What is VLSI design?

 

VLSI 설계를 설명하기 전에 혹시 이 분야에 관심이 있으시다면 이 책을 추천합니다. 대학원 때 교수님께서 추천해주셨던 책입니다. VLSI 설계 분야의 대부분의 정보가 영어로 되어 있어서 공부하는데 시간이 걸리는데 이 책은 번역이 좀 이상하긴 하지만, 그래도 한국어로 공부하기 쉽습니다.

 

CMOS(Coplementary metal-oxide semiconductor)

 

CMOS는 한국어로 직역하면 상호 보완적인 금속 산화물 반도체를 의미합니다. 

네, 맞습니다. 한국어로봐도 뭔 말인지 이해하기 어렵습니다.

 

쉽게 설명드리겠습니다. 우리가 'Mosfet'라고 하는 트랜지스터에 대해서는 많이 들어봤을 겁니다. Mosfet은 트랜지스터의 종류 중 하나로 스위칭 역할(0과 1 출력)과 신호를 증폭하는 소자로 알고 있습니다. 

 

Mosfet는 P-type mosfet과 n-type mosfet으로 나누어지는데, 이 2개의 type이 동작하는 방식이 서로 다릅니다.

Source: https://www.skcareersjournal.com/2689

산화물(Sio2) 아래, 소스(source)와 드레인(drain) 사이에 전류가 흐를 수 있는 길을 채널(channel)이라고 합니다. P기판 위에 형성이 되면 N채널 Mosfet이라 하고 N 기판 위에 형성이 되면 P 채널 Mosfet이라고 합니다.

 

N채널의 경우 소스와 드레인의 영역이 n형인 전자로 도핑 되어 있고 전류가 흐르기 위해서는 채널층에 전자가 존재해야 합니다. 반대로P채널의 경우 소스와 드레인 사이의 채널층에는 정공이 존재합니다. 

 

즉, 쉽게 말해 N 채널 Mosfet(Nmos)과 P 채널 Mosfet(pmos)의 동작 방식이 다른겁니다. Nmos는 게이트에 +전압이 인가됐을 때 채널이 형성되어 전류가 흐르고 Pmos는 - 전압이 인가될 때 채널이 생성되어 채널이 형성되어 전류가 흐르는 구조입니다.

 

그럼, 일단  CMOS에서 MOS라는 것에 대해 설명드렸습니다. 다음은 C(complementary) 입니다.

이 단어가 핵심입니다. 상호보완적인 Mosfet을 CMOS라고 부르는데 Nmos의 동작과 Pmos의 동작을 서로 활용해서 회로를 제어하는 것입니다.

 

CMOS의 가장 대표적인 회로인 인버터(inverter)의 동작원리를 보고 가겠습니다.

Inverter의 동작 원리

 

위의 그림은 인버터를 나타냅니다.  위에 Mosfet에 동그라미 같은 붙은 것이 pmos이고, 동그라미가 붙지 않은 것이 nmos입니다.

먼저 가장 왼쪽에는 인버터의 truth table과 simbol이 보입니다. 그리고 가운데 그림에는 인버터에 '0'이라는 입력이 들어갔을 때의 동작을 보이고 가장 오른쪽에는 인버터에 '1'이라는 입력이 들어갔을 때의 동작을 보입니다.

인버터의 입력이 0일 때

위에서 말했듯이 음의 전압(0)이 인가되면 pmos는 on이 되고 nmos는 off가 됩니다.  여기서 on은 회로가 연결되는 것(short)을 의미하고, off는 회로가 끊어지는 것(open)을 의미합니다. 그럼 VDD는 1의 전압을 가지고 Pmos가 on이 되어 VDD와 Y와 연결되니까 Y에 1이라는 값이 출력됩니다.

인버터의 입력이 1일 때

반대로, 양의 전압(1)이 인가되면, pmos는 off되고, nmos는 on이 됩니다.  이렇게 되면, VDD와 출력 Y가 끊어지고 출력 Y는 GND와 연결이 되어 Y에 0이라는 값이 출력됩니다.

 

뭐 별거 아닌 것처럼 보일수도 있지만, cmos를 이용하면 inverter뿐만 아니라 AND, NAND, NOR, OR 등 기본 회로를 구현할 수 있습니다. 이 기본 회로들로 adder(덧셈기), subtractor(뺄셈기), multiplier(곱셈기), divider(나눗셈기) 등이 구현되고 이것들을 활용해서 micro processor, memory 등 복잡한 회로들이 만들어집니다. 

 

 

네, CMOS가 무엇이고, 왜 이것들이 중요한지는 이정도면 설명이 된 것 같습니다. 다음으로는 VLSI에 대해서 설명드리겠습니다.

 

VLSI(Very Large Scale Integration)

VLSI 설계는 간단하게 말하면 반도체 칩 내에 수천에서 수백만 개의 트랜지스터를 통합하는 과정을 의미합니다.

왼쪽의 그림은 최초의 컴퓨터 애니악이고, 오른쪽 그림은 초소형 컴퓨터입니다.  

 

혹시나, VLSI 설계의 등장 과정과 어떻게 이 분야가 성장했는지 궁금하신 분들은 아래의 글에 나와있는 '칩워'라는 책을 추천드립니다. 

https://vlsi-learning.tistory.com/10

 

 

 

앞으로 이 책(CMOS VLSI 설계 원리)을 기준으로 내용을 나눠서 공부 내용을 정리하려고 합니다.

 

우선, 챕터는 아래와 같습니다. 내용이 생각보다 길어서 한 챕터당 3개 정도로 포스팅을 나눠서 설명하려고 합니다. 

1. VLSI 설계로의 초대
2. 디바이스
3. 동작속도
4. 전력
5. 배선
6. 스케일링 , 신뢰도 및 가변성
7. SPICE
8. 게이트
9. 순차화
10. 데이터 경로
11. 메모리
12. 패키지, 전원, 클럭, I/O
13. 방법론
14. 테스트
15. 제조공정