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아날로그 설계를 위한 EDA 툴은 어떻게 진화하고 있는가?

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자료제공/Siemens EDA

디지털 설계 자동화는 표준화된 전자 부품들에 대한 추상화된 표현을 사용해서 디자인을 합성하고 시뮬레이션하는 것이 가능하다. 이 방법이 디지털 설계로는 잘 정립되어 있는데, 아날로그 설계로는 이렇게 하기가 훨씬 어렵다. 이것은 본질적으로 아날로그 연산은 0과 1로 표현할 수 없기 때문이다. 이 점은 더 높은 설계 유연성을 가능하게 하나 동시에 분석이 더 복잡하다는 것을 뜻하기도 한다.

아날로그 IC 설계가 진화하는 것과 마찬가지로 EDA (electronic design automation) 툴도 차세대 칩의 까다로운 검증 요구에 발맞춰 진화하고 있다. 아날로그, 혼성신호, RF 설계 툴이 계속해서 빠르게 성장하고 있고 최근 몇 년에 걸쳐서 두 자릿수의 연간 성장률을 보이고 있다. 그렇기는 하지만 그 범위에 있어서 디지털 설계 용의 툴에는 한참 뒤떨어져 있다.

이 때문에 EDA 업계는 아날로그 설계로 높은 수준의 추상화를 달성하는 것에 있어서 아직 충분히 성공을 거두고 있지 못하고 있다. 이러한 기술적 과제에다 더해서, 아날로그 설계 전문성의 기교적 요소는 여전히 신비에 쌓여 있다. 아날로그 엔지니어들은 전문화된 역량과 지식을 가지고 최소한의 표준화 부품을 사용해서 맞춤화된 회로를 설계한다.

그러므로 맞춤화된 디자인을 설계하기 위해서 전문적인 경험, 분석 요구, 경험적 원칙을 자동화하는 것이 기술적으로 간단하지도 않을뿐더러 당사자인 디자이너들로부터 환영을 받지도 못하고 있다. 새로운 아날로그 자동화 툴을 도입하기 위해서는, 아무리 최적화를 통해서 훌륭한 성능을 달성할 수 있다고 하더라도, 엔지니어들에게 사고의 전환이 필요하고 그러한 툴들이 수작업적으로 디자인을 최적화할 때의 부담을 많이 덜어줄 것이라고 신뢰할 수 있어야 할 것이다.

하지만 Siemens EDA의 AMS 부문의 제품, 마케팅, 사업 개발 책임자인 Sathish Balasubramanian은 하향식 디지털 방법론의 이점에 대한 인식이 확산되고 있다고 본다. “아날로그 및 혼성신호 디자인의 기능 검증으로 디지털 검증 기법을 도입하기 위한 패러다임의 전환이 일어나고 있다.”

Balch 이사 역시도 앞으로 디지털 툴을 어느 정도 따라잡을 것이라고 본다. “궁극적으로 아날로그 설계 툴은 디지털 설계 툴이 걸었던 길을 따라갈 것이다. 최신 전자 디바이스로 계속해서 더 많은 아날로그 회로를 포함함으로써 아날로그 엔지니어들이 그 많은 설계 작업을 수작업으로 한다는 것이 불가능하게 되었다.”

점진적인 진화

위에서 언급한 과제들에도 불구하고 진화의 징조는 보이고 있다. 아날로그 시뮬레이터를 예로 들 수 있다. 아날로그 시뮬레이터는 최신 프로세스 노드를 지원하기 위해서 모델 파서(model parser)를 계속해서 향상시켜야 한다. “아날로그 시뮬레이터가 중요한 것은, 새로운 칩을 개발할 때 토대적인 디지털 빌딩 블록이 되는 것으로서 표준 셀 라이브러리 특성분석에 사용되기 때문”이라고 Balasubramanian 책임자는 말했다.

아날로그 시뮬레이터의 핵심을 이루는 것이 매트릭스 솔버(matrix solver)이다. 특히 대형 회로로 그렇다. 시뮬레이션 시에 매트릭스 솔버를 반복적으로 불러내서 실행한다. “매트릭스 솔버와 병렬화를 향상시키기 위한 새로운 알고리즘들이 도입되고 있다. 그럼으로써 회로 시뮬레이터로 런타임을 단축할 수 있다”고 그는 덧붙였다.

