집적 회로(IC)란 무엇입니까?

현대 에는 거의 모든 것이 전자 기기와 관련되어 있습니다. 전자레인지에서 위성에 이르기까지 전자 동력 기기는 우리가 깨어있는 모든 순간에 스며들어 있습니다. 오늘날에는 수면에도 디지털 음향, 촉각 및 분석이 포함됩니다. 그러나 우리의 삶을 비추고 연결하며 구동하는 시스템은 매우 다양할 수 있지만, 거의 모든 전자 기기에는 동일한 기본 구성 요소인 매우 작고 매우 복잡한 집적 회로가 하나 이상 있습니다.

집적 회로란 무엇입니까?

일반적으로 칩이라고 하는 집적 회로(IC)는 실리콘이라고 하는 반도체 소재로 만들어지는데, 여기서 트랜지스터라고 하는 작은 전자 부품이 실리콘 내에 형성된 다음, 실리콘 표면 위에 적층된 상호 연결로 함께 연결됩니다.

IC는 무엇을 합니까?

여러분은 아마 가장 좋아하는 기기 안에 깔끔하게 자리 잡은 작은 블랙박스에 대해 잘 알고 있을 것입니다. 작은 크기와 소박한 특성으로 인해 이러한 용기가 실제로 대부분의 현대 전자 기기의 핵심이라는 사실을 믿기 어려울 수 있습니다. 그러나 집적 칩이 없었다면 대부분의 기술은 불가능했을 것이며, 기술에 의존하는 우리 사회는 거의 운영되지 않을 것입니다.

집적 회로는 저항기, 트랜지스터, 콘덴서를 포함하는 상호 연결된 부품으로 구성된 소형 전자 칩입니다. 실리콘과 같은 단일 반도체 소재를 기반으로 구축된 집적 회로에는 수백에서 수십억 개의 구성 요소 모음이 포함될 수 있으며, 이 모든 것이 함께 작동하여 우리 세상의 운영을 지원합니다.

집적 회로의 용도는 어린이 장난감, 자동차, 컴퓨터, 휴대폰, 우주선, 지하철, 비행기, 비디오 게임, 칫솔 등 광범위합니다. 기본적으로 전원 스위치가 있는 경우 전자적 수명은 집적 회로에 달려 있을 가능성이 큽니다. 집적 회로는 각 기기 내에서 마이크로프로세서, 증폭기 또는 메모리로 작동할 수 있습니다. 

집적 회로는 자외선을 사용하여 구성 요소를 단일 기판에 동시에 인쇄하는(하나의 음화에서 여러 장의 사진을 인쇄할 수 있는 방식과 유사) 프로세스인 포토리소그래피를 사용하여 만들어집니다. IC의 모든 구성 요소를 함께 인쇄하는 효율성 덕분에 개별 구성 요소를 사용하는 것보다 IC를 더 저렴하고 안정적으로 생산할 수 있습니다. IC의 다른 이점은 다음과 같습니다.

• 매우 작은 크기이기 때문에 기기를 소형화할 수 있음
• 높은 신뢰성
• 고속 성능
• 저전력 요구 사항

IC 제조의 진화

IC는 거의 75년 동안 점점 더 정교한 기기가 가능해지도록 해왔습니다. 그런데 IC는 어떻게 시작되었을까요? 하나의 칩에 여러 구성 요소를 넣는 아이디어는 1950년대에 처음으로 고려되었으며, 여러 과학자들이 거의 동시에 유사한 설계를 독립적으로 개발한 것으로 인정을 받았습니다.

집적 회로는 처음 만들어진 이후 여러 진화를 거쳐 기기를 더 작고, 더 빠르고, 더 저렴하게 만들고 있습니다. 1세대 IC는 단일 칩에 몇 개의 구성 요소만으로 구성되었지만, 그 이후로 각 세대는 전력 및 경제에서 기하급수적인 도약을 촉발했습니다.

• 1950년대: 집적 회로는 처음에 하나의 칩에 몇 개의 트랜지스터와 다이오드만으로 구성되었습니다.
• 1960년대: 양극성 접합 트랜지스터의 도입과 중소 규모의 집적으로 인해 수천 개의 트랜지스터가 단일 칩에서 연결될 수 있게 되었습니다.
• 1970년대: 대규모 집적과 초대규모 집적(VLSI)은 수만 개, 수백만 개의 구성 요소로 이루어진 칩을 가능하게 하였으며 이를 통해 개인용 컴퓨터와 고급 컴퓨팅 시스템을 개발할 수 있었습니다.
• 2000년대: 2000년대 초반에는 극초대규모 집적(ULSI)을 통해 수십억 개의 구성 요소를 하나의 기판에 집적할 수 있었습니다.
• 향후 전망: 현재 개발 중인 2.5D 및 3D 집적 회로(3D-IC) 기술은 유례없는 유연성을 창출하여 전자 기술 발전의 또 한 번의 큰 도약을 촉진할 것입니다.

최초의 IC 제조업체는 설계 및 제조 단계를 모두 직접 수행하는 수직적(Vertical) 통합 기업이었습니다. 인텔, 삼성, 메모리 칩 제조업체와 같은 일부 기업의 경우에는 여전히 그렇습니다. 그러나 1980년대 이후 “팹리스” 비즈니스 모델이 반도체 산업의 표준이 되었습니다.

팹리스 IC 기업은 직접 설계한 칩을 제조하지 않습니다. 대신, 이러한 기업은 많은 설계 회사들이 공유하는 제조 시설(팹)을 운영하는 전문 제조 회사에 위탁합니다. Apple, AMD, NVIDIA와 같은 업계의 선도 기업은 팹리스 IC 설계 하우스의 예입니다. 오늘날 선도적인 IC 제조업체로는 TSMC, 삼성, GlobalFoundries가 있습니다.

