Dassault Systèmes

Introduction 반도체 산업을 뒷받침하는 유명한 법칙인 무어의 법칙은 칩에 탑재된 트랜지스터의 밀도가 2년마다 2배씩 증가할 것이라고 예측합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 칩 제조업체가 근본적인 물리적 한계에 다다르고 신기술 개발 비용이 급격히 증가함에 따라 무어의 법칙은 느려지고 있습니다. 대신 칩 제조업체들은 칩 성능을 향상시킬 수 있는 다른 방법을 모색하고 있습니다.

한 가지 유망한 접근 방식은 이종 집적화(Heterogeneous Integration, HI) 기술입니다. 이종 집적화는 모놀리식 실리콘 웨이퍼에 모든 기능을 구현하는 대신 각 기능에 가장 적합하고 비용 효율적인 제조 노드를 사용하여 서로 다른 기능을 서로 다른 칩에 패키징하고 이를 SoC에 통합합니다. 모듈식 칩렛은 어플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 다양한 방식으로 결합하여 혼합 및 매칭할 수 있습니다. 모놀리식 접근 방식에 비해 이종 집적화 기술은 비용을 절감하고 제조 업체가 성능의 한계를 계속 뛰어넘을 수 있게 해줍니다.

칩렛을 연결하기 위해 소스 싱크로너스 아키텍처를 갖춘 고병렬 버스 인터페이스가 자주 사용됩니다. 이는 지연 시간을 줄이고 높은 대역폭을 유지하는 효과적인 방법입니다. 그러나 이를 구현하는 데는 여러 가지 어려움이 있습니다. 

 

 

칩렛 아키텍처의 과제

이종 집적화로 설계된 SoC의 분리된 특성은 모두 연결해야 하는 개별 칩렛이 많다는 것을 의미합니다. 이러한 개별 칩렛을 연결하는데 지연 시간이 너무 길면 성능 이점을 잃게 됩니다.

일반적으로 낮은 전송 대기 시간을 달성하기 위해 HBM 및 UCIe 표준에서와 같이 소스 싱크로너스 아키텍처를 갖춘 병렬 버스가 사용됩니다. 소스 싱크로너스 아키텍처에서는 clock(스트로브)이 데이터와 함께 전용 트레이스에서 전송됩니다. 전달 시간은 트레이스 마다 다를 수 있으므로 모든 데이터 신호를 스트로브에서 올바르게 샘플링하려면 데이터 신호의 위상, 즉 skew를 일치시켜야 합니다.

데이터와 스트로브 트레이스의 skew를 일치시켜야 한다는 요구 사항은 칩렛 채널 구현에서 매우 중요합니다. 이 위상 관계를 유지하려면 데이터와 스트로브가 전파 지연을 기준으로 가능한 한 서로 일치해야 합니다.

 

소스 싱크로너스 아키텍처의 3D full-wave 시뮬레이션

기존의 2D 회로 시뮬레이션 방법은 밀집된 채널 간의 고밀도 수직 결합이나 도체 두께 및 저항의 영향을 포함하지 못하기 때문에 SoC에 대한 정확한 결과를 제공하지 못합니다. 아주 작은 타이밍 불일치만으로도 오류가 발생할 수 있기 때문에 데이터 속도를 GHz 단위로 측정할 수 있는 경우 이는 더욱 큰 문제입니다.

실리콘 인터포저와 TSV (Through-Silicon Vias), mesh 접지면과 같은 3D 구조도 고려해야 합니다. 실리콘 인터포저의 경우 기술 규칙 요구 사항에 따라 mesh 접지면을 사용해야 합니다. 즉, 두 신호 트레이스의 길이가 같더라도 리턴 전류의 경로가 다를 수 있으므로 총 전달 시간이 크게 달라질 수 있습니다.

 

2D와 3D 시뮬레이션 비교

그림 1. 신호 트레이스와 시뮬레이션된 전달 시간. (왼) 2D 시뮬레이션 (우) 3D 시뮬레이션

 

그림 1의 시뮬레이션은 2D 시뮬레이션과 3D 시뮬레이션의 결과 차이를 보여줍니다. 동일한 구조에 대해 2D 시뮬레이션에서는 delay skew가 1초 미만으로 추정되는 반면 3D 시뮬레이션에서는 delay skew가 10초로 계산되었습니다. 2D 시뮬레이션은 회로 구성의 중요한 기여를 놓쳐서 delay skew가 10배 증가했습니다. 10Gbps 데이터 채널에서 이는 10%의 오류율에 해당합니다. 따라서 정확한 시뮬레이션이 매우 중요합니다. 그림2과 같이 시뮬레이션과 측정 간의 높은 일치도를 달성할 수 있는 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 시뮬레이션에 대한 확신을 가질 수 있습니다.

그림 2. 데이터 Eye Width 및 Strobe-Centering 오류 상관관계

 

 

본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : 다쏘시스템