이러한 툴의 사용자인 아날로그 칩 개발자들 역시도 낙관적인 희망을 내비치고 있다. Analog Devices의 고객 툴 경험 이사인 Henri Sino는 “EDA 툴을 통해서 가상적인 아날로그 설계로 랩 수준의 결과를 달성하기 위해서는 막대한 컴퓨팅 성능과 시뮬레이션 시간을 필요로 한다. 이러한 요구에 부응해서 EDA 로드맵을 강화하고 확장하고자 우리 회사는 우선적으로 데이터시트 같은 엔지니어링 자료의 디지털화에 나서고 있다”고 말했다. Analog Devices는 웹 기반 툴, 인터액티브 콘텐츠, 포괄적인 시스템 디자인을 출발점으로 삼고 있다고 그는 덧붙였다.

머신 러닝의 역할

핵심 과제와 가능한 솔루션과 관련해서 Balch 이사는 또 다른 중요한 점을 지적한다. 디지털 설계 분야는 최신 프로세스 노드와 첨단 소재를 사용하면서 디자인 규모와 복잡성이 높아짐에 따라서 더 많은 설계 자동화가 필요하게 되었다. 그런데 이용할 수 있는 아날로그 설계 전문가는 충분치 않으며, 기존 접근법을 고수하기에는 설계 일정이 너무 촉박하다.

“머신 러닝 알고리즘이 아날로그 설계 방법론으로 자동화를 활성화하는 촉매제 역할을 할 수 있을 것”이라고 Balch 이사는 말했다.

Balasubramanian 책임자 역시도 아날로그 EDA 툴로 머신 러닝의 가능성에 대해서 비슷한 의견을 나타냈다.  

“아날로그 설계는 더 이상 연산 증폭기, 데이터 컨버터, 필터 같은 블록 차원 디자인으로 제한되지 않는다. 오늘날 인공 지능으로 아날로그 회로가 점점 더 많이 사용되고 있다. 아날로그는 뇌가 작동하는 것을 더 근접하게 표현할 수 있기 때문이다”고 Balasubramanian 책임자는 말했다. 아날로그 시뮬레이션은 다량의 측정 데이터를 발생시킨다. 머신 러닝이 진보함으로써 이 대량의 원시 데이터로부터 귀중한 설계 통찰을 이끌어냄으로써 디자이너의 생산성을 향상시킬 수 있다.

머신 러닝으로 설계 데이터뿐만 아니라 물리적 속성의 변이성에 관한 데이터를 활용해서 변이성 모델(variability model)을 구축할 수 있다. 설계 변이성 분석에 이 모델을 사용함으로써 브루트 포스(brute-force) 기법을 사용할 때보다 시뮬레이션 런을 1천분의 일로 줄일 수 있다.

[그림 3] 아날로그 및 혼성신호 설계 툴로 머신 러닝 알고리즘을 활용하게 될 것이다. (출처: Siemens EDA)

SoC의 심장으로서 아날로그

디지털 회로가 일상적인 컴퓨팅의 대부분을 맡고 있고 최신 칩의 핵심을 이루고 있으나, 시스템온칩(SoC)의 성공적인 동작을 위해서 아날로그 회로가 여전히 필수적인 역할을 한다. 예를 들어서 클록은 SoC의 심장 박동이라고 할 수 있는 것으로서 위상 동기화 루프(PLL)로부터 소스를 제공받는데, PLL은 주로 아날로그 및 혼성신호 디자인이다.

Balch 이사가 또 한 가지 지적한 점은, 아날로그 EDA로 최근의 개발은 주로 아날로그 회로의 기생 효과를 더 잘 모델링하고 분석하기 위한 것에 초점이 맞춰져 있다는 것이다. Siemens EDA의 mPower 툴이 대표적인 예라고 할 수 있다. “분석 툴과 디자인 최적화가 아날로그 설계가 성공하기 위해서 확실히 중요한 요소이다. 하지만 이것들은 아날로그 설계 자동화를 위한 장기적 비전에 있어서 일부분에 불과한 것이다.”

1990년대 말과 2000년대 초에 아날로그 합성과 추상화 기법을 도입하고자 하는 열렬한 시도가 있었다. 하지만 이 시도는 끝내 성공하지 못했다. 지금 우리는 첨단 머신 러닝 기법을 도입해서 이러한 접근법을 부활시킬 수 있는 계기를 맞고 있다. “그렇더라도 아날로그 설계 방법론이 당장에 디지털 방법론을 따라잡지는 못할 것”이라고 Balch 이사는 말을 맺었다. 

leekh@seminet.co.kr
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