NRE(반도체 시제품 제작) 계산의 일부는 기준이 더 엄격해졌지만, 그렇지 않은 경우에 있어서, 특히 일반 마스크 세트에 대한 가격은 가장 심한 인플레이션을 겪고 있다. 그리고 이에 대한 전망 또한 그리 밝지 않다.
글│웨스 한스포드(Wes Hansford) 부소장(Deputy Director), MOSIS

NRE(반도체 시제품 제작) 계산의 일부는 기준이 더 엄격해졌지만, 그렇지 않은 경우에 있어서, 특히 일반 마스크 세트에 대한 가격은 가장 심한 인플레이션을 겪고 있다. 그리고 이에 대한 전망 또한 그리 밝지 않다. 130nm의 설계의 경우 대략적인 마스크 세트 가격은 세트 당 5십만 달러에서 6십만 달러 정도이다. 90nm에서는 1백만 달러, 65nm에서는 1백5십만 달러로 가격이 더 올라간다. 마스크 공급업체인 포트로닉스(Photronics)는 머지않아 32nm 노드의 경우 세트 당 3백만달러 정도가 될 것으로 예측했다.

그러나 어느 프로젝트이든 초기 예산에 있어 한 번 정도의 리스핀은 있게 마련이기 때문에 이러한 비용 문제는 사실상 그 배가 된다. 콜레트 인터내셔널 리서치(Collett International Research)의 최근 자료에 따르면 설계의 60% 이상이 한 번의 리스핀을 겪게 되는 것으로 나타났다. 언뜻 보기에 이 정도 수치라면, 회사 내에서 1차적으로 통과 되었다고 하더라도 많은 프로젝트 제안이 사장될 수 있을 것이라고 생각할지도 모른다. 그러나 이러한 시나리오는 `독자(Going It Alone)`으로 간다고 가정하고 계산할 경우에만 해당된다. 한가지 희망적인 것은, 마스크 비용 인플레이션을 해결할 수 있는 대체 프로토타입 기술이 존재한다는 것이다. 이 기술은 특히 최신기술을 적용해야 하는 프로젝트의 경우에도 사용될 수 있으며, 칩 제작 후 결함이 있을 수 있는 재설계 작업량을 조절할 수 있도록 도와준다.

MPW(Multi-Project Wafer)는 혁신 기술이 실질적으로 활용될 수 있도록 해주는 기술이다. 현재 많은 회사들이 이 기술을 제공하고 있는 가운데, 적어도 한 회사가 전세계의 상사회사, 정부청사, 조사 기관 및 교육 기관을 위해 5만건 이상의 설계를 제작하고 있다. 이것은 새로운 아이디어를 시장에 선보이기까지 약 25여년의 세월이 걸린다는 것을 의미하며, 이들 중 수 많은 아이디어들은 세상에서 빛을 보지 못했을 수도 있다.

MPW 개요

MPW는 Multi Project Wafer의 줄임말로, 말 그대로 멀티 프로젝트 웨이퍼를 의미한다. 서비스 제공업체들은 선도적인 파운드리 업체와 함께 정기적인 웨이퍼 작업을 예약 및 진행하고 있다. 각 서비스 제공업체들은 여러 적절한 설계 프로젝트를 결집시키고 있다. 최종 고객들은 자신들의 설계가 사용한 웨이퍼 부분에 한해 비용을 지불한다(MPW 사용자들이 모두 동등하게 비용을 나누어 지불한다는 것은 오해다). 각 MPW 고객업체가 보유할 수 있는 다이 수가 40개에서 수천 개까지 다양하다는 점을 고려하면, 독자적으로 갈 수 있을 만큼 마스크 비용을 줄일 수 있는 가능성이 충분하다. 그러나 MPW를 이용하면 그 외도 더 많은 이점이 있다.

- MPW 업체들은 웨이퍼를 사전에 예약해 놓기 때문에 자체 파운드리 드롭을 위해 기다리는 경우보다 통상 훨씬 빨리 실리콘을 얻을 수 있다.

- MPW 업체들은 파운드리 업체와 긴밀한 관계를 유지함으로써 설계 팀과 최종적으로 회로를 양산하게 되는 팹이 서로 원만하게 작업을 진행할 수 있도록 해준다.

- 파운드리와의 협력관계를 통해 MPW 업체들은 툴, IP(Intellectual Property), DRC(Design Rule Check)와 같은 설계 지원 인프라에 접속할 수 있다.

- MPW 다이 작업은 크기에 따라 매우 다양해 질 수 있기 때문에, 이 방법은 전체 혹은 부분 회로를 위한 소량의 프로토타입에서부터 대규모 샘플링에 이르기까지 모두 쓰일 수 있으며, 심지어는 초기 생산 작업에도 이용될 수 있다.

이후 회로가 버그 없이 다시 동작할 때, MPW는 되돌아온 프로토타입 회로가 상용화 제품과 같기 때문에 더 많은 이점을 제공한다. MPW는 적절한 공정으로 주요 파운드리 업체들에 의해 작업되고 있다. 그 외에 적응(Adaptation)을 위한 더 이상의 작업은 필요 없다.

