저전력 IC 기술동향 분석; 경쟁력 높은 IC 구현을 위한 ‘IP 저전력’ 설계

 

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[연재 기고] 저전력 IC 기술동향 분석; 경쟁력 높은 IC 구현을 위한 ‘IP 저전력’ 설계

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"Multi-voltage design"과 "multi-threshold voltage design"은 두 가지 다른 개념이며, ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) 또는 다른 집적 회로 디자인 분야에서 사용되는 중요한 개념입니다.

1. **Multi-Voltage Design (다중 전압 디자인):**
   - Multi-voltage design은 디바이스 또는 회로 내에서 여러 개의 서로 다른 전압 레벨을 사용하는 디자인 방법을 나타냅니다.
   - 이는 전력 소모를 최적화하거나 다양한 기능 블록 간의 상호 독립성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
   - 예를 들어, 하나의 ASIC 칩 내에서 코어 논리, 메모리, 통신 인터페이스 등의 다양한 기능 블록이 있을 때, 각 블록이 다른 전압 레벨에서 동작할 수 있습니다. 이렇게 하면 전력 소모와 성능을 최적화하면서 전체 시스템의 기능을 유지할 수 있습니다.

2. **Multi-Threshold Voltage Design (다중 스레시홀드 전압 디자인):**
   - Multi-threshold voltage design은 논리 게이트나 전자 소자의 스레시홀드 전압을 조절하여 디바이스 또는 회로의 동작 특성을 조절하는 디자인 방법을 나타냅니다.
   - 이는 논리 게이트의 속도, 전력 소모 및 신호 노이즈 특성을 조절할 수 있는데 사용됩니다.
   - 예를 들어, 낮은 스레시홀드 전압을 가진 논리 게이트는 높은 성능을 제공하지만 전력 소모가 높을 수 있으며, 높은 스레시홀드 전압을 가진 논리 게이트는 더 낮은 전력 소모를 가지지만 성능이 낮을 수 있습니다.

요약하면, multi-voltage design은 다양한 전압 레벨을 사용하여 전력 및 기능 최적화를 달성하는 것을 의미하고, multi-threshold voltage design은 스레시홀드 전압을 조절하여 논리 게이트나 전자 소자의 동작 특성을 제어하는 것을 의미합니다. 이러한 기술은 집적 회로 디자인에서 성능 및 전력 효율성을 극대화하는 데 중요합니다.

 

 

 

>>>  하나의 칩을 만들때, HVT, LVT를 섞어서 사용할 수 있는가?

 

네, 하나의 칩을 만들 때 HVT (High Voltage Threshold)와 LVT (Low Voltage Threshold) 라이브러리를 혼합해서 사용하는 것은 가능합니다. 이러한 혼합 사용은 ASIC 설계에서 흔히 사용되는 방법 중 하나이며, 이를 통해 여러 이점을 얻을 수 있습니다.

다음은 HVT와 LVT를 혼합해서 사용하는 이유와 이점입니다:

1. **전력 최적화**: 칩의 다양한 부분에 따라 전력 소모를 최적화하려면 HVT와 LVT 라이브러리를 혼합하여 사용할 수 있습니다. 더 높은 성능이 필요한 부분에는 HVT를 사용하고, 전력 효율성이 중요한 부분에는 LVT를 사용하여 전체적으로 전력 소모를 줄일 수 있습니다.

2. **온도 및 환경 조건**: 칩이 동작하는 환경 및 온도 조건에 따라 라이브러리를 선택할 수 있습니다. 일부 환경에서는 HVT가 더 안정적으로 동작할 수 있고, 다른 환경에서는 LVT가 더 효율적일 수 있습니다.

3. **편의성**: 라이브러리를 혼합하여 사용하면 설계자가 더 많은 유연성을 가질 수 있습니다. 설계의 특정 부분에 최적화된 라이브러리를 선택할 수 있으므로 설계의 요구 사항을 더 쉽게 충족시킬 수 있습니다.

