디지털 레이아웃 설계에서 Routing(배선)은 회로 내에서 논리적으로 연결된 셀들 간의 신호선을 실제 물리적인 배선으로 구현하는 작업입니다. 이 단계는 단순히 회로 요소를 선으로 연결하는 수준을 넘어, 정밀한 타이밍 제어, 전력 손실 최소화, 신호 간섭 방지, 배선 공간 최적화 등 다양한 설계 요소를 균형 있게 만족시켜야 하는 고도화된 물리 설계 과정입니다.
Placement 단계에서 배치된 표준 셀(Standard Cell)들 간의 연결 정보를 기반으로, Routing은 실리콘 다이 위에서 다층 금속 배선층(Metal Layer)을 활용해 실제 신호 흐름을 구성합니다. 이는 GDSII 레이아웃의 완성도를 결정하는 핵심 공정 중 하나이며, 레이아웃 설계의 마지막에 위치한 만큼 오류 발생 시 전체 설계 일정에 심각한 영향을 줄 수 있습니다.
이번 글에서는 Routing의 기본 원리, 단계별 절차, 설계 품질에 미치는 영향, 고급 전략과 검증 기법까지 전반적인 내용을 심화된 시각으로 살펴봅니다.
1. Routing의 단계와 설계 흐름
Routing은 전체 배선 과정을 크게 두 단계로 구분합니다:
● Global Routing (전역 배선)
- 배선의 대략적인 경로 설정과 Metal Layer 간의 배선 우선순위 결정
- Net Congestion Map 분석을 통해 고밀도 구간 예측 및 분산 배치 전략 수립
- 블록 간 주요 경로에 대한 물리적인 프레임워크 설정
● Detailed Routing (세부 배선)
- 각 Net을 실제로 배치하고 연결
- Design Rule Check(DRC)를 기반으로 배선 간 최소 간격, 폭, 비아(Via) 개수 등을 고려한 배치
- 셀 간 채널 및 배선 Track 수를 기준으로 세밀한 경로 계산 수행
Routing 단계는 CTS(Clock Tree Synthesis) 이후에 수행되며, 최종적으로 생성되는 GDSII 파일에는 이 배선 구조가 직접 반영됩니다. 따라서 이 과정의 품질은 설계 전체의 신뢰성과 직결됩니다.
2. Routing이 설계 품질에 미치는 핵심 영향
배선은 단순한 연결이 아닌, 설계 전반에 걸친 성능과 안정성에 중요한 영향을 미칩니다. 다음은 주요 영향 요소들입니다:
- 타이밍 지연 증가: 배선이 길어지거나 비아가 과도하게 많아질 경우 propagation delay가 증가하여 타이밍 경로의 여유(Slack)를 감소시킴
- IR Drop 유발: 전력 공급선(Power Rail)이 얇거나 길 경우 전압 강하 발생 가능성 증가
- SI 문제 발생: Crosstalk, Overshoot, Undershoot 등 신호 간 간섭이 생기기 쉬움
- 배선 혼잡도 증가: 레이아웃 면적이 불균형하게 사용되어 Congestion이 생기고, Timing Closure가 어려워짐
Routing은 설계 완료 직전에 수행되는 마지막 단계이기 때문에, 이전 단계에서 발생한 구조적 비효율도 모두 이 시점에서 드러나게 됩니다. 따라서 Routing 품질은 곧 설계 전반의 조율 완성도를 의미합니다.
3. 고급 Routing 전략 및 사례
고속 디지털 회로나 저전력 모바일 SoC와 같이 복잡한 회로 구조에서는 고급 배선 전략이 반드시 필요합니다. 다음은 실무에서 자주 활용되는 Routing 기법입니다:
● Multi-layer Routing
- Metal 1~Metal 10 이상의 배선층을 활용
- 하위 레이어(M1
M3)는 로컬 배선 및 전력망에, 상위 레이어(M6M10)는 장거리 신호나 클럭 라인에 사용해 간섭 최소화
● Shielding 및 Guard Rings
- 중요한 신호선을 GND로 감싸 Crosstalk 방지
- 고속 클럭 경로나 Reset 라인, 아날로그 영역에 많이 적용
● Wire Spreading & Detouring
- 배선 간의 간격 확보를 통해 SI 향상
- 혼잡 지역을 피하는 우회 배선 기법으로 타이밍 개선 효과
● ECO Routing
- ECO(Engineering Change Order)가 발생한 경우, 최소 변경으로 기존 레이아웃을 유지하면서 배선을 업데이트
- 빠른 테이프아웃 대응에 유리
● Track Assignment Optimization
- 동일 Metal Layer 내에서 배선이 교차하지 않도록 경로를 최적 배분하여 밀도 향상
이러한 전략들은 자동 배선 도구로는 구현이 어렵거나 비효율적인 경우가 많기 때문에, 설계자가 직접 Constraint 설정 혹은 수동 개입 방식으로 조율하는 경우가 많습니다.
4. Routing 이후의 필수 검증 항목 및 품질 분석
Routing이 완료되면, 테이프아웃 전에 다음과 같은 검증 작업을 반드시 수행해야 합니다:
- DRC (Design Rule Check): 공정별 최소 배선 폭, 간격, 비아 규칙 위반 여부 확인
- LVS (Layout vs Schematic): 실제 배선과 Netlist 회로도의 구조적 일치성 검증
- RC Extraction: 배선에 포함된 저항 및 정전용량 정보 추출 → 타이밍 분석 및 SI 평가에 활용
- EM/IR 분석: 배선의 전자 마이그레이션(Electromigration) 가능성과 IR Drop 위험도 예측
- SI 분석 (Signal Integrity): 신호 간 간섭 및 노이즈에 대한 정량적 평가
이러한 분석 결과는 다시 STA(Static Timing Analysis) 및 Power Analysis와 연계되어 전체 설계의 Signoff 요건 충족 여부를 결정짓습니다.
한 줄 요약
"Routing은 단순한 연결이 아닌, 물리적 정확도와 전기적 안정성을 동시에 충족시켜야 하는 고난이도 종합 설계 기술이다."
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