전자기기와 시스템 LSI

기사입력 2017.07.01 10:25
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1. 시스템 LSI의 효과

 

시스템 LSI기술은 실리콘 LSI 칩 위에 전자기기 시스템 전체를 집적하는 것으로 SoC(System on Chip)라고도 말하고 있다. 실제 대용량 메모리와 전원회로는 별개의 칩이 되는 경우가 많으나 다양한 기능을 Si상에 집적할 수 있는 기술을 시스템 LSI 기술이라고 하고 있다. 대규모 시스템집적은 Moore의 법칙으로 이야기되는 미세화기술 발전이 필연적인 것으로 가능해 왔으나 이에 따르는 LSI 설계기술은 대규모 시스템의 설계 검증까지 다루도록 하는 것이 종래의 부품으로서의 LSI 와는 크게 다른 점이다.


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지금까지 디지털스틸카메라(DSC), FPD, DVD 등의 디지털정보 가전기기는 수년에 걸쳐 성장을 이루어 왔으며 이러한 발전에는 시스템 LSI가 큰 역할을 하고 있다. 2000년 모델은 주로 25㎛ 프로세스를 사용하고 있으며 큰 메인보드 상에 다수의 LSI가 탑재되어 있다. 이에 대하여 2003년 모델은 주로 0.13㎛의 프로세스가 사용되고 있으며 메인보드는 적어진다. 메인 SoC는 수개의 LSI가 탑재되어 있을 뿐이다. 물론 기능과 성능은 2003년 모델이 우수하며 가격도 저렴하게 된다. 이와 같이 기능과 검증을 향상해 가며 가격 절감을 달성하고 있는 이유가 SoC 진보에 있다는 것은 한눈에 뚜렷하다. SoC기술의 발전에 따라 기능과 성능이 향상되며 LSI 전체 코스트를 저감할 수 있는 외, 기판의 간소화에 의한 EMI대책 등에 필요한 수동부품도 감소하고 검사 코스트도 절감해 주므로 SoC는 기기 전체의 코스트 절감에 큰 효과가 있다. 따라서 SoC개발은 기기 전체의 개발에서 매우 중요한 위치를 차지한다. 그림1에 전자기기의 코스트를 나타낸다. 아날로그 TV에서 반도체의 코스트 구성비는 25%정도를 점하고 있으나디지털 TV에서는 반도체의 코스트 구성비가 PC와 거의 동등한 50%정도로 증가하고 있다. 기기의 디지털화에 따라 기기의 개발 및 코스트 다운에서 반도체, 특히 시스템LSI 의 중요성이 현저히 증가하고 있음을 알 수 있으며 따라서 현재 전자기기 개발은 시스템LSI 개발을 의미하고 있는 것으로 말해도 과언이 아니다.


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2. 디지털정보 가전용 시스템 LSI 기술

 

전자기기 중에서도 디지털 LSI의 중요성이 높은 것은 디지털정보 가전분야이다. DSC, 스마트폰, 디지털TV, DVD, 등의 디지털정보 가전기기용 SoC의 중요기술은

① 초고속 영상처리기술

② 저소비 전력화기술

③ 아날로그, 디지털 복합기술

이다.

 

1) 초고속 영상처리기술

 

디지털정보 가전분야에서는 영상신호를 취급하기 위하여 데이터압축, 변환처리를 중심으로 한 초고속 신호처리 기술이 필요하다. 하이비젼 신호에서는 100GOPS정도의 처리가 필요하게 된다.

 

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범용 프로세서에서 최고 처리속도는 수GOPS이므로 1단위 이상 빠른 처리속도를 실현하지 않으면 안된다.