써드파티 서비스 제공업체 및 MPW

써드파티 업체들이 이 같은 작업을 어떻게 진행시키는지에 대해 구체적으로 살펴봄으로써 이러한 실행 가능한 일을 더욱 더 추진해 보자.

이 서비스는 MPW 공급업체와 협력하는 파운드리의 지시를 통해 이루어진다. MOSIS의 경우, TSMC, IBM, AMI 세미컨덕터, 오스트리아 마이크로시스템즈와 같은 협력업체를 두고 있다. 사용 가능한 공정은 90nm~1.5um에서 구현되며, 그림 1에서 보는 것처럼 CMOS, BiCMOS 및 SiGe(Silicon Germanium)이 포함된다. 일단 적절한 공정이 선택되면, MPW 서비스는 설계 파일이 납품되기 전에 여러 가지 단계를 시작할 수 있다.

여기에서 케이던스 디자인 시스템스, 멘토 그래픽스, 태너 EDA(Tanner EDA)와 같은 EDA 공급업체를 비롯해 ARM과 같은 IP 공급업체들로부터의 디지털, 아날로그/혼합 신호 및 완벽한 맞춤형 회로를 위한 설계 플로우에 접속할 수 있다. 또한 파운드리 업체들로부터 SPICE 파라미터와 같은 자료에 접근할 수 있다.

그러나, 이 서비스의 핵심은 바로 설계 파일 준비단계에서 찾아볼 수 있다.(어떠한 라우터가 사용되는지, 그리고 DRC의 필요 여부에 따라 수용의 최종기한에 차이가 있을 수 있다고 해도) 레이아웃 데이터는 일반적으로 사용되는 포맷으로 수용되며 온라인 또는 오프라인으로 구현될 수 있다.

여기에서, MPW 서비스 제공업체는 설계에서 `프로젝트-체크`를 수행하게 된다. 이 과정은 설계 신택스 및 레이어 명칭을 조사하고, 프로젝트의 크기(최초 바운딩 박스)를 계산하며, 패드를 세고, 그 다음 표시된 값과 실제 값을 체크한다. 그러나, 이것은 설계가 제조공정으로 넘어갈 준비가 되었는지를 판단할 뿐, 전체 DRC를 나타내지는 않는다. MPW 제공업체들은 간혹 일부 조건에 따라(최종기한 전에 레이아웃 데이터 제공 등) 해당 파운드리에서 제조되는 각 설계에 대해 무료로 다수의 공식 DRC를 제공하기도 한다.

이 단계가 완성되면, 설계는 다른 설계와 함께 웨이퍼 작업을 기다리게 되고, 예약된 웨이퍼 작업을 위해 파운드리로 보내지게 된다. DRC나 다른 사전 가공 서비스가 필요하지 않은 레이아웃의 경우, 데이터는 MPW 서비스 제공업체들이 정한 최대 마감시한까지 곧바로 제출될 수 있다.

대부분의 MPW 서비스 제공업체들은 승인된 패키징 및 테스트 공급업체로 구성된 협력 네트워크를 통해 여러 패키징 옵션들을 제공하고 있다. 경우에 따라 고객들이 패키지 처리가 되지 않은 부품을 필요로 할 수도 있으며, 그렇지 않은 경우에는, 서비스 제공업체가 패드-투-핀 (Pad-To-Pin) 일을 처리할 수 있다. 마지막으로, 고객들은 이러한 조건들과 다른 패키징 요건들을 규정할 수 있다.

이 프로젝트 전반에 걸쳐, 완벽한 고객 지원은 수많은 형태로 제공될 수 있다. 사용자는 파일 전송 이후 온라인으로 자신들의 프로젝트 상태를 추적할 수 있으며, 어느 단계에서라도 인하우스 지원 팀에게 연락할 수 있다. 고객들은, MPW를 통해 이점을 경험한 업체들이 자신들의 비법이라든지 기술, 성공담 등을 공유하는 웹 기반 사용자 그룹에 접속할 수도 있다. 이것이 바로 MPW가 진행되는 방식이며, 그림 2를 통해 이러한 모든 요소들이 서비스에 어떻게 잘 맞물려 들어가는지 전체 흐름을 잘 알 수 있다. 개념은 매우 간단하지만, 레이아웃에서부터 제조에 이르기까지 실리콘의 이동을 방해하지 않으면서 동시에 개선시킬 수 있는 매우 유연한 플로우이다. 이와 관련해 MOSIS의 서비스를 통해 MPW를 이용한 두 업체의 사례를 살펴보자.

AsicAhead 사례

AsicAhead는 벨기에 소재 팹리스 반도체 업체로, 독자적인 SDR(software-defined radio) 아키텍처를 적용한 무선 반도체 전문 개발업체이다. 이 회사는 AA1001 WiMAX RF IC 개발을 위한 전략으로 MPW를 선택했다.

