월간 "전자공업" 12월호

세계는 지금

고주파 아날로그 기술, 시스템 LSI로 급부상

시스템 LSI시장에서 살아남기 위해서는 아날로그기술의 확보가 필수불가결하다는 의견들이 반도체 기술자들 사이에서 거론되고 있다.
지금까지 반도체업체들은 전자기기업체에 시스템LSI를 팔기 위한 부가가치개발에 힘을 쏟아 왔다. 예를 들면 IP코어의 개발과 DRAM탑재 프로세스의 개발이다. 이러한 수법의 하나로서 새롭게 부상해 왔던 것이 아날로그기술이다.

◎ 칩 공간을 메우다.

아날로그 기술이 스포트라이트를 받게 된 이유는 반도체 제조기술의 미세화가 진전되었다는 데에 있다. 원칩에 많은 트랜지스터를 집적할 수 있도록 하였으나 디지틀 신호처리 회로만으로는 칩 전체를 다 메우지 못한다. 여기에서 자연스럽게 눈에 뜨인 것이 지금까지 집적하지 않았던 입출력 인터페이스의 아날로그 회로이다.
예를 들면 입출력 인터페이스의 아날로그 회로를 넣게 되면 파워앰프를 제외한 휴대전화기의 전회로가 원칩에 들어가게 된다. 전자기기업체에 실장면적의 축소와 코스트의 절감, 소비전력의 삭감, 그리고 프린트회로기판의 설계가 간단히 된다는 장점을 제시할 수 있다. 반도체업체에 있어서도 시스템LSI를 판매하기가 쉬워지고 경합반도체업체와의 차별화의 수단으로도 가능하다.
그런데 많은 반도체업체들에게 있어 입출력인터페이스의 아날로그회로 집적은 단순한 일이 아니다. 지금까지의 영상기기와 오디오기기와 같은 가정용기기에 사용해왔던 아날로그회로와는 다르기 때문이다. 가장 크게 다른 점은 신호주파수이다. 지금까지의 회로와는 다르게 신호주파수가 높다. 종래 대상이 되어 왔던 오디오와 영상 등의 신호에서는 주파수와 해상도의 상한선이 있었다. 인간의 시청능력에 한계가 있기 때문이다. 예를 들면 영상에서는 21비트 이상의 해상도가 있어도 인간의 눈으로는 판별할 수가 없다. 음악에서는 20㎑ 이상의 음은 들을 수가 없다. 그 시점에서 종래의 아날로그기술의 고성능화는 일단락되고 저코스트화로 그 초점이 이동되었다. 그러나 금후 시장의 확대가 기대되는 홈서버와 셋톱박스(STB), 가정용 PC, 휴대형정보단말 등의 전자기기용 아날로그회로는 다르다. 이러한 전자기기에 탑재되는 시스템 LSI의 입력신호주파수에는 기본적으로 상한선이 없다.
디지틀 통신과 디지틀 기록에서는 입력 신호 주파수가 높을수록 일반적으로 유리하게 된다. 예를 들면 홈서버에 내장되는 하드디스크장치. 기록용량이 높고 짧은 엑세스시간이 요구된다. 그 결과, 자기헤드에서 검출되는 단위시간 등의 정보량이 증가하고 리드채널회로에 전송되는 데이터의 속도가 상승한다(그림1).

그림1. 고주파 아날로그회로와 디지틀 신호처리를 집적한 시스템 LSI
(좌)는 고주파아날로그회로와 디지틀신호처리회로를 집적한 하드디스크장치용의 데이터입출력(LSI)이다. 리드채너부로의 입력 신호데이터전송속도는 300㎒, 美 Sillicon System,Inc.가 美 Maxim Integrated Products,Ins.가 공동으로 개발했다. (좌)는 (우)의 칩블럭도이다.

현재는 데이터전송속도가 300㎑ 정도이지만 1999년에는 약 500㎑, 2000년에는 약 800㎑에 달한 것으로 예상된다.
가정용 PC와 디지틀방식 카메라일체형 VTR 사이에서 비디오신호를 주고 받는 IEEE1394에서도 데이터전송속도의 향상은 필수불가결하다. 현재는 400Mbit/초이지만, 2000년에는 800Mbit/초, 또는 1.6Mbit/초로 높아질 것이다.

