SoC(System on a Chip): 더 작고 빠른 기기를 제작하는 방법

전자제품에서 기본적인 목적은 "더 높은 성능, 더 적은 소비 전력, 더 작은 점유 공간"입니다. 특히 태블릿이나 스마트폰과 같은 휴대용 기기에서 매우 복잡한 기술은 가능한 한 가장 작은 공간을 점유하고 최소한의 전력만 사용해야 합니다. 빠르고 작은 기기를 제작하기 위해 엔지니어는 필요한 모든 구성 요소를 SoC(System on a Chip)라고 하는 단일 패키지로 통합하여 여러 집적 회로의 필요성을 없앱니다.

SoC(System on a Chip)란 무엇입니까?

칩의 시스템은 시스템의 모든 필수 구성 요소를 하나의 실리콘 조각으로 압축하는 집적 회로입니다. SoC는 별도의 대형 시스템 구성 요소를 필요로 하지 않으므로 회로판 설계를 단순화하여 시스템 기능을 손상시키지 않으면서 전력과 속도를 향상시킬 수 있습니다. SoC에 포함되는 구성 요소는 다음과 같을 수 있습니다.

• 데이터 처리 장치
• 임베디드 메모리
• 그래픽 처리 장치(GPU)
•  USB 인터페이스
• 비디오 및 오디오 처리 장치

소형 SOC는 데이터 센터, 인공 지능(AI), 고성능 컴퓨팅(HPC)과 같은 유선 응용 분야에서 휴대폰 및 웨어러블과 같은 배터리 구동 장치에 이르기까지 다양한 시장에서 필수적인 솔루션이 되었습니다.

SoC의 역사

일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 소형 기기를 살펴보다 보면 SoC가 모든 기기에 포함되지 않았던 시대를 상상하기가 어렵습니다. 하지만 1970년대에야 전체 시스템을 하나의 마이크로칩에 장착한다는 개념이 처음으로 현실화되었습니다.

1970년대: 컴퓨터 역사 박물관에 따르면 1974년에 최초의 SoC가 LCD 시계에 등장했습니다. 당시까지 마이크로프로세서는 외부 칩의 지원을 필요로 했던 독립형 칩이었습니다.

1980년대/90년대 반도체 제조 기술의 발전으로 단일 칩에 더 많은 구성 요소를 통합할 수 있게 되었습니다. 혼합 신호 통합을 통해 칩은 아날로그 및 디지털 신호를 모두 처리할 수 있게 되었습니다.

2000~2010년대: SoC는 Wi-Fi, Bluetooth 및 셀룰러 모뎀을 통합하여 모바일 기기에 무선 통신을 제공하기 시작했습니다. 강력한 프로세서와 그래픽 기능이 추가됨에 따라 스마트폰으로 새로운 생활 방식을 갖게 되었습니다. 

현재: SoC는 점점 더 전문화되고 있으며 모바일 기기를 넘어서 자동차 시스템, 웨어러블 기기, 산업 자동화 등에도 사용되고 있습니다. 새로운 기능으로는 인공 지능(AI), 머신 러닝(ML), 엣지 컴퓨팅 등이 있습니다.

SoC(System on a Chip) 응용 분야

SoC는 고도로 전문화된 요구 사항에 따라 맞춤화할 수 있으므로 어린이용 장난감과 초인종 카메라에서 산업용 엔진에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. SoC 용도의 예는 다음과 같습니다.

• 모바일 기기: SoC는 스마트폰과 태블릿에 무선 연결 및 멀티미디어 기능을 통합합니다.
• 자동차 시스템: 모든 유형의 차량은 SoC를 사용하여 내비게이션 시스템, 센서 인터페이스, 인포테인먼트 시스템 및 위험 방지 시스템을 지원합니다.
• 사물 인터넷(IoT): 저전력 사용 사례에서 매우 효율적인 SoC는 웨어러블 및 스마트 홈 모니터와 같은 IoT 기기에서 널리 사용됩니다.
• 네트워킹 장비: 라우터, 스위치 및 네트워크 어플라이언스에서 SoC는 효율적인 데이터 라우팅을 위해 패킷 처리 기능, 보안 기능 및 특수 구성 요소를 통합합니다.
• 가전제품: SoC는 게임 콘솔, 디지털 미디어 플레이어 등의 다양한 일반 멀티미디어 기기에 그래픽 처리 성능과 연결을 제공합니다.
• 산업용 응용 분야: SoC는 실시간 처리, 연결 및 인터페이스 기능을 지원하여 효율적이고 지능적인 산업 솔루션에 기여합니다.
• 의료 기기: SoC는 환자 모니터링 시스템, 진단 장비 및 이식형 기기의 처리 성능과 연결을 향상시켜 환자 진료를 개선하는 데 도움을 줍니다.

SoC 설계: 장정 및 단점

여러 구성 요소를 하나의 칩에 통합하면 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 SoC가 특정 기기에 적합한 솔루션인지 결정할 때는 이러한 이점을 복잡한 설계의 문제와 비교해야 합니다.

