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기생 성분분석 및 디버그에 대한 전략적 접근 방식으로 아날로그 설계 비용 절감

3월 12, 2025

5:00 Mins

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Marc Swinnen | Ansys 시니어 수석 제품 마케팅 관리자
analog and mixed signal simulation

반도체 설계에서 기생 성분이란 상호 연결 와이어로 인해 발생하는 의도하지 않은 전기적 영향과의 상호 작용을 의미합니다. 기생 성분은 회로의 거동을 복잡한 방식으로 변경하며, 그 영향은 사후적 요인에서 1차적 영향으로 확대되었습니다. 아날로그 상호 연결 기생 성분의 분석 및 디버그 시 점점 더 복잡해지는 다중물리 요구 사항을 명확한 전략으로 해결하지 못하는 여러 공급업체 및 포인트 툴을 임시적으로 사용하는 경우가 많습니다.

아날로그 집적 회로(IC) 또는 칩은 반도체 시대의 시작부터 존재해 왔으며, 아날로그 엔지니어들은 더 크고 매력적인 디지털 칩과는 상당히 다른 설계 방법론 및 에코시스템을 사용해 왔습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 무선 연결, 전기 자동차, 데이터 센터의 고속 디지털 연결, 멀티다이 3D-IC의 보편적 채택과 같은 강력한 시장 동향으로 인해 아날로그 설계에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 이로 인해 선도적인 설계 기업들은 경쟁력을 유지하고 시장 기회를 활용하기 위해 보다 효율적이고 탁월한 아날로그 설계 흐름을 만드는 데 집중하게 되었습니다.

아날로그 설계 동향 및 과제

디지털 IC 세계와 달리 아날로그 설계자들은 대규모의 고밀도 디지털 설계에 최적화된 가장 뛰어난 최신 실리콘 공정 기술을 추구하지 않았습니다. 아날로그 설계자들은 일반적으로 더 작은 고속 회로에서 신호 품질을 더 효과적으로 제어할 수 있는 성숙한 후행 프로세스로 작업하는 데 더 익숙합니다. 그러나 아날로그 설계의 급증에는 여러 가지 과제가 수반됩니다.

  • 신호 속도는 SerDes(Serializer/Deserializer)와 같은 공칭 디지털 통신 채널에 대해서도 보다 정확하고 포괄적인 전자기 분석이 필요한 수준까지 계속 증가하고 있습니다.
  • SoC(System-on-Chip)의 아날로그 부분도 주로 디지털 칩의 나머지 부분과 동일한 고급 실리콘 프로세스를 사용해야 하므로 이러한 고급 노드에서 설계를 복잡하게 만드는 복잡한 실리콘 영향을 처리해야 합니다.
  • 고객들이 더 많은 기능을 갖춘 솔루션을 요구함에 따라 아날로그 설계의 규모가 커지고 있습니다. 이로 인해 특히 메모리, 위상 배열 레이더, 3D-IC 인터포저, 이미지 센서 등 회로를 위한 기존 아날로그 설계 툴의 용량이 제한되고 있습니다.

이러한 기술적 과제는 모두 최대 과제인 설계자 생산성에 영향을 줍니다. 아날로그 칩의 제공 일정과 설계 비용은 해당 비용의 대부분을 차지하는 엔지니어링 시간에 따라 결정됩니다. 아날로그 엔지니어의 시간은 회로 분석과 디버그에 의해 좌우됩니다. 전체 프로젝트 시간의 35~50%가 이러한 작업에 소요될 수 있으며, 경우에 따라 훨씬 더 많은 시간이 소요될 수 있다고 보고되었습니다. 디버깅은 예측할 수 없는 경우가 많으며, 설계에 어떤 일이 일어나고 있는지 파악하려면 시뮬레이션을 여러 번 실행하고 다양한 추출 및 분석 툴을 사용해야 하므로 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 특히 고급 실리콘 프로세스의 경우 레이아웃 기생 요소가 1차적 영향이 되었으며, 때로는 능동 소자(트랜지스터)의 거동을 지배하기도 합니다. 상호 연결의 영향과 기생의 영향은 회로 거동과 총 설계 비용 모두에서 핵심적 요인이 되었습니다.

