디지털 회로 설계에서 고밀도 집적, 고속 동작, 신뢰성 확보를 동시에 만족시키기 위해서는 레이아웃의 물리적 규칙이 매우 중요합니다. 이때 사용되는 가장 기본적인 개념이 바로 Grid-Based Design(그리드 기반 설계)입니다. 그리드 시스템은 셀 배치, 배선, 비아 생성, 금속 간 간격 등 모든 요소의 기준점을 정해주는 좌표 프레임워크로서, 일관된 설계 품질과 배치 정합성을 유지하는 핵심 역할을 합니다.
이번 글에서는 그리드 기반 설계의 개념과 목적, 표준 셀 레이아웃과의 관계, 그리고 공정 기술 노드에 따른 그리드 정의 방식과 실무 활용 전략까지 정리해봅니다.
1. 그리드 기반 설계란?
그리드 기반 설계는 설계 요소들이 정해진 좌표 격자(Grid Point) 상에서만 배치 및 연결되도록 제한하는 설계 방식입니다. 이 격자는 반도체 공정에서 허용되는 최소 배선 폭과 간격, 비아 크기 등을 기반으로 정의됩니다.
그리드 설계의 주요 목적:
- 배선 정합성 확보 (셀 간, 레이어 간 간섭 방지)
- DRC 에러 방지 (Design Rule 위반 최소화)
- 자동화 설계의 정확도 및 일관성 향상
- 배선 도구 및 물리 검증 툴과의 호환성 확보
그리드에 맞춰 모든 셀과 핀, 비아, 금속 선을 배치함으로써 설계 전반에 걸쳐 공정 호환성과 레벨 간 일치성이 유지됩니다.
2. 표준 셀과 그리드의 정렬 관계
표준 셀은 고정된 Row Height와 정렬된 핀 구조를 갖기 때문에, 그리드와의 일치가 매우 중요합니다. 일반적으로 다음과 같은 방식으로 정렬이 이루어집니다:
- X 방향 (수평): 셀 폭은 최소 배선 단위의 배수로 설정됨 → 가로 방향 배선 트랙에 정렬
- Y 방향 (수직): VDD/VSS 레일 및 핀은 세로 방향 그리드에 정확히 맞춰져 배치됨
- Metal Layer 규칙: Metal1은 수평, Metal2는 수직 등 레이어별 우선 배선 방향 설정
이러한 규칙은 배치 후 자동 배선 과정에서 신호선이 충돌하지 않고 DRC 오류를 방지할 수 있게 해줍니다.
3. 공정 노드별 그리드 정의
그리드 규격은 사용되는 반도체 공정에 따라 달라집니다. 예를 들어, 180nm 공정에서는 배선 폭이나 간격이 넓기 때문에 비교적 큰 그리드를 사용할 수 있지만, 5nm 이하의 첨단 공정에서는 그리드 단위가 매우 세밀하고 복잡해집니다.
| 공정 노드 | 그리드 Pitch (typical) | 배선 층 예시 |
|---|---|---|
| 180nm | 0.20um | Metal1 ~ Metal4 |
| 65nm | 0.14um | Metal1 ~ Metal6 |
| 7nm | 0.04um | Metal1 ~ Metal10 |
| 3nm GAA | 0.02um 이하 | Metal1 ~ Metal12 |
이처럼 Grid Pitch와 Metal Layer 수는 공정의 선폭과 전력 밀도 요구사항에 따라 증가하며, 그에 맞춰 설계자는 셀과 배선을 더욱 정밀하게 정렬해야 합니다.
4. 실무 적용 전략과 주의점
● 설계자 입장에서의 팁
- 기초 레이어(Ground Layer)에서 그리드 기준점을 정확히 맞추는 것이 중요
- 셀/핀 위치를 그리드에 강제 스냅하도록 EDA 툴 설정 (Snap to Grid)
- VIA와 Cut 위치 또한 그리드에 일치하도록 라이브러리 정의 확인 필요
● 툴 설정 예시 (ICC2 / Innovus 등)
setPlaceGrid -xPitch 0.04 -yPitch 0.08 -xOffset 0 -yOffset 0- 이와 같이 P&R 도구에 정확한 그리드 스펙을 설정함으로써 배치 및 라우팅 오류를 최소화할 수 있음
한 줄 요약
"그리드 기반 설계는 물리적 정합성과 공정 안정성을 동시에 확보하는 디지털 레이아웃의 좌표계이다."
다음 글 예고
👉 [Chapter2] Half-Grid Cell과 Half Design Rule이란?