2) 저소비 전력화기술

 

범용프로세서 이상의 고속처리 속도가 요구되더라도 시스템 LSI에 허용되는 소비전력은 거치기기용으로 2W정도이고 휴대전화용도로는 100mW정도이다. 범용프로세서가 수십W를 소비하는 것에 비하면 2자리 이상의 저소비 전력화가 요구된다. 그림2는 최고 처리속도 10GOPS정도의 화상처리 MPEG4용 SoC의 블록도와 소프트와 하드처리에서 소비전력 비교를 나타내고 있다. 이의 LSI 소비전력은 90mW정도이며 초저소비전력으로 동작한다. 이와 같이 초저소비전력으로 동작하기 위하여 기본 신호처리는 DSP로 하고 있으나 만들어진 데이터를 한번에 처리하는 벡터파이프라인 기술과 다수의 데이터를 병렬로 처리하는 병렬처리기술, 또 특정의 반복처리의 경우는 전용연산 엔진을 설정하고 있다. 또한 특정처리의 경우는 동작이 불필요한 회로가 있을 수 있으므로 클럭게이팅을 효과적으로 걸어줄 수가 있다. 특정 처리엔진을 사용하는 경우는 통상의 프로그램 처리에 비하여 최대 6%정도, 평균 25%정도의 소비전력을 억제할 수 있다. 지금까지의 디지털정보 가전기기는 어플리케이션 특화의 아키텍처로 하고 있으므로 이러한 효과적인 저소비전력 기술을 사용할 수 있다. 그림3에 LSI 아키텍처와 처리능력 및 소비전력의 비교를 나타낸다. 가장 효율이 높은 것은 전용회로이다. 96병렬이라고 하는 고병열처리회로를 사용하면 25MHz의 동작주파수로 2.4GOPS의 고속처리를 실현하며 12mW의 초저소비전력으로 동작시킬 수가 있다. 이에 반해 범용 마이크로프로세서에서는 450MHz로 동작시켜도 0.9GOPS 정도의 처리속도 밖에 실현되지 않으나 소비전력은 7W로 크다. 따라서 규격화 전력을 W/GOPS로 하면 LSI 아키텍처에 의하여 약 3자리의 차가 있게 된다. PC처리에 비하여 디지털정보 가전용시스템 LSI의 소비전력이 훨씬 저소비전력이므로 어플리케이션 특화의 아키텍처가 사용되기 쉬운 점이다.

 

3) 아날로그, 디지털 복합기술

 

시스템을 집적하는 경우 디지털만이 아닌 아날로그 회로 부분이 필요하게 된다. 현재의 아날로그 회로는 종래와 같은 영상과 음향으로 대표되는 자연신호와의 인터페이스만이 아니고 디지털 재생기록 시스템과 디지털 네트워크에서도 필요하다. 그림4는 DVD-RAM시스템에 사용하는 아날로그, 디지털 복합처리 시스템을 보여주고 있다. DVD-RAM 시스템은 다수의 값을 가지는 디지털 기록기술을 사용하고 있으나 픽업신호는 I가 열려져 있지 않으므로 그대로 처리를 하면 많은 오차를 포함하게 되어 재생화상의 열화와 시스템의 불안정을 초래한다.


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그래서 디지털 에러 정정 기술과 디지털 이퀄라이져 기술이 사용된다. 그러나 디지털신호처리기술을 사용함에는 픽업신호를 A/D 변환하는 필요가 있으며 분해능 7비트, 최고 동작 주파수 400MHz정도의 A/D 변환기와 노이즈 신호방지 특정주파수 대역의 부스트를 하는 엑티브 필터, A/D 변환기에 입력되는 신호진폭을 일정하게 하는 가변이득 증폭기, 클록을 추출하는 PLL을 구성하는 전압제어 발진기 등의 아날로그 회로가 동시에 필요하게 된다. 따라서 아날로그, 디지털 복합신호 처리기술 및 아날로그와 디지털을 동일 칩에 집적하는 아날로그, 디지털 혼재기술이 필요하게 된다. 그림5에 DVD기기에 필요한 아날로그 및 디지털의 거의 모든 기능을 집적한 DVD용 아날로그, 디지털 복합 SoC의 칩 사진을 나타낸다. 0.13㎛의 기술을 사용하여 2400만 트랜지스터를 집적하고 있다.