영향이 증가하는 이유는 점점 더 커지는 기생 요소의 저항 및 커패시턴스(RC) 값과 기생 요소의 수가 늘어나기 때문입니다. 이로 인해 시뮬레이션 시간이 길어지고 설계자가 이해하고 디버깅하기 어려운 복잡한 비선형 상호 작용이 발생합니다.

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기생 저항은 고급 실리콘 공정에서 기하급수적으로 증가합니다. 이러한 증가가 바로 현대 아날로그 설계에서 기생 성분을 1차적 영향으로 만드는 한 가지 요소입니다.

성공적인 아날로그 설계팀이라면 레이아웃 상호 연결로 인해 발생하는 여러 다중물리 영향을 처리하도록 철저한 전략을 수립해야 한다는 건 당연한 사실입니다. 오늘날의 문제뿐만 아니라 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 새로운 재료 또는 Photonics 등의 새로운 물리학과 관련된 필연적으로 더 복잡해질 미래의 요구 사항에 대한 전략도 고려해야 합니다.

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오늘날 많은 설계 연구소는 시간이 지남에 따라 설계 흐름의 허점을 막기 위해 포인트 솔루션이 어떻게 추가되었는지를 반영하면서 여러 공급업체와 해석을 상호 연결하는 세분화된 접근 방식을 갖추고 있습니다. Ansys는 한 걸음 물러서 고유한 전문 분야인 상호 연결 다중물리 영역으로 다가가야 할 때라고 생각합니다. 이 분야는 레이아웃 플랫폼 또는 시뮬레이션 소프트웨어를 선택하는 데 사용되는 것과 동일한 전략적 접근 방식을 요구합니다.

상호 연결 다중물리를 위한 전략적 솔루션

보통 측정할 수 없다면 수정할 수도 없다고 말합니다. PDK(Process Design Kit)의 활성 소자에 대한 전기 모델은 전용 라이브러리 특성 분석 툴 제품군을 사용하여 생성되고 쉽게 재사용할 수 있도록 라이브러리에 캡처됩니다. 그러나성분 이 기능은 상호 연결 기생에 대해서는 작동하지 않습니다. 아래 그림과 같이 모든 설계 반복에 대해 모든 레이아웃을 처음부터 추출해야 합니다. 이런 이유로 아날로그 설계 엔지니어들은 상호 연결 분석에 많은 시간과 노력을 기울이게 됩니다. Ansys는 상호 연결 분석의 중요성을 고유한 설계 문제로 인식하고 설계 팀에 통합된 전략적 솔루션을 제공합니다.

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Ansys는 고속 설계, 고급 프로세스 노드 및 초대형 아날로그 회로를 위한 기생 요소의 상호 작용을 분석하고 디버깅해야 하는 생산성 및 정확성 과제에 대한 포괄적이고 전략적인 솔루션을 제공합니다.

Ansys는 반도체에 대한 모든 상호 연결의 영향을 포괄할 정도로 광범위한 검증 및 파운드리 인증을 받은 다중물리 솔루션을 제성분공하며, 기생의 상호 작용에 대한 근본 원인을 분석하여 설계자에게 완벽한 설계 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 통합 다중물리 접근 방식은 더 나은 결과를 실현하도록 높은 정확도로 검증된 엔진과 시간을 절약하는 고효율 디버깅을 보장합니다. 또한 다중 스케일 솔루션에서 성공을 거둔 Ansys의 오랜 실적을 통해 이러한 칩 다중물리 툴을 패키지, PCB, 3D-IC 및 제품 수준으로 확장할 수 있습니다.

Ansys 솔루션에서 다루는 상호 연결 다중물리는 아날로그 및 혼합 신호 설계자의 다음과 같은 관심 영역을 위한 제품과 플랫폼을 포함합니다.