◎ 300㎒∼500㎒가 경계로

입력신호의 주파수가 몇 ㎒를 넘으면 고주파에 대응한 아날로그기술이 필요해지는 것일까? 확실한 경계는 존재하지 않는다. 많은 아날로그 기술자의 의견을 정리해보면 300㎒∼500㎒를 경계로 고주파아날로그기술이 필요하게 될 것 같다.
그런데 이러한 주파수를 넘는 영역에서 동작하는 아날로그회로의 설계노하우는 지금까지 주로 디지틀 LSI와 가정용 아날로그 LSI를 다루어왔던 일반 반도체업체에는 부족하다. 현재 가정용기기에 필요해 왔던 고주파 아날로그 회로기술은 수년전까지 군용과 산업용의 아날로그IC에 사용되어 왔던 것이기 때문이다. 이러한 높은 주파수에 대응하는 아날로그 기술은 美 Analog Devices, Inc.와 美 Burr-brown corp.등의 미국 아날로그 IC업체가 주도하고 있다.

◎ 인덕터의 집적이 요구된다.

실제로 현재 요구되고 있는 높은 주파수의 LSI와 종래부터 있었던 낮은 주파수의 LSI에서는 다른 점이 많다. 한마디로 말하면 보다 신중한 설계가 요구된다. 큰 차이점은 다음 3가지를 들 수 있다. 한가지는 전도잡음대책이 중요하게 되는 것이다. 디지틀회로의 잡음이 아날로그회로에 흘러 들어가 악영향을 미치게 된다. 높은 주파수가 되면 될수록 대책은 어려워지는 것이다. 두번째는 성능의 확보이다. 일반적으로 신호주파수가 높아지면 원하는 잡음지수와 이득, 소비전력을 확보하는 것이 어려워지는 경향이 있다. 세번째는 LSI상에 인덕터를 채용하는 것이 필요해지는 것이다. 휴대전화기 등의 RF프론트엔드 등 신호주파수가 약 1㎓를 넘는 회로에는 집적이 필수적이다(그림2).

그림2. 인덕터를 넣은 고주파 LSI
美 Philips Reserch Laboratories 사가 개발. Si바이폴라기술로 제조했다. 집적한 저잡음앰프의 dler은 35㏈, 잡음지수는 6.2㏈, 제3차인터셉트·포인트(Ⅱ P3)는-22㏈ｍ이다. Phillips Research Laboratories사에서 입수

인덕터를 집적하는 목적은 2가지가 있다. 하나는 성능향상을 위한 것이다. 인덕터를 負荷로써 사용함으로써 고속동작이 가능해지며 이득을 높일 수 있다. 또 하나는 50Ω의 인피던스 정합을 취하기 위함이다. 인피던스 정합을 실현할 수 없으면 반사에 의한 잡음이 증가하고 잡음지수 등의 성능이 떨어진다.

◎ 제조프로세스와 회로설계

이러한 고주파아날로그 회로를 포함한 LSI용으로 반도체업체는 대책을 세우기 시작했다. 대책은 크게 2가지로 나눈다. 한가지는 고주파동작에 대응한 트랜지스터를 제작하는 제조프로세스기술의 정비. 또 한가지는 고주파아날로그회로의 설계기술이다.
제조프로세스기술의 정비에 있어서는, 많은 반도체업체가 트랜지스터의 차단주파수를 높이는 개발에 몰두하고 있다.
차단주파수는 소자에 입력한 전류와 출력한 전류의 비가 1로 되는 주파수를 말한다. 즉 전류이득이 1인 주파수이다. 이 수치가 높아지면 높아질수록 고주파로 동작하는 LSI를 실현하기가 쉬워진다. 그만큼, 아날로그회로설계에 걸리는 부담이 작아진다.

◎ 인력확보를 서두르다.