집적 회로의 유형

IC는 복잡성과 목적에 따라 다양한 유형으로 분류될 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 유형의 IC로는 다음이 있습니다.

• 디지털 IC: 컴퓨터 및 마이크로프로세서와 같은 기기에서 사용됩니다. 디지털 IC는 메모리, 데이터 저장 또는 로직에 사용할 수 있습니다. 저주파 응용 분야용으로 설계가 쉽고 경제적입니다.
• 아날로그 IC: 아날로그 IC는 신호 크기가 0에서 전체 공급 전압까지 변하는 연속 신호를 처리하도록 설계되었습니다. 이러한 IC는 소리나 빛과 같은 아날로그 신호를 처리하는 데 사용됩니다. 디지털 IC와 비교할 때, 아날로그 IC는 더 적은 수의 트랜지스터로 만들어지지만 설계하기는 더 어렵습니다. 아날로그 IC는 증폭기, 필터, 발진기, 전압 조정기, 전력 관리 회로를 비롯하여 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 오디오 장비, 무선 주파수(RF) 송수신기, 통신 기기, 센서, 의료 기기와 같은 전자 기기에서 흔히 볼 수 있습니다.
• 혼합 신호 IC: 디지털 회로와 아날로그 회로를 모두 결합한 혼합 신호 IC는 휴대폰, 자동차, 휴대용 전자 제품의 화면, 센서, 통신 애플리케이션 등 두 가지 유형의 처리가 모두 필요한 분야에 사용됩니다.
• 메모리 IC: 이 IC는 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하는 데 사용됩니다. 메모리 IC의 예로는 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read-Only Memory)이 있습니다. 메모리 IC는 트랜지스터 수 측면에서 가장 큰 IC 중 하나이며 매우 높은 용량과 빠른 시뮬레이션 툴이 필요합니다.
• 응용 분야별 집적 회로(ASIC): ASIC는 특정 작업을 효율적으로 수행하도록 설계되었습니다. 대부분의 응용 분야에서 구현할 수 있는 범용 IC가 아니라, 목표 기능을 실행하도록 맞춤화된 SoC(System-on-Chip)입니다.

IC 패키징 유형

칩을 설계하고 제조한 후 칩을 테스트 및 패키징하는 세 번째이면서 마지막 단계가 있습니다. 이는 반도체 산업에서 고도로 전문화된 하나의 하위 분야입니다.

실제 실리콘 칩은 너무 작고 섬세하여 직접 조작할 수 없기 때문에 IC 패키징은 작업하기에 더 실질적인 것을 제공합니다. 일반적으로 리드나 범프가 집적된 플라스틱이나 세라믹으로 만들어진 인클로저라는 보호 케이스를 사용하면 작은 칩을 회로 기판에 연결할 수 있습니다. 의도한 응용 분야에 따라 IC 패키징의 크기와 모양이 다를 수 있습니다.

2.5D 및 3D-IC란 무엇입니까?

모든 것을 디지털 방식으로 소비함에 따라 기기가 더 빠르고, 더 스마트하고, 더 작아야 한다는 압박이 계속되면서 더 많은 정보를 더욱 효율적으로 처리하기 위한 IC의 필요성이 끊이지 않고 있습니다. 가장 최근 세대에는 2.5D 및 3D-IC라는 매우 유망한 새로운 두 가지 옵션이 있습니다.

2.5D-IC에서는 인터포저 기술이라는 기법을 사용하여 두 개 이상의 칩을 동일한 표면 평면에 나란히 배치합니다. 공유 베이스 전체에 걸쳐 이렇게 나란히 근접하면 상호 연결 밀도가 높아집니다.

이제 그 논리를 말 그대로 한 단계 더 높이면 3D-IC가 됩니다. 이 로직-온-로직 샌드위치는 칩이나 웨이퍼를 서로 쌓아 올려서 만들어집니다. 3D-IC는 상호 연결을 훨씬 더 향상시킬 뿐만 아니라 더 작은 설치 공간에서 더 많은 처리 능력을 제공하며 다양한 기술 노드를 사용하는 데 매우 유연합니다.      

이러한 멀티 다이 패키징 기술이 제기하는 새로운 주요 과제는 열방출입니다. 고성능 컴퓨팅(HPC) 칩이 200와트가 넘는 전력을 쉽게 소비할 수 있다는 점을 고려할 때 이러한 칩을 여러 개 밀접하게 쌓기 시작하면 과열 및 열 관리가 주요 제한 요인이 될 것이 분명해집니다.

2.5D 및 3D 기술은 IC의 연결 방식을 더욱 효율적으로 만들어 엔지니어들이 1950년대부터 부딪혀 왔던 크기 문제인 “어떻게 하면 더 적은 크기에서 더 많은 것을 얻을 수 있을까요?”를 극복하고 있습니다.

IC 설계 개선

엔지니어가 IC의 성능을 예측할 수 있게 함으로써 정확한 승인 확인은 거의 모든 전자 기기의 설계 프로세스를 최적화하는 데 중요합니다. 시뮬레이션을 통해 설계자는 전력 소비, 열, 파라메트릭 수율 등의 여러 요구 사항에 대해 IC를 평가할 수 있습니다. 또한 Ansys RedHawk-SC는 독보적으로 포괄적인 다중물리 해석을 제공할 수 있으며, 다양한 물리가 어떻게 상호 작용하여 IC의 성능과 수명에 영향을 미치는지 보여줍니다.

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