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메모리분야에 치우친 국내반도체산업이 ASIC에 대한 집중투자로 변신을 시도하고 있다. 반도체가 이용되는 모든 첨단제품에 필수적인 ASIC에 대해 자세히 알아본다.

흔히 주문형 반도체라 불리우는 ASIC의 정확한 명칭은 특정 용도용 집적회로(Application Specific Integrated Circuits)이다. 이것은 어떤 특정한 시스템에 이용하기 위해 제작된 집적회로(IC)로서 범용 IC에 대응되는 개념을 가지고 있다.

예를 들면 요즘 음성 메시지를 남겨 둘 수 있는 냉장고가 선전이 되고 있는데 그 내부는 (그림2)처럼 음성녹음재생용 ASIC 1개와 2백56K D램, 그리고 스피커구동 IC로 간단하게 구성되어 있다. (그림1)는 필자가 약 6년전에 비슷한 기능을 범용 IC를 이용하여 구현한 회로이다. 여기에는 녹음재생용 회로를 위해서만 범용 IC가 약 15개쯤 사용되었을 뿐만 아니라 저항 등의 수동소자가 50여개 사용되었다.

이를 비교할 때 ASIC을 이용하면 회로의 구조를 간단하게 하는 것이 가능할 뿐 아니라 특수기능을 값싸게 실현시킬 수 있음을 알 수 있다.
ASIC은 우리가 늘 쓰는 가전제품에서 부터 통신 컴퓨터 등의 중요한 전기 및 전자산업은 물론, 수치제어장치나 세포내의 DNA구조 해석장치에 이르기까지 용도가 다양하다.

고집적기술을 바탕

ASIC의 발달 배경을 보면 크게 세가지를 들 수 있는데 첫째는 개성화와 동시에 경제성을 추구하는 사회적 요구 둘째는 초고밀도 집적회로(VLSI) 기술의 발전 세째는 컴퓨터 등을 이용한 설계기법의 발전이다.

우선 첫번째의 사회적 요구를 살펴보면 80년대의 풍요지향적인 사회속에서 소비자들은 종래의 표준품에 만족하지 못하고 독창적이고 기능이 높은 제품을 요구하게 되었다. 이 현상은 꼭 전자부문에만 국한된 현상은 아니다.

예를 들면 신발의 경우 예전에는 고무신이나 운동화 한 켤레만 가지고 닳아 없어질 때까지 신었는데 이제는 구두에서 부터 조깅화 등산화 테니스화 등 용도별로 여러개의 신발을 개인이 갖추게 되었다. 이 경우 조깅화나 등산화를 특정용도 신발들이라고 해석할 수도 있다. 한편 전자제품의 경우 종전에는 컴퓨터의 화면에서 영어의 알파벳이나 한글 등의 글자가 나오는 것만으로 만족했다. 그러나 현재는 컴퓨터에 그래픽 기능이 많이 요구되고 또 사용자 마음대로 글자 크기를 축소 확대하는 기능을 요구하고 있다. 이 경우 이러한 기능을 값싸게 만들기 위해서는 위의 기능을 수행하는 전자회로를 집적회로화 해야 한다.

두번째로 집적회로 기술의 발달로 한개의 IC안에 대단히 많은 수의 트랜지스터를 집적시키는 것이 가능하게 됐다. 예를 들어 현재 많이 생산되는 1M D램에는 1백만개가 넘는 트랜지스터가 집적되어 있다. 학생들이 주로 쓰는 8비트 개인용 컴퓨터의 내부를 보면 한개의 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판) 위에 CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치), 기본 프로그램 저장용 롬(ROM) 그리고 램(RAM)등이 있다. 이때 여기에 사용된 범용 IC는 약 수십개 정도이다.

그런데 CPU IC에는 약 1만개미만의 트랜지스터가 있으면 되고 16K 바이트의 롬에는 전부 약 13만개의 트랜지스터가 필요하다. 64K 바이트의 램에는 약 5백만개의 트랜지스터가 필요하므로 트랜지스터의 모든 합계는 1백만개에 못미친다. 따라서 8비트 퍼스컴도 1개의 IC로 집적회로화 하는 것이 기술적으로 가능하다.

