디지털 레이아웃 설계에서 배선(Wiring)은 단순한 연결 이상의 의미를 가집니다. 배선의 품질과 구성 방식은 전체 칩의 신호 지연, 전력 소비, 노이즈 특성, 면적 효율성 등 다양한 요소에 중대한 영향을 미칩니다. 이러한 이유로, 대부분의 IC 설계에서는 Directional Layer 기법이라는 기본 원칙을 도입해 배선 방향과 층별 역할을 명확히 구분합니다.
Directional Layer 기법은 각 금속 레이어(Metal Layer)가 수직 혹은 수평 방향 중 하나로만 배선되도록 설계하는 방식으로, 설계의 정합성과 제조 신뢰성을 동시에 확보하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
이번 글에서는 Directional Layer 설계 기법의 원리와 규칙, 수직과 수평 배선의 구체적 차이, 고속 신호 및 전력망 배선에서의 적용 전략, 그리고 실무 배선 설계에서 고려해야 할 주의사항을 보다 상세하게 다루겠습니다.
1. Directional Layer 기법이란?
Directional Layer란 배선이 사용되는 각 금속 층에 대해 단일 방향 배선만 허용하도록 레이아웃을 구성하는 방법론입니다. 이렇게 방향을 고정하면 자동화 도구가 배선을 보다 빠르고 정확하게 처리할 수 있으며, 신호 간섭(Crosstalk)과 레이어 간 충돌 위험이 줄어들게 됩니다.
일반적인 방향 설정 규칙:
- 짝수 Metal Layer (M2, M4, M6, M8...) → 수직 방향 배선 (Vertical Routing)
- 홀수 Metal Layer (M1, M3, M5, M7...) → 수평 방향 배선 (Horizontal Routing)
이는 공정 노드와 설계 룰셋에 따라 일부 변형될 수 있으나, 대부분의 디자인 룰은 위와 같은 구조를 기반으로 구성됩니다.
기대 효과:
- 배선 경로 자동화 정확도 향상
- Via 사용 규칙화 → DRC 에러 감소
- 혼잡 구간 해소 → Routing Yield 향상
2. 수직 vs 수평 배선의 역할 비교
배선 방향을 구분하는 것은 단순한 관습이 아니라 실질적인 성능 최적화 전략입니다. 각 방향의 배선은 다음과 같은 용도로 구분되어 사용됩니다:
● 수평 배선 (예: M1, M3)
- 셀 내부 또는 Row 간 연결에 주로 사용
- 셀 간 핀 연결 및 신호 전달에 최적화
- 배선 간격이 좁고, 고밀도 라우팅 가능
● 수직 배선 (예: M2, M4)
- 상하 블록 간 연결, 긴 거리 신호 전달
- 클럭, 제어 신호 등 주요 Net의 Routing에 사용
- 상대적으로 두껍고 간섭 최소화에 유리
배선 방향을 고정함으로써 자동 배선 툴은 레이어 전환 횟수를 최소화할 수 있고, 그로 인해 Via 개수 감소, 레이아웃 단순화, 신호 지연 최소화 등의 효과를 얻을 수 있습니다.
3. 고속 신호 및 전력망 배선 전략
● 고속 신호 처리 시 고려사항
- 수직 방향 Metal Layer 우선 배치: 긴 신호 경로에서 지연 발생 최소화
- GND 라인을 주변에 병렬 배치 (Shielding) → Signal Integrity 향상
- Wire Spacing 확보: 민감한 경로 간 Crosstalk 방지
● 전력망 및 클럭 트리 설계 시 활용
- Power Ring, Power Stripe는 보통 높은 Metal Layer(M6 이상)에 수평 방향으로 구성
- 전력은 수평, 클럭은 수직 또는 양방향으로 설계
- EM(전자 마이그레이션), IR Drop 방지를 위해 Layer 당 전류 밀도 최적화 고려
특히 고속 클럭 트리의 경우 Directional Layer 기법을 기반으로 Clustering과 Buffer Insertion이 수행되며, 이는 CTS 품질에 결정적 영향을 미칩니다.
4. 실무에서의 설계 전략 및 주의점
디자인 룰과 배선 전략을 효과적으로 연계하려면 다음 사항을 반드시 고려해야 합니다:
- 레이어별 배선 폭과 Spacing Rule 사전 확인: 신호와 전력망의 우선순위를 레이아웃 시작 전에 계획
- Via Depth 최소화 전략: 가능한 한 적은 층간 전환으로 배선 연결 완성
- Power/Signal Layer 분리: 전력망을 Signal Layer와 분리해 전기적 간섭 방지
- 혼잡 구간 예외 처리: 일부 Routing Congestion 영역에서는 비표준 방향 배선 허용이 필요한 경우도 있음
- EDA Tool 세팅 최적화: Innovus, ICC2 등의 설정에서 Direction Constraint 사용하여 오류 방지
한 줄 요약
"Directional Layer 기법은 레이아웃의 정합성과 성능을 동시에 높이는 배선 전략의 골격이다."
다음 글 예고
👉 [Chapter2] Channel Routing과 채널 라우터의 원리