반도체 집적회로 설계
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Seong-Ik Cho
Analog System Lab.
1. Electronic Circuit2. Engineering3. Electronics
Electronics versus Microelecronics
Electronics versus Microelecronics
Electronics Began about a century ago The radio, radar communications and computer for gun
gliding distance used during the two world wars Early electronic System Vacuum tubes ( Plate , Grid, Cathode )
Electronics versus Microelecronics
Vacuum tubes Amplifier, Control,
Switching Demerits Finite lifetime Large size
Transistor Invention in the 1948s Amplifier, Control, Switching Merits Very long lifetime Smaller volume (e.g, less than 1cm3 in packaged form)
Electronics versus Microelecronics
Integrated Circuits(ICs) It was not until 1960s that microelectroniscs, i.e., the science of integrating many transistors on one chip,
began. Early IC Contained only a handful of devices. Advances in the technology made it possible to dramatically increase the complexity of “microchips”
Today’s microprocessors : about 100million transistors in a chip area of 3cm x 3cm
If each device occupies a volume of 3mm x 3mm x 3mm, determine the minimum volume for the processor. What other issues would arise in such an implementation ?
Electronics versus Microelecronics
Cellular Telephone Simplified view of Cell Phone Cellular telephones were developed in the 1980s and rapidly became popular in the 1990s. Today’s cell phone contain a great deal of
sophisticated analog and digital electronics
Example of Microelectronic Systems
Transceiver of Cellular Telephone
Duplexer
BPF GSM LNA
DC OffsetCancellatio
nFilter VGA ADCMixe
r
PLL
DSP
Filter VGA DAC
DAC
Mixer
PA
Antenna
Receiver Block
Transmitter Block
PLL
PA:Power Amplifier
VGA:Variable Gain
Amplifier
GSM :WCDMA :
Example of Microelectronic Systems
Analog Function of Digital Camera Amplifier Switching Analog to Digital Conversion Digital to Analog Conversion
Digital Function of Digital Camera Signal Processing Storage
Example of Microelectronic Systems
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반도체산업의 비율
반도체가 국가경제에서 차지하는 비율
기간산업
반도체기타
SSHynixMicronInfineon
Current Trend of ours semiconductor
21 세기에 풀어야 할 문제는 메모리와 비메모리를 포함하는 전체시스템과 회로의 설계 및 구현기술의 향상
메모리 분야 : 세계적인 위치 비메모리 분야 : 열악한 위치
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반도체 산업의 육성배경
국가경쟁력과 정보사회 구현의 원동력
소규모 투지로 사업이 가능
무공해 /고부가치 산업
메모리 / 비메모리 산업의 활성화
기술집약적으로 고급설계 인력 확보가 경쟁력 강화
미국 전기전자 엔지니어 중에서 평균소득이 최고
장비시설 / 인력중심의 소규모 벤처산업으로 최적화고
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반도체란 무엇인가
도체 : 금속 ( 구리 , 알루미늄 , 금 , 은 ) 부도체 : 고무 , 유리 등등 반도체 : 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 등등
원자 (atom) : 물질 구성의 기본요소
전자 (electron) : 전기를 통하게 함
반도체 : 불순물 ( 다른 원자 ) 을 넣어서 전기가 통하는 정도 조절
반도체의 구조
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P-type 반도체
순수한 실리콘에 III 족 원소 (B or In ) 를 소량 넣어주면 전자가 비어있는 상태 . 즉 정공 (Hole) 이 생김 이 상태에서 실리콘에 전압을 걸어주 면 전류가 흐르게 되는 것이다 .
진성반도체와 불순물 반도체
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N-type 반도체
순수한 실리콘에 V 족원소 ( P or As ) 를 소량 넣어주면 전자가 남는 상태 , 즉 잉여전자가 생김 . 이상태에서 실리콘에 전압을 걸어주면 제자리를 못찾은 이 잉여전자가 자유전자가 되며 전류가 흐르게 되는 것이다 .
진성반도체와 불순물 반도체
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다이오드 (Diode)
한 방향으로 전류가 흐름
N P
트랜지스터 (Transistor)
반도체 소자
GS
D
B
L
W
n+
n+
MOSFET
BJT
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증폭 ( 增幅 )
전기신호를 이동시키다 보면 점점 약해진다 . 따라서 전기 신호를 정상적으로 전달하기 위 해서는 이동 중에 원상태로 또는 보다 크게 해 주어야 한다 .이처럼 약한 신호를 강한 신호로 키워주는 것을 증폭이라 하며 , 증폭작용을하 는 반도체로 " 트랜지스터 " 가 있다 .