이와 같이 종전에는 1개의 PCB 위에 많은 수의 범용 IC를 연결해서 제품(컴퓨터)을 만들었는데 현재는 1개의 실리콘칩(보통 크기가 1㎠ 이하)에 전체 시스템을 구현하는 것이 VLSI기술의 발달로 가능하게 됐다. 이를 보통 SOS(System On Silicon, 실리콘상의 시스템)이라 부른다.

세번째로 ASIC의 발달에는 설계기법의 향상을 빼놓을 수 없다. VLSI기술의 발달에 의해 많은 수의 트랜지스터를 한개의 칩 위에 집적할 수 있다고 그것이 곧 원하는 시스템이 되는 것은 아니다. 원하는 시스템을 만들기 위해서는 이들 트랜지스터들을 잘 연결해야 하는데 트랜지스터 수가 1백개 미만일 때는 손으로도 이들을 연결하는 것이 가능하다. 그러나 1만개만 넘어도 현실적으로 이 작업은 거의 불가능하다. 따라서 현재 집적회로 설계에는 워크스테이션이라고 불리우는 퍼스컴보다 훨씬 강력한 컴퓨터들이 사용되고 있다.

그리고 설계 방법에 있어서도 설계를 트랜지스터 단위로 하지않고 미리 만들어진 셀(cell)을 이용해서 하는 기법들이 사용되고 있다. 보통 한개의 셀 안에는 트랜지스터가 수십개부터 수만개까지 쓰이고 있으며 CPU나 ROM, RAM 셀도 있다.

전주문형 IC

집적회로는 용도와 설계 방법에 따라 (그림 3)과 같이 분류할 수 있다. 여기에서 ASIC에는 전주문형 IC와 반주문형 IC가 있음을 알 수 있다. 우선 전주문형 IC의 공정 및 설계과정을 살펴보기로 한다. 집적회로용 반도체 공정에는 타입의 MOS 트랜지스터와N-타입의 MOS 트랜지스터를 이용하여 회로를 설계하는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정이 주로 사용되고 있다.

MOS형 트랜지스터는 (그림 4)에서 보는 것처럼 드레인(drain)과 소스(source)의 양 단자 사이에 게이트(gate)라고 하는 제어단자가 있는 3단자 소자이다.

N-타임의 MOS 트랜지스터의 경우 게이트에 로직 레벨 '1'(전기적으로 5V에 해당)의 전압이 가해지면 트랜지스터의 드레인과 소스가 연결된 상태가 되고, 반대로 로직 레벨 '0' (전기적으로 0V에 해당)이 가해지면 양 단자 (드레인과 소스)간이 끊어진 상태가 된다.

한편 P-타입 MOS 트랜지스터의 경우는 반대로 게이트에 로직 레벨 '1'이 가해졌을 때 양 단자 간이 끊어진 상태가 되고, 로직 레벨 '0'이 가해지면 양 단자간이 서로 전기적으로 연결된 상태가 된다.

이러한 트랜지스터를 금속선으로 서로 연결하면 로직(logic)소자(예를 들면 인버터, AND, OR 소자)나 기억소자(예를 들면 ROM, RAM)를 만들 수 있다.

(그림 5)는 CMOS공정을 이용하여 IC를 설계하는 과정을 간략하게 보인 것이다. 집적회로 설계 및 공정 과정은 위의 그림에서 보듯이 컬러인쇄 과정과 대단히 비슷하다는 것을 알 수 있다.
컬러인쇄 과정에서 처음에 화가는 필요한 그림물감을 이용하여 그림을 그린다.

그러면 인쇄소에서는 이 그림을 색분해(복잡한 그림을 삼원색으로 나누는 과정)한 후, 빨간색 노란색 파란색 그리고 검정색(글자가 많은 경우) 등으로 원판을 만들어서 찍는다. 단지 차이가 있다면 반도체 공정의 경우 선폭이 가늘고(최소 선폭이 약 1㎛, 즉 1천분의 1mm) 사용되는 마스크 (인쇄회로의 원판에 해당)의 수가 많으며(약 8장~13장) 공정이 화학적으로 이루어진다는 것뿐이다.

전주문형 IC 설계 방법은 IC를 트랜지스터 레벨에서 부터 그리는 방법이다. (그림 5)의 도면은 단 2개의 트랜지스터 밖에 사용되지 않았는데 현재 실용화되고 있는 집적회로에 들어가는 트랜지스터의 수가 수십만개에 이르고 있는 것을 고려해볼때 전주문형 IC 설계 기법을 이용하는 것은 설계 기간이나 설계에 필요한 경비의 면에서 소량생산에는 대단히 불리하다.

