즘엔 3차원으로도 한다.[4] 프로그램 코드의 컴파일과 유사한 개념이다.[5] 트렌지스터, 셀(팹에서 제공하는, 해당 공정이 지원하는 설계의 최소 단위들로 이루어진 라이브러리)와 전선(wire)으로만 구성된 설계도이다.[6] 일단 하드웨어가 제품에 탑재되면, 그 하드웨어가 어떤 문제를 일으켜도 교체할 방법도 없고 동작을 바꿀 방법도 없다. 그냥 제품을 통째로 버리는 수 밖에...[7] 2019년 기준 시판되는 최신 CPU/GPU의 소자들은 동작(스위칭)할 때의 전력과 대기상태의 전력소모가 별 차이 없을 정도로 누설전류가 많다. 자동차로 치면 공회전 할때랑 시속 100키로러 달릴 때랑 연료 소모가 비슷한 셈이다.. 더군다나 이건 공정 자체의 문제이므로 미세화를 포기하지 않는 한 어떻게 할 수가 없다!