디지털 IC 레이아웃 설계는 단순한 회로 배치 작업이 아니라, 전기적 성능, 공정 규칙, 전력 효율, 신호 무결성까지 모두 고려해야 하는 고도화된 종합 설계 활동입니다. Chapter1에서는 디지털 레이아웃의 기본 개념부터 설계 흐름, 툴 체인, 각 단계별 전략과 검증까지 핵심 내용을 총체적으로 정리해왔습니다.
이번 마지막 글에서는 지금까지 다룬 내용을 단계별로 정리하면서, 실제 반도체 설계 프로젝트에서 어떻게 하나의 유기적인 플랜으로 연결되는지를 시나리오 기반의 마스터 플랜으로 종합 정리합니다. 이를 통해 독자는 단편적인 기술이 아닌 전체 설계의 ‘흐름’을 꿰뚫는 전략적 시야를 확보할 수 있습니다.
1. 전체 설계 흐름 요약 및 역할 정리
디지털 레이아웃 설계는 다음과 같은 8단계 주요 흐름으로 구성되며, 각 단계는 이전 단계의 결과물을 기반으로 설계 품질을 점진적으로 완성해 갑니다:
- RTL 설계 및 시뮬레이션: Verilog/VHDL 언어로 기능을 명세하고, 시뮬레이터를 통해 로직의 기능 정확성을 사전 검증합니다. 커버리지 기반 검증도 함께 수행됩니다.
- Logic Synthesis: RTL을 표준 셀 기반의 Netlist로 변환합니다. 이 과정에서는 면적, 타이밍, 전력 등 여러 제약을 만족하도록 합성 옵티마이저가 작동합니다.
- Floorplanning: 다이 내에 블록, 매크로, I/O, 클럭 핀, 전력 링 등의 기본 위치를 계획합니다. 이는 전반적인 타이밍 구조와 배선 복잡도에 큰 영향을 줍니다.
- Placement & CTS: 표준 셀들을 배치하고, 클럭 트리를 구축합니다. 배치 시에는 타이밍 경로, 혼잡도, 전력 집중도 등을 기준으로 자동 및 수동 조정을 병행합니다.
- Routing: 모든 셀과 블록 간 신호선을 물리적으로 연결합니다. 이 과정에서 SI(신호 무결성), IR Drop, 전자 마이그레이션 등 전기적 안정성을 위한 고려가 필수입니다.
- PDN 설계: 전력 스트라이프(Power Stripe), 링(Ring), 비아(Via) 등을 적절히 배치하여 전체 회로에 안정적인 전원을 공급합니다. 전류 밀도와 배선 폭 기준을 만족시켜야 합니다.
- 물리 검증 (DRC, LVS 등): 설계 규칙(Design Rule)을 위반한 구조나 회로도와 레이아웃 간의 논리 불일치를 검출합니다. 이 결과는 Tapeout 준비에 있어 결정적 역할을 합니다.
- Signoff & GDSII 생성: 모든 분석이 완료되면 최종 설계 데이터를 제조 Fab에 전달할 GDSII 포맷으로 출력하며, 이 시점을 설계 Signoff라고 부릅니다.
이 모든 단계는 전력, 면적, 성능, 제조 신뢰성이라는 4대 요소를 균형 있게 만족시키는 것을 목표로 합니다.
2. 실제 설계 시나리오 기반 마스터 플랜 (5nm SoC 예시)
실제 프로젝트에서의 설계 흐름은 일정, 목표, 공정에 따라 다양하게 조율되며 다음과 같은 예시 시나리오로 구성될 수 있습니다:
- 설계 목표 정의: 주파수 2.5GHz, 최대 소비 전력 300mW, 총 면적 15mm² 이하
- RTL 단계: 3개월간 RTL 설계 및 시뮬레이션 반복 → 커버리지 100% 확보
- Logic Synthesis: Design Compiler 기반 합성, 초기 STA 분석 포함
- Floorplanning: PLL 및 고속 버스는 중앙에 배치, SRAM은 대각선 분산
- Placement & CTS: 타이밍 여유가 작은 경로는 수동으로 압축 배치
- Routing 단계: Shielded Routing, Detour, SI-aware Routing 적용
- PDN 설계: Metal 2~5 레이어 활용, Stripe Pitch 10μm, EM-safe via 구조 설계
- 물리 검증: DRC 0건, LVS Clean, Antenna & ERC & Density 분석 통과
- Signoff 리뷰: PrimeTime 기반 STA 결과, IR/EM/SI 보고서 정리하여 고객 리뷰
- GDSII 테이프아웃: Fab에게 Mask 제조용 데이터 제공 → 제조 공정 착수
이 플랜을 성공시키기 위해서는 EDA 툴 간의 정확한 연동, constraint의 지속적인 갱신, 결과 기반 반복 최적화가 핵심입니다.
3. 실무 설계자 관점에서의 성공 전략 5가지
- 초기 스펙 명확화: 주파수, 전력, 면적, 제조 공정 규칙 등 설계 목표를 수치화하고 문서화할 것
- 분석 피드백 루프 강화: 각 단계의 분석 결과(STA, IR, SI 등)를 다음 단계 설계 조건에 지속 반영할 것
- 자동화 vs 수동 조정의 균형: CTS, 배치, PDN 등은 자동화가 효과적이지만 고속 경로나 혼잡 구간에는 설계자의 개입이 필요함
- 툴 체인 자동화 스크립트 작성: TCL 등으로 모든 단계를 스크립팅하면 설계 반복성과 재사용성이 획기적으로 향상됨
- 검증 기반 설계 문화 내재화: “검증을 위한 설계”가 아닌 “검증을 통과하는 설계”를 지향하고, 각 분석 항목을 설계 시작부터 고려할 것
한 줄 요약
"디지털 레이아웃 설계는 분석과 최적화의 연속이며, 설계 흐름은 전략적 조율과 반복에 의해 완성된다."
다음 글 예고
👉 Chapter2부터는 각 설계 단계에서의 고급 전략과 실습 예제를 중심으로 심화 내용을 다룹니다. 예고편에서는 Chapter2의 구성과 학습 포인트를 소개합니다.