반주문형 IC

대부분의 ASIC은 개발 비용과 시간의 문제 때문에 반주문형 IC 설계 기법을 이용하여 만들어진다. 반주문형 IC는 (그림3)에서 본 것처럼 스탠더드 셀(standard cell)방식과 게이트 어레이(gate array)방식으로 대표될 수 있다.

■스탠더드 셀

옛날에 책을 목판인쇄기술(가령 해인사의 팔만대장경)을 이용하여 만들때는 필체가 좋은 사람이 글을 전부 종이에 쓴 다음 그것을 나무판에 붙이고 조각칼로 일일이 글자를 파야 했다. 그러나 활자 기술을 사용하면서 부터 필요한 활자를 원고대로 조합해서 찍으면 되기 때문에 필체가 좋은 사람이 필요없을 뿐만 아니라 시간도 훨씬 적게 걸리게 되었다.

집적회로 설계 기법에서도 전자와 비슷한 방식이 전주문형이고 후자를 스탠서드 셀 방식이라 할 수 있다. 즉 스탠더드 셀 방식에서 설계자가 사용하는 컴퓨터에는 인버터 AND소자 등의 로직소자에서 부터 마이크로 프로세서 ROM RAM에 이르기까지 자주 쓰이는 수백종의 회로의 레이아웃(layout, (그림5)와 같이 색별로 나누어진 도면)이 데이터베이스의 형태로 준비되어 있다. 따라서 설계자는 자기가 원하는 시스템을 스텐더드 셀에 있는 소자(인버터 AND 롬 등)를 이용하여 설계한 후, 준비된 데이터베이스에서 필요한 레이아웃을 불러내어 이들을 금속선으로 서로 연결하여 IC를 설계한다.

그렇기 때문에 IC 설계에 걸리는 시간이 적게 걸릴 뿐만 아니라, IC의 회로에 능통하지 않은 시스템 엔지니어(즉 필체가 좋지 않은 사람)들이 쉽게 IC를 설계 할 수 있게 된다. 한가지 언급할것은 스탠더드 셀 방식의 경우 마스크를 만들기 위한 설계 과정에 있어서 전주문형 방식과 차이가 있지만, 마스크가 준비된 후의 IC 제조공정에 있어서는 전주문형 IC 제조방식과 차이가 없다. 그리고 설계된 회로의 칩 면적은 일반적으로 전주문형 방식으로 설계된 때보다 약간 크다.

■게이트 어레이

인쇄소에서 달력을 만들때 소량의 주문이 있을 때마다 일일이 천역색 그림이 들어가는 달력을 처음부터 찍는 것은 비경제적인 일이다. 이 경우 인쇄소에서 우선 그림 부분만을 대량으로 찍어두고 고객이나 연도의 차이에 따라 단지 글자가 찍히는 검정색 원판만을 다시 설계해서 미리 만들어 둔 그림 위에 찍어서 주면 소량주문에도 신속하고 경제적으로 응할 수 있을 것이다.

게이트 어레이 방식에서는 반도체 회사가 미리 트랜지스터를 규칙적으로 한 칩 안에 가득하게 만들어 놓은 반가공 상태의 웨이퍼(wafe, IC를 만드는 실리콘 기판)를 생산하여 준비해 둔다. 즉 (그림 5)에서 (c)의 과정까지 끝난 웨이퍼가 준비된다. 그리고 고객의 요구에 따라 (그림5)의 (d)와 같이 금속선 만을 적절히 다시 설계하여 원하는 기능을 가지는 IC를 제조한다.

이때 금속선만을 바꾸기 때문에 좋은 자동설계 프로그램을 만들기 쉽고, 따라서 설계자는 전주문형이나 스탠더드 셀 방식보다 짧은 시간에 설계를 마칠 수 있다. 또 IC 제작의 경우도 미리 트랜지스터가 만들어진 웨이퍼를 사용하므로 적은 수의 마스크만 있으면 되고 또 제조공정도 대단히 짧아진다.

단지 만들어진 칩의 면적이 전주문형이나 스탠더드 셀 방식에 비해 크고 또 아날로그 IC 등을 구현할 수 없는 것 등이 단점이다. 따라서 다른 어느 방식보다도 소량 생산에 적합한 방식이다.