4. **설계의 복잡성**: 큰 ASIC 디자인에서는 여러 부분으로 나눠져 있을 수 있으며, 각 부분마다 최적의 라이브러리를 사용함으로써 전체 설계의 복잡성을 줄일 수 있습니다.

HVT와 LVT 라이브러리를 혼합해서 사용할 때는 주의해야 할 점도 있습니다. 두 라이브러리 간의 인터페이스와 전압 레벨을 적절하게 조절하여 시그널 레벨을 일치시켜야 합니다. 또한 이를 위해 추가적인 검증 및 테스트가 필요할 수 있습니다.

 

>>> 그럼 가령, 90나노 칩 하나를 만드는데, register 와 mcu 는 LVT 로 합성하고, AnalogIF는 HVT 로 합성을 했을 때, 서로 시그널을 주고 받는 녀석들끼리만 서로 사용하는 voltage level에 맞춰서 전압레벨을 조절하기만 한다면 된다는 거지?

 

네, 기본적으로 Register 및 MCU와 Analog Interface (AnalogIF)가 서로 다른 전압 레벨을 사용하더라도, 두 레벨 간의 시그널을 맞추기 위해 레벨 변환기(이를테면 레벨 시프터 또는 레벨 적응기)를 사용하여 시그널을 전달할 수 있습니다. 이렇게 하면 Register 및 MCU와 AnalogIF 간의 인터페이스 문제를 해결할 수 있습니다.

전압 레벨을 맞추기 위한 레벨 변환기는 특정 전압 레벨에서 시그널을 다른 전압 레벨로 변환할 수 있도록 설계됩니다. 따라서 Register 및 MCU에서 생성된 LVT 신호는 레벨 변환기를 통해 HVT 레벨로 변환되고, AnalogIF에서 생성된 HVT 신호는 LVT 레벨로 변환됩니다. 이렇게 하면 서로 다른 전압 레벨 간의 시그널 통신이 가능해집니다.

또한, 이러한 레벨 변환기를 사용할 때에는 시간 지연과 전력 소모에 주의해야 합니다. 레벨 변환기를 통과하는 시그널은 어떤 형태로든 변환되므로 신호의 시간 지연이 발생하고, 레벨 변환기 자체도 일정한 전력을 소비합니다. 이러한 특성을 고려하여 설계를 최적화해야 합니다.

또한, 레벨 변환기의 정확한 동작과 안정성을 보장하기 위해 충분한 검증과 테스트가 필요합니다.

 

>>> 너는 앞에서 설명할때는 lvt 와 hvt 간에 전압레벨을 바꿔줘야 한다고 했느데, 이건 공급전압이 아니라. 서로 주고 받은 시그널의 threshold 관련 게이팅 전압을 바꿔야 한다는 거지?

 

네, 맞습니다. 제 답변에서 미스포인트가 있었습니다. LVT (Low Voltage Threshold)와 HVT (High Voltage Threshold)의 주요 차이점은 논리 게이트나 전자 소자의 스레시홀드 전압(threshold voltage) 레벨에 있으며, 공급 전압(voltage supply) 자체와 직접적인 관련이 없습니다.

LVT와 HVT 라이브러리는 동일한 공급 전압 아래에서 동작하며, 그 차이는 스레시홀드 전압의 레벨에 있습니다. 이 스레시홀드 전압 차이는 게이트나 전자 소자의 동작 특성을 제어하는 데 사용됩니다.

따라서 서로 다른 스레시홀드 전압 레벨을 가진 LVT와 HVT 논리 게이트 또는 전자 소자 사이에서는 스레시홀드 관련 게이팅 전압을 고려하여 시그널을 주고 받아야 합니다. 이를 통해 서로 다른 레벨의 스레시홀드를 가진 논리 게이트 간의 상호 작용을 관리하고, 시스템의 동작을 조절할 수 있습니다.