  • RC 기생성분: 정교한 고용량 저항 및 커패시턴스 기생 성분 분석을 통해 몇 분 안에 근본 원인을 파악하여 디버깅 시간을 크게 단축할 수 있으며, 특히 최상위 계층 수준 분석의 경우에는 더욱 그렇습니다.
  • 고주파 전자기: 무선 주파수(RF), 밀리미터파, 5G, Wi-Fi, SerDes, 물리 계층 상호 연결(PHY), 아날로그-디지털 변환기(ADC/DAC) 등의 고속 설계에서는 와이어 간의 모든 커플링 필드를 필수적으로 모델링해야 합니다. 고속 상호 연결의 특별한 응용 분야는 특정 설계 및 분석 기능을 요구하는 인덕터전송선입니다.
  • : 수년에 걸쳐 입증된 통합 열 엔진이 업계 최고의 전압 강하 분석과 결합된 AI 기반 메싱을 배포하여 국지적 줄 자체 발열, 과도 열, 시스템 수준 냉각, 주변 열 등 반도체 소자의 계층별 온도 맵을 식별합니다.
  • 열-기계: 기계적 응력과 변형은 온도 구배와 재료 불일치로 인한 것입니다. 이러한 기계적 문제는 제품 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 응력으로 인한 전기적 변화를 일으킬 수도 있습니다.
  • 전압 강하 및 일렉트로마이그레이션(EM/IR): 파운드리에서사인오프 요구 사항으로 간주하는 전압 강하 분석 툴은 공급 와이어와 아날로그 신호 와이어 모두에서 정적 및 동적 전력 손실을 식별합니다. 일렉트로마이그레이션 분석은 장기적인 제품 신뢰성에 필수적인 구성 요소입니다.
  • 전력 장치 분석(RDS-ON): 고전력 장치 및 스위치 내의 기생 요소는 장치의 전력 손실과 과열을 방지하기 위해 설계 단계에서 최대 정확도로 모델링되어야 합니다.
  • Photonics: 더 빠른 데이터 속도를 지원하는 Co-Packaged Optics의 인기가 높아짐에 따라 많은 설계 팀이 열 안정화, 기계적 응력 최소화 등 광학 전자제품에 대한 새로운 물리학을 도입했습니다.
  • 신호 무결성: 고대역폭 메모리(HBM) 인터페이스와 같은 3D-IC의 인터포저 상호 연결 및 다이 간 신호 경로에는 전체 통신 채널을 정확하게 모델링하는 전문적인 신호 무결성 분석이 필요합니다.
  • 정전기 방전(ESD): 전기 과응력으로 인한 손상을 방지하는 보호 회로는 모든 칩의 아날로그 요소입니다. 설계가 대형화되고 업계가 멀티 다이 설계를 채택함에 따라 최종 사인오프 단계에서 기존 분석은 병목 현상이 되었습니다. 새로운 방법론을 통해 설계 흐름 초기에 훨씬 빠른 ESD 분석을 수행할 수 있습니다.
  • 기판 노이즈: 실리콘 기판에의 노이즈 주입은 민감한 아날로그 설계에 특히 중요하며 노이즈 소스 및 분포 물리의 포괄적인 모델링이 필요합니다.
  • 안테나 설계: 무선 및 레이더의 효율적인 빔포밍은 자유 공간을 통한 전파 및 안테나 주변의 재료와의 상호 작용에 대한 고정밀 모델링을 사용합니다.
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기생 성분의 상호 연결 영향은 회로 거동에 상당한 영향을 미치며 점점 더 다중물리 중심으로 얽히고 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 단편적인 접근 방식을 취하면 엔지니어링 효율성을 낮추고 설계 비용을 증가시키며 설계 최적화를 제한합니다. 상호 연결 분석 시장에는 현재 효율성을 높일 뿐만 아니라 기술 수요가 가속화됨에 따라 직면하게 될 새로운 요구 사항에 대한 설계 흐름을 미래 지향적으로 지원하기 위해 다른 중요한 설계 부문과 동일한 전략적 사고 방식으로 접근해야 합니다.


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시니어 수석 제품 마케팅 관리자

Marc Swinnen은 2020년부터 Ansys에서 근무했으며 수십 년 동안 하이테크 업계에 종사해 왔습니다. Marc는 하이테크 업계의 B2B 고객을 위한 엔터프라이즈 소프트웨어 마케팅, 영업 지원 및 제품 관리 분야에서 경험을 쌓아왔습니다. 또한 경영학, 전기 공학(MSEE) 및 산업 관리 석사 학위를 취득했습니다. 

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