장난감에서 로봇까지

지금까지 ASIC은 퍼스널컴퓨터에 많이 이용되었는데 앞으로는 컴퓨터뿐 아니라 통신 제어기기 등의 산업용기기, 그리고 민생용 기기등에 많은 응용이 기대된다.

PC의 경우 초기의 IMB-PC는 상당히 많은 양의 TTL 등 범용 로직 IC를 사용하였다. 현재 생산되는 IBM-PC AT급의 컴퓨터는 범용 로직 IC를 ASIC으로 바꾸었기 때문에 성능이 비약적으로 발전했는데 PCB의 크기는 여전히 거의 그대로이다. 또한 워드프로세서와 프린터 등의 단말장치에 ASIC이 많이 쓰이고 있다.

한편 상업용의 경우 로봇에 쓰이는 컨틀롤러나 화상처리 부분은 로봇의 크기를 줄이고 또 경제성을 위해서 집적회로화가 꼭 필요한 부분이다. 그리고 현재 이용되는 모뎀이나 팩시밀리를 비롯해서, 장차 종합정보 통신망(ISDN, Integtated Service Digital Network)이 확장될 경우 많이 쓰이리라 예상되는 화상전화용 영상부호화기(videp codec)등 ASIC기술은 장차의 통신용 제품 개발에도 필수적이라 예상된다.
민생용 제품의 경우 고화질TV(HDTV, High Definition Television), 비디오카메라 그리고 악기등에의 응용이 크게 기대되고 있다.

독자적인 설계기술이 필요

지금까지 살펴본 바와 같이 ASIC기술은 반도체 공정기술과 함께 표준데이터베이스의 구축을 포함한 설계 환경의 구축, 그리고 시스템 수준에서의 응용 기술이 서로 잘 결합되어야만 발전할수 있다.

현재 외국에서는 시스템에 대한 기능적 정의만으로도 IC가 설계되는 실리콘 컴파일러 기술을 집적회로 설계에 이용하기 위해 많은 연구가 진행중이다. 또 표준데이터베이스에서는 32비트 마이크로 프로세서 등 대형 셀(메가셀)들을 포함시키고 있다. 그리고 4M D램이나 1M S램 등에 쓰이는 최신의 공정기술을 ASIC에 이용하려하고 있다. 응용분야로는 퍼스널 컴퓨터부터 슈퍼 컴퓨터, 화상처리장치에 이르기까지 본격적인 실리콘상의 시스템시대를 향해 나아가고 있다.

우리나라의 경우 현재 메모리등의 범용소자 생산에 있어서는 세계적 수준이므로 반도체 공정기술은 위에 언급한 ASIC기술의 세 요소중 가장 발달한 부분이라 할 수 있다.

그러면 나머지 설계환경과 응용기술은 어떻게 발전시킬 것인가? 우선 설계환경의 경우를 보면 설계환경의 두 요체인 표준셀 데이터베이스의 구축과 소프트웨어의 개발에 있어서 절대적인 투자나 노력이 부족했음을 지적할 수 있다. 표준셀 데이터베이스는 그것을 구축하는 데는 상당한 노력이 필요하나 그것이 당장 신문에 발표할 수 있는 제품으로 나타나지 않으므로 정책적으로 그 중요성이 무시되어 왔다고 생각한다. 그러나 표준셀 데이터베이스가 부족하다는 것은 출판사에 없는 활자가 있다는 것과 같은 경우이니 그 중요성을 더 강조할 수 밖에 없을 것이다.
또한 공동의 표준셀을 만들려는 노력이 부족함도 지적할 수 있다. 현재 각 반도체 회사마다 독자적인 표준셀이 있음은 물론, 전자통신연구소와 몇개 대학에 저마다의 표준셀이 있으나 특성의 오차가 크며 종류자체가 외국에 비해 부족한 것이 문제로 지적되고 있다.

여기서 우리는 엔지니어링에서 표준이라는 개념을 생각할 필요가 있다. 표준이라는 개념은 마치 법이 그러한 것처럼 좁게 보았을때 모두에게 구속적인 성격이 있다. 그러나 크게 보았을때는 공존의 터전이 되는 것이다. 따라서 표준셀 데이터베이스의 구축과 소프트웨어의 개발등 설계환경의 구축은 반도체 회사나 정부, 그리고 학계 모두 힘을 모아서 경쟁이 아니라 협력의 차원에서 공동으로 노력할 필요성이 있는 분야라 생각한다.