회로설계 기술에 있어서는 각 반도체업체 모두 우선은 우수한 아날로그 회로 설계자를 확보하는 것이 시급하다. 예를 들면 美텍사스 인스트루먼트(TI)사는 유수아날로그IC업체인 미 실리콘시스템즈(SSI)의 일부를 1996년 6월에 매수하였다. SSI는 하드디스크장치용 리드체널LSI로 높은 점유율을 유지하고 있으며 비교적 높은 주파수인 아날로그회로의 설계노하우를 축적하고 있다. 또한 TI사는 美 Texas A & M University에 500만 불을 출자함으로써 아날로그 기술자 양성에 나서고 있다.
美IBM Corp.는 휴대전화기 등에 사용되는 고주파 회로설계를 하는 벤처기업이다. Commquest Technologies, Inc를 1998년 2월에 흡수합병하였다. 아날로그 회로와 디지틀 신호처리 회로를 집적한 휴대전화기용 시스템 LSI 등을 실현하기 위하여 Commquest사가 보유하고 있는 약 200명의 아날로그 회로 설계자가 필요했다고 설명하고 있다.
한편, 일본의 반도체업계도 인재의 육성을 서두르고 있다. 현재 Si재료를 사용해 실현하는 고주파 아날로그회로설계자의 육성에 힘쓰고 있다고 도시바 연구개발센터 관계자는 말하고 있다. 松下電氣産業에서는 한 사람 한 사람의 설계능력을 높이는 것이 금년 최대의 과제이고 이를 위해서는 설계노하우를 매뉴얼화하여 설계노하우 전수에 힘쓰는 것이다라고 말하고 있다. 이 외에 三洋電氣에서는 1998년 7월에 IBM사와 반도체기술에 관한 제휴를 했다. 이러한 목적의 하나가 고주파 아날로그기술을 획득하는 것이었다고 한다.
회로설계 기술에 관해서는 인재의 확보 이외에도 기술개발로 넘어야만 하는 과제가 있다. 이 과제는 반도체제조기술의 미세화가 원인으로 작용하게 되는 것이다.
하나는 전원전압의 저하이다. 미세화가 진전되는 결과로써 소자내압이 떨어지기 때문이다. 아날로그휠에서는 미세화로 인해 ∫1가 올라가며 대응가능한 주파수가 높아진다. 이러한 장점이 있는 한편, 전원전압이 낮아지고 전압의 Dynamic range가 좁아지는 것이다.
현재는 마스크수를 늘리고 산화막의 두께를 바꾸고 칩의 일부분에 전원전압이 높은 영역을 갖춤으로써 이를 막아낼 수 있을 것으로 보인다. 예를 들면 칩주변부만을 +3.3V동작으로 함으로써 아날로그회로를 이용한다.
그러나 저전압 동작에 대응하지 않으면 안되는 상황이라고 많은 아날로그기술자는 입을 모아 설명한다. 어떤 하나의 반도체업체가 대응하면 모든 반도체업체가 대응을 하게 되는 상황이기 때문이다.

◎ +1V동작회로의 개발진전

이러한 상황이 찾아와도 대처할 수 있도록 각 반도체업체들은 저전압동작의 아날로그회로개발을 서두르고 있다. 서서히 새로운 회로의 제안이 시작되고 있다.
예를 들면 switched capacitor회로의 후속으로 회로토폴로지가 등장되고 있다. switched capacitor 회로는 스위치의 On/Off동작과 Capacitor를 이용하여 등가적으로 저항의 움직임을 만들어 낸다. △-∑형의 A-D/D-A변환기와 필터 등에 사용되는 등 기본적인 아날로그회로의 하나이다. 그러나 switched capacitor회로는 전원전압이 낮아지면 올바르게 동작하지 않게 된다. 스위치가 off상태에 있어도 누수전류가 생겨나 Capacitor에 축적되어지기 때문이다. 여기에서 고안되었던 것이 OPAmp를 스위치로써 사용하는 회로이다.
switched capacitor회로의 스위치 Si를, 출력단자를 플로팅할 수 있는 OPAmp회로로 바꾸어줌으로써 실현되고 있다. 이 회로를 사용하면 전원전압이 +1V로 동작하는 필터회로 등을 구성할 수 있다. 이외에 전류를 아날로그값으로 취급하는 Current Mode의 아날로그회로개발도 진전되고 있다.

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