디지털 레이아웃 설계에서 배선 자동화를 구현하기 위한 초기 기술 중 하나가 바로 Channel Routing(채널 라우팅)입니다. 이 기법은 셀과 셀 사이에 정해진 배선 영역(Channel)을 확보하고, 이 영역 내에서 수직 및 수평 배선을 통해 핀들을 연결하는 방식으로 설계됩니다. 과거에는 ASIC 설계의 주류였지만, 현재는 표준 셀 기반 Sea-of-Gates 설계가 주로 사용되며, 그럼에도 불구하고 Channel Routing의 개념과 알고리즘은 현대의 라우팅 도구들에도 여전히 광범위하게 내재되어 있습니다.
이번 글에서는 채널 라우팅의 정의와 구조, 그 원리를 구현하는 알고리즘(특히 Left-Edge Algorithm), 제약 조건, 그리고 현재 설계 도구에서의 응용 방향까지 심화된 내용을 바탕으로 다룹니다.
1. Channel Routing이란?
Channel Routing은 셀 사이에 위치한 배선 전용 채널 공간을 활용하여, 그 안에서 각 셀의 핀들을 연결하는 배선 전략입니다. 이 방식은 핀들이 고정된 위치에 배치되어 있고, 배선도 해당 채널 내의 트랙에 한정되어 있다는 점에서 제한적이지만, 매우 구조적인 배선을 가능하게 만듭니다.
채널 구성 요소:
- Top Pin Row / Bottom Pin Row: 셀 상단과 하단에 위치한 연결 대상 핀들
- Routing Channel: 두 핀 열 사이의 수평 배선이 가능한 영역
- Routing Track: 채널 내 배선을 위한 수평 트랙의 개수 (배선 밀도에 직접적 영향)
- Vertical Vias: 핀과 배선 또는 층간 배선을 연결하기 위한 접속 구조
채널 내부는 보통 Metal1 (수평), Metal2 (수직) 식으로 레이어 방향이 분리되어 설계되며, 이는 자동 라우팅 도구가 효율적으로 신호 경로를 배치하는 데 큰 역할을 합니다.
2. 채널 라우팅의 제약 조건과 설계 규칙
Channel Routing은 구조적으로 단순해 보이지만, 다음과 같은 제약 조건들을 만족해야 최적의 배선이 가능합니다:
- Net 간 겹침 금지: 동일 트랙 내에 두 개 이상의 Net이 공존할 수 없음
- 핀 위치 고정: 핀의 위치는 사전에 결정되어 있어 변경 불가
- Via 최소화: 층간 전환 횟수가 많을수록 신뢰성과 제조 비용 증가
- Routing Track 최소화 목표: 가능한 적은 트랙 수로 모든 Net을 연결해야 면적을 절약할 수 있음
이러한 제약을 만족시키면서도 모든 Net을 성공적으로 연결하는 것이 채널 라우터의 핵심 과제입니다.
3. Left-Edge Algorithm (LEA): 대표 채널 라우팅 기법
Left-Edge Algorithm(LEA)은 채널 라우팅 문제를 해결하기 위해 가장 널리 사용되는 탐욕적(greedy) 알고리즘입니다. 이 방식은 간단하면서도 효율적이어서, 오늘날까지도 많은 교육 및 상용 CAD 툴에서 채택되고 있습니다.
LEA 작동 원리:
- Net Interval 정의: 각 Net의 핀 위치를 기준으로 연결 구간(Interval)을 정의
- Interval 정렬: 모든 Net의 Interval을 시작 위치(왼쪽 끝) 기준으로 정렬
- 트랙 배치: 가장 왼쪽부터 순차적으로 Net을 트랙에 배치하되, 이전에 배치된 Interval과 겹치지 않아야 함
- Conflict 시 새 트랙 생성: 겹치는 Interval이 생기면 다음 트랙으로 이동하여 배치
장점과 한계:
- 장점: 구현이 쉽고 속도가 빠르며 소형 설계에 효과적
- 한계: 복잡한 Net 구조(핀 위치가 다층적일 때)에서는 트랙 낭비가 발생할 수 있음
4. 채널 라우팅의 현대적 응용과 진화
오늘날의 레이아웃 설계는 대부분 표준 셀 방식으로 이루어지며, 채널 구조보다는 full row 방식이 주로 사용됩니다. 그럼에도 불구하고, 채널 라우팅 기법은 여전히 다음과 같은 영역에서 실질적인 응용이 이루어집니다:
● FPGA 및 프로그래머블 디바이스
- LUT와 Switch Matrix 사이의 연결을 채널 기반 구조로 배선함
- Xilinx, Intel FPGA 등은 내부적으로 채널 유사 구조를 가짐
● 로컬 Routing 영역에서의 채널 기법 적용
- 블록 간 좁은 구간(Local Interconnect)에서 채널 방식의 배선을 사용해 효율적 연결
● 교육 및 연구 목적
- CAD 설계 수업, 알고리즘 교육 등에서 채널 라우팅 구조를 활용
● 현대 도구와의 연계
- ICC2, Innovus와 같은 상용 라우터도 채널 개념 기반의 탐색 알고리즘을 구현함
- 특히 Congestion-aware Routing, Track Assignment Planning 기능에 LEA 원리 일부 포함
한 줄 요약
"Channel Routing은 디지털 레이아웃 자동화의 고전이자, 현대 알고리즘 설계의 뿌리가 되는 기초 개념이다."
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👉 [Chapter2] Antenna Rules란 무엇이며 왜 고려해야 하나?