한편 응용기술의 경우는 설계환경의 구축과는 반대로 독창적인 개성이 요구되고 경쟁이 발전의 원동력이 되는 분야이다. 그리고 시스템에 대한 노하우가 부가가치를 창출하므로 중소기업이나 시스템을 제조하는 대기업체의 시스템엔지니어의 참여에 의해서만 응용기술이 발전될 수 있다.

또한 학교에서는 IC 설계기술을 반도체 전공만이 아닌 컴퓨터 전자 제어계측 전기공학을 전공하는 학생들에게 가르쳐야 한다. 현재 제조업체가 안고 있는 원화절상에 따른 원가 압력을 줄이는데 특정용도용 IC의 도입은 매우 효과적이라 생각한다. 이 경우 문제점으로 지적되는 것은 ASIC기술을 도입키 위해서는 시스템설계의 원천기술을 알아야 한다는 것이다. 범용 IC를 이용한 모방생산기술에서 탈피해서 독자전인 시스템 설계능력이 있어야만 비로소 특정용도용 IC를 이용할 수 있다.

잘 보이지는 않으나 사회적으로도 독창적이고 개성적인 생각이나 제품을 높이 평가하는 분위기가 ASIC 기술의 발전에 밑거름이 된다고 생각한다.

급성장하는 ASIC시장 -올해86억달러 규모

세계반도체시장은 이제까지 D램등 메모리분야와 마이크로프로세서가 주축을 이루어왔다. 그러나 최근 몇년동안 에이식(ASIC)이라 불리우는 주문형반도체(custom IC)의 성장속도는 괄목할 만하다.

ASIC의 세계시장은 83년 23억달러에서 지난해에는 74억 달러로 급성장, 반도체 전체수요의 20%가량을 차지했다. 이는 국내반도체업체들이 주력하고 있는 D램분야보다 10억달러 큰 규모이다. ASIC는 올해 86억달러, 92년에는 1백40억달러 규모로 매년 15% 이상 성장할 것으로 전망된다.

이처럼 ASIC시장이 급속하게 확대되는데는 기술적인 발전과 메이커들의 첨단신제품 조기개발이라는 수요적인 측면이 시기적절하게 맞아 떨어졌기 때문이다.

ASIC의 가장 큰 특징은 하나의 칩위에 메로리 마이크로프로세서 논리회로 등 종전에는 몇개의 PCB로 구성되던 시스템기능을 집적시켰다는 것이다. 이에따라 시스템의 크키과 가격을 줄이고 성능을 크게 향상시켰다.

또 ASIC는 메모리분야와 같이 하나의 제품을 한꺼번에 대량 생산해 내는 것이 아니라 고객의 수요에 따라 특정용도에 맞게 다품종소량생산하는 특징이 있다. 따라서 메이커들이 첨단상품을 개발할 때 제품의 특성에 맞게 고기능의 ASIC칩을 이용할 수 있게 된 것이다.

ASIC의 이용분야는 장난감에서부터 고화질TV(HDTV) 종합정보통신망(ISDN) 등 첨단전자분야에 이르기까지 반도체가 쓰이는 모든 영역에 확대되고 있다. 특히 컴퓨터분야에서는 반도체와 시스템기술의 결합체로서 컴퓨터의 소형·경량화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

ASIC가 최근 들어 각광받기 시작한 것은 VLSI 등 반도체칩의 고집적기술과 반도체설계기술의 비약적인 발전에 힘입은 바 크다.
국내반도체업체들은 메모리 분야에 비해 상대적으로 ASIC분야을 등한시 하다가 최근 들어 관심을 기울이고 있다. 그러나 취약한 설계기술을 단시일내에 극복하기가 힘들것으로 보여 아직 시작단계에 머물고 있다고 말할 수 있다.

현재 국내업체들은 대부분 미·일의 반도체메이커들과 기술제휴를 통해 설계기술을 습득하고 있는 단계인데 금성사 삼성전자 대우통신 현대전자 아남산업 등이 이 분야에 참여하고 있다.

국내업체들은 가장 취약한 분야인 설계기술을 확보하는 한편 디자인센터 및 전용생산라인 건설에 착수하고 있다.
ASIC분야는 현재 메모리분야에 치우쳐 있는 국내반도체산업이 세계적인 기술추세에 맞추어 또따른 도약을 할 수 있는 돌파구라고 지적할 수 있다.