반도체는 어떤 일을 하는가 ?
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정류 ( 整流 )
전기신호의 흐름에는 직선처럼 생긴 직류와 파동처럼 생긴 교류 두 가지가 있다 . 전기신호 를 처리하다 보면 직류를 교류로 또는 교류를 직류로 바꿔 주어야할 경우가있는데 , 이런 작업 을 전기신호의 흐름 ( 전류 ) 을 정리해주는 의미 에서 정류라고 한다 .이러한 정류작용을 하는 반도체 를 일반적으로 " 다이오드 " 라고 한다 .
반도체는 어떤 일을 하는가 ?
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변환 ( 變換 )
전기신호는 필요에 따라 빛 ( 光 ) 이나 소리 ( 音 ) 등으로 바꿔줄 필요 가 있다 . 지하철이나고속도로에 서 볼수 있는 전광판에 쓰이는 반 도체는 전기신호를 빛으로 바꿔주 는 역할을 하며 이러한 반도체를 " 발광소자 " 라고 한다 . 반대로 빛을 전기신호로 바꿔 줄 수도 있는데 CCD 반도체는 카메라로 읽어들이는 빛을 전기신호 로 바꿔 저장하는 역할
반도체는 어떤 일을 하는가 ?
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전기신호를 처리한다( 1 ) 전환 ( 轉換 ) 정보 처리를 하다 보면 아날로그를 디지탈로 또는 디지탈을 아나로그로 바꿔주어야할 경우가 있다 . 반도체는 이처럼 정보의 상태를 전환해 줄 수 있다 .( 2 ) 저장 , 기억 메시지 정보가 프로그램화되어 컴퓨터 메모리에 저장되어 있기 때문에 가능하다 . 이처럼 반도체는 정보를 프로그램화해서 저장할 수 있으며 , 이러한 반도체를 " 메모리반도체 " 라고 한다 .( 3 ) 계산 , 연산 PC( 퍼스널컴퓨터 ) 가 나오기 전에 널리 사용되던 것 으로 전자계산기가 있다 . 사용하기도 편하고 속 도도 빠른 이 전자계산기도 그 속에는 반도체가 들어있다 . 이처럼 수치정보를 계산하는데 사용되는 반도체를 " 논리반도체 " 라고 한다 .( 4 ) 제어 (CONTROL) 기계나 설비가 정해진 순서에 따라 동작하도록 해주는 것을 " 제어 " 라고 한다 . 이런 작동 순서를 프로그램화 하여 반도체 IC 에 기억시켜두면 그 순서에 따라 장비나 작업을 자동으로 제어할 수 있게 되는데 , 이러한 반도체를 " 마이크로 프로세서 " 라고 한다 .
반도체는 어떤 일을 하는가 ?
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전자회로 /집적회로란 ?
전자회로 우주선 , 항공기 , 가전 , 정보통신 , 전기 , 산업전자기기등이 모두 전자회로에 의해 인간이 원하는 동작을 하고 있기 때문에 이를 이해하고 개발하는데 가장 핵심이 되는 학문
집적회로
전자회로(R, L, C, 각종센서 ,
반도체 칩으로 구성 )
집적회로On Si Wafer
전자회로설계Layout
IC Fabrication ProcessPackage
Test
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집적회로 설계시 요구되는 반도체 소자
• 능동소자
- BJT (Bipolar Juction Transistor)
- MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Oxide Tr.)
- Diode
• 수동소자
- 저항 : 전압강하를 이용한 전압제어
- 커패시터 : 리액턴스 크기가 주파수에 반비례
- 인덕터 : 리액턴스 크기가 주파수에 비례
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Semiconductor Chip
Concept(idea)
Circuit(hardware)
SemiconductorChip
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Integrated Circuit Manufacturing Sequence
IC fabrication (wafer 가공 )Process (EE4330, EE6322)
Chip test
Packaging
Wafer Manufacturing (EE4330, EE 6322)
(1) 칩 (Chip), Die (2) Scribe line (3) TEG(Test Element Group) (4) Edge die (5) Flat Zone
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The Larger Wafer the Better !