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이러한 아날로그, 디지털 복합 신호처리기술 및 아날로그 및 디지털 복합기술은 각종 인터페이스와 네트워크에서도 필수가 된다. 디지털정보 가전기기는 이미 다양한 인터페이스와 네트워크 기능을 가지고 있다. 예를 들면 PC 또는 프린터 등의 주변기기와 인터페이스를 하는 USB 인터페이스와 고속시리얼 전송을 해주는 IEEE394 등의 인터페이스 외에 프로그램 데이터의 취득을 위한 MODEM과 Ethernet 기능 등이 필요하게 된다. 향후 블루투스와 무선랜 기능 등의 무선 인터페이스와 네트워크 기능이 필요하게 될 것이다. 이들은 모두 아날로그, 디지털 복합기술을 필요로 하고 있다.

 


3. 전자기기 개발과 시스템 LSI 개발

 

전자기기가 1개의 시스템 LSI와 수개의 메모리로 실현되도록 하려면 각각의 개발 방법이 달라진다. 시스템 LSI는 범용품이 아니라 시스템에 특화되어 있으므로 맞지 않으면 대용품이 없다. 따라서 기존보다 더욱 완벽한 개발이 요구된다. 그림6은 DVD제품의 사이클을 나타낸 것이다. 기존에는 1년 정도였던 제품 사이클이 3개월 정도로 단축되고 있다. 이러한 짧은 기간에 적시에 시스템 LSI를 공급할 수 없으면 반도체 측면 뿐만 아니라 기기 측면에서도 비지니스에 실패하게 된다.


통상 LSI의 부적합 태반은 시스템 검증의 준비 부족에 의한 것으로 시스템 검증에서는 정상 상태에서의 부적합보다 예외처리로서의 부적합이 많다.


한편 대규모화하는 시스템의 검증에는 장시간의 검증 시간이 필요하며 그 자체로 많은 어려움을 가지고 있다. 그래서 현재는 그림7에 나타낸 바와 같은 하드웨어 에뮬레이터를 사용함으로서 시스템을 실시간 동작에 가깝도록 하여 검증시간을 단축하고 있다.


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또 전자기기가 인터페이스의 다양화와 네트워크화에 따른 아날로그, 디지털 복합형으로 되는 것은 먼저 설명한 바와 같이 아날로그 회로의 검증은 종래 SPICE 등의 아날로그 회로 시뮬레이터로 실행하여 디지털 회로의 검증에 비하여 많은 시간을 필요로 한다. 또 아날로그 회로와 디지털 회로의 복합 시뮬레이션은 매우 어려운 것으로 알려져 왔다. 아날로그 회로는 디지털 회로에 비하여 안정성이 떨어지므로 수 회의 설계 변경을 필요로 하는 것이 상식이며, 그대로 SoC에 아날로그를 혼재하는 것은 무모하다. 따라서 아날로그 회로 혼재 만큼은 충분한 시스템검증이 필요하다. 그림8은 Verilog AMS와 MATLAB을 사용한 ADSL용 시스템 LSI의 시스템 검증을 나타내고 있다.


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실제로 회로설계에 들어가기 전에 아날로그, 디지털 복합기능 기술언어인 Verilog AMS를 소프트 DSP로 한다. 이것을 사용하여 아날로그, 디지털 복합신호처리 회로를 기능 기술하고 있다. 이것을 가상적인 LSI로 하여 MATLAB을 소프트DSP로 한다. 이것을 사용하는 ADSL에 필요한 OFDM신호를 만들어 내어 케리어 홀 등 ADSL로서 필요 성능을 만족하는가를 검증함으로서 설계 완성도를 높이고 단시간에 확실한 설계를 할 수가 있다.


현재는 기기 시스템 설계와 시스템 LSI 설계를 완전히 동시처리 하는 것이 성공의 조건이다. System IC 등의 대규모 시스템의 소프트, 하드 통합디자인이 가능한 시스템 기술언어를 사용하여 시스템을 설계하는 방향으로 가고 있으므로 향후 더욱 더 아날로그 대응 등도 실행되어 시스템 설계와 시스템 LSI 설계는 완전히 일체가 될 것이다.  


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