SoC(System on a Chip)의 장점

1. 공간 최적화: SoC는 여러 개의 개별 구성 요소보다 공간을 적게 차지하므로 더 작은 기기를 설계할 수 있습니다.
2. 전력 효율성: 대형 구성 요소 및 회로를 SoC로 교체하면 전력 소비량이 크게 감소하고 필요한 전력, 성능 및 점유 면적(PPA) 지표를 달성할 수 있습니다.
3. 경제성 향상: 단일 SoC 칩은 여러 개의 개별 칩 세트를 사용하는 경우보다 저렴합니다.
4. 신뢰성: 단일 SoC는 연결이 더 적기 때문에 기판을 통해 연결된 여러 부분의 시스템보다 훨씬 더 안정적입니다.
5. 성능: 신호가 칩에 구현되어 있기 때문에 SoC는 여러 부분으로 구성된 솔루션보다 더 높은 성능과 속도를 제공할 수 있습니다.

SoC(System on a Chip)의 단점

1.  단일 장애 지점: 모든 구성 요소가 하나의 칩에 들어 있기 때문에 단일 구성 요소의 장애가 전체 시스템에 영향을 미칩니다(업그레이드도 제한함).
2. 출시 기간: 상용 구성 요소와 비교할 때 맞춤형 SoC를 설계하려면 전문성과 특수한 툴이 필요하여 개발 시간과 비용이 늘어납니다. 이러한 높은 비용은 SoC 시장이 해당 비용을 흡수할 만큼 충분히 큰 경우에만 회수할 수 있습니다.
3. 아날로그/디지털 혼합: SoC의 모든 구성 요소는 단일 공정 기술로 제조되므로 아날로그 섹션에 최적의 기술을 사용할 수 없습니다. 따라서 아날로그 성능이 저하되므로 SoC는 디지털 응용 분야에 더 적합합니다.
4. 유연성: SoC는 의도한 작업에는 이상적이지만 다른 작업에 적용하기에는 범위가 제한적입니다.

SoC(System on a Chip) 설계 흐름

집적 회로와 유사하게 SoC(System on a Chip)를 위한 설계 워크플로에는 계획, 개선 및 생산을 위한 여러 단계가 포함됩니다. 각 단계에서 시스템 설계자, 설계 엔지니어 및 제조업체를 비롯한 전문가들이 협업해야 합니다. SoC 설계 흐름의 주요 이정표는 다음과 같습니다.

1. 사양: SoC의 원하는 기능을 명확하게 정의합니다. 응용 분야, 성능 목표, 전력 제한 등은 무엇입니까?
2. 논리적 설계: HDL(Hardware Description Language)로 원하는 동작을 기술하고 기능 동작을 시뮬레이션하여 올바르게 작동하는지 확인합니다.
3. 논리 합성: HDL 동작 기술을 트랜지스터 요소 및 상호 연결의 목록("netlist")으로 자동 변환합니다.
4. 물리적 설계: 적절한 트랜지스터 구성 요소를 선택하고 실리콘상의 물리적 위치 및 구성 요소 간의 상호 연결 와이어 궤적을 결정합니다.
5. 사인오프: Ansys RedHawk-SC와 같은 검증 소프트웨어를 사용하여 설계를 분석하고 검증하여 적절한 기능 및 성능을 보장합니다. 레이아웃이 모든 제조 적합성 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 칩은 수리할 수 없으므로 설계에 오류가 있는 경우 제조된 칩은 모두 폐기하고 설계를 수정해야 합니다. 따라서 제조를 진행하기 전에 점검하고 확인하는 것이 중요합니다.
6. 테이프아웃: 레이아웃의 포토마스크를 생성하기 위한 최종 그래픽 파일을 생성하고 제작을 위해 제조업체에 보냅니다.
7. 테스트 및 패키징: 테스트를 통해 SoC가 사양에 따라 제공되고 바로 사용할 수 있는지 확인합니다. 그런 다음 실리콘 칩을 보호 패키지로 캡슐화합니다.

SoC 설계 및 시뮬레이션

점점 더 까다로워지는 공간에서 더 스마트하고 더 빠른 전자제품을 요구하는 수요로 인해 SoC 혁신의 필요성은 계속 증가할 것입니다. 시장 수요를 충족하기 위해 SoC가 점점 더 복잡해짐에 따라 설계 엔지니어는 이러한 칩을 설계하고 검증하는 공식화된 접근 방식을 따라야 합니다. 시뮬레이션은 필요한 설계 및 제조 사양을 충족하는 성공적인 SoC 설계를 생성하는 데 중요한 역할을 합니다. 전력 공급 네트워크는 점점 더 복잡해지고 있으며, 저전력 우려 사항으로 인해 공급 전압이 감소되고 있습니다. 따라서 신호 무결성 및 전원 무결성에 대한 설계의 승인이 매우 중요합니다.

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