2” dia. 12” dia. 12” pizza
# ofdies
Wafer size
Production cost
Wafer size
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# of devices
SSI (Small scaleIC)
1 ~ 100
MSI (Mediumscale IC)
102 ~ 103
LSI (Large scaleIC)
103 ~ 105
VLSI (Very Largescale IC)
105 ~ 106
ULSI (Ultra Largescale IC)
106 ~ 109
GSI (Giga scaleintegration)
109 ~
RLSI (RidiculouslyLarge scale IC) ?
Next to GSI
Gordon Moore : a co-founder of Intel
“Component counts per unit area doubles every two years .”
Feature size reduction enables the increase of complexity.
Integration Density of Chip
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반도체 제품
Memory 제품 RAM, ROM
Micro 제품 메모리를 제외한 반도체 제품
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메모리 반도체 제품
반도체 메모리 : RAM (Random Access Memory) ROM (Read Only Memory)
메모리는 데이타나 프로그램의 명령과 같은 정보를 기억하는 장치로서 반도체메모리 , 카세트테이프 , CD, LD 등
DRAMSRAMVRAMHigh Speed DRAMMemory Module Memory CARD
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Personal ComputerPersonal Computer
DDR: Double Data Rate
Graphic DRAMATI VS. nVIDIA
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Digital Semiconductor(Pentium IV)
42 million transistors
0.18 micron
1.5 GHz
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SD
RA
MS
DR
AM
System
System(P
C B
oard
)(P
C B
oard
)
168pin DIMM PC133 SDRAM
CPUCPU
DIMMDIMMSocketSocket
ChipsetChipset
SDRAM for GraphicSDRAM for Graphic
SDRAM
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Manufacture for Semiconductor Chip
DesignArea
CADArea
ProcessArea
TestArea
ElementArea
ProductArea
To make a semiconductor
Co-Work
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Design Method of Semiconductor Chip
Fast Low cost
Trend of Product
Design method
Design
Small areaLow power
simulation Layout PG
Spec. SPICE Verify
Tech. decision DRC/LVS
Process
반도체소자 (Tr./R/L/C) 를 이용하여 회로설계
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집적회로 설계의 필요성
집적회로의 필요성
• 소형화 • 다량생산 • 가격의 저렴화 • 정보사회의 구현 • 국가적 경쟁력
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정보화 사회
공업을 주체로 발전해온 공업사회에서 벗어나 정보산업을 주체로 하며다양한 정보의 생산과 전달을 중심으로 전개되는 사회 .
Network
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정보화 사회로의 적극 대응함 으로 써 초고속 인터넷 1,200만 , 이동전화 3,300
만등
세계 최고 수준의 정보통신 인프라 국가로 괄목할 만한 성과 이룸
Ubiquitous IT 시대 선도
'도처에 널려 있다 ', '언제 어디서나 동시에 존재한다 ' 라는 라틴어에서 유래한
개념으로 언제 , 어디서나 , 누구라도 컴퓨터와 네트워크를 통해 손쉽고 , 편리하고 ,
안전하게 이용할 수 있는 환경을 의미
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Huk huk……….
과거 / 현재 / 미래
Vision(목표 )
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반도체 설계엔지니어가 되기 위하여
VisionDream
지금부터 계획을 세워
VISION(앞으로의 목표 )
전략을 잘 세워
설계엔지니어가될수 있도록
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반도체설계 엔지니어의 위치
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• 반도체 기술의 지수함수적 발전은 정보혁명을 가져왔으며 정보
기술
은 사회의 기반기술로서 중요한 역할이 계속될 것이다 .
• 반도체 설계는 소자 , 회로 , 알고리즘 , 소프트웨어 , 응용 시스템등
관련
관련분야가 광범위하다 .
• 반도체 기술은 2020년경 까지는 무어의 법칙에 따라 발전할
것이며 ,
그 이후 새로운 소자로 대체 되는 경우에도 설계기법은 계속
적용할
수 있을 것이다 .
• 반도체 설계 기술은 진입 장벽이 높으나 어느 정도 기간만
인내하면
궤도에 도달할 수 있다
• 사회적인 수요가 지속되므로 앞으로 국가적으로 이익을 창출에
기여
할수 있고 , 개인적으로 ? ! .
결 론
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모든 사물과 인간에 다수의 컴퓨터가 부착되고 네트워크가 통합되어 인간중심의 전자 지능이 펼쳐지는 유비쿼터스 정보시대가 펼쳐지고 있습니다 .
앞으로 정보화 시대를 위해선 반도체 집적회로 칩이 필수적입니다 . 그러므로 ? ! (내 직업이 내 인생이 내 삶이 ………………… )
결 론
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Thank you for attention