이 회사의 공동 창업자 겸 CEO인 조안 쇼우테릭(Joan Ceuterick)에 따르면, AsicAhead는 실리콘의 스위트스폿(Sweet Spot)으로써 표준 무선 옵션(MiM Caps, 낮은 Ohm 레지스터)을 제공하는 IBM 130nm CMOS 공정을 목표로 삼았다. AA1001이 합리적인 가격과 성능을 제공할 수 있도록 이 공정에서는 다음과 같은 특별 요건들이 요구되었다.

- 폭넓은 주파수 범위(700MHz~ 6GHz)

- 이동 및 핸드헬드 애플리케이션을 위한 낮은 소비전력

- WiMAX 표준에서 모든 옵션을 수용할 수 있도록 1.75MHz~20MHz 범위의 재구성 가능한 무선 대역폭

- 컨수머 시장에서 WiMAX를 주도할 수 있는 저가형

- 케이던스의 적절한 설계 키트의 사용가능

쇼우테릭은 AsicAhead가 MOSIS를 통해 IBM 파운드리 기술을 구현하기로 한 이유에 대해, `이 설계는 매우 복잡했기 때문에 모든 기능을 달성하고 고객들의 요건을 충족시키기 위해서는 최종 제작까지 몇 번의 시행착오를 겪어야 한다는 것을 알고 있었다. 전체 마스크 세트를 매번 5십만달러에 구입하기엔 너무 비쌌기 때문에 MPW로 130nm CMOS를 제공할 수 있는 협력업체가 절실히 필요했다.`고 설명했다.

AsicAhead는 또한 팹으로 가기 전에 여러 번 과정을 반복할 수도 있는 설계를 처리할 수 있는 능력을 가진 협력업체가 필요했다. 쇼우테릭 CEO는 `이 모든 것은 이처럼 복잡한 기술에 모든 제조 과정을 처리할 수 있는 단 하나의 백엔드 툴도 없었기 때문이었다. 벤처기업이면서 케이던스 툴만 갖추고 있었던 우리로서는 MOSIS와의 협력을 통해 다른 툴도 함께 이용함으로써 좀 더 다양한 검증을 할 수 있었으며, 궁극적으로 모든 요건을 충족시키는 칩 제작을 할 수 있게 됐다.`고 말했다.

쇼우테릭에게 있어서 MPW는 생소한 것은 아니며, 그 동안 관련 업계에 종사하면서 MPW를 많이 이용해 왔었다. 그러나 그는 최근 들어 MPW의 한가지 개선점에 대해 강조하면서, `기존에는 MPW를 어셈블리 하는데 시간이 추가되어 리드타임도 더 오래 걸린다는 것이 단점이었다. 그러나 MOSIS는 이러한 리드타임을 대폭 단축시켰으며, 지난 3년과 비교해 MPW의 리드타임이 많이 줄어들었음을 느끼게 되었다.`고 말했다.

대부분 그렇긴 하나 AsicAhead는 MPW 협력업체를 통해 원만하게 IBM의 파운드리 팀과 작업할 수 있었다는 점에 대해서도 높이 평가했다. 유럽업체이기 때문에 유럽 에이전트인 EDA 솔루션을 통한 현지 기술지원도 제공되었다. 그러나 쇼우테릭은 각각의 협력관계가 제공하는 것에 대해서는 구분을 두었다.

쇼우테릭은 `IBM 팀과 관계를 맺는데 MOSIS가 큰 도움이 되었으며, 이를 통해 IBM의 다이렉트 고객이 되기도 했다.`며 `그러나, 앞으로 연구개발을 위해서 MOSIS와 지속적으로 협력하면서, 양산과 관련해 IBM과도 직접적인 협력관계를 유지할 수 있기를 기대한다.`고 말했다. AsicAhead는 우선 AA1001 제품의 샘플링 및 제작 준비 단계에 MPW를 이용했으며, 상용화 제품의 양산용으로 다음 작업을 진행할 예정이다. 앞에서 언급했듯이 제품의 시장 출시시기에 대한 MPW의 영향은 크게 줄어들었다.

AsicAhead 성공담은 MPW를 통해 얻을 수 있는 폭넓은 이점을 잘 나타내준다. 최고 수준으로 비싼 마스크 비용을 해결함으로써 의도한 대로 혁신적인 설계를 구현할 수 있었다. 또한 사용자가 MPW 모델 내에서 지원 서비스에 액세스 할 수 있었기 때문에 실제로 설계를 구현할 수 있었으며, 첫 양산이 아직 준비되어 있지 않더라도 샘플링용 칩을 제작할 수 있었다. 아울러 목표 설계와 잘 맞는 공급업체 및 실리콘을 접하고 패키지를 구현함으로써 다음 양산 제조로 원만히 넘어갈 수 있는 준비를 마쳤다.

Elonics 사례

Elonics는 스코틀랜드의 팹리스 반도체 회사로서 휴대폰용 TV, 무선 USB 및 UWB에서의 DVB와 같은 무선 애플리케이션을 겨냥한 제품을 개발하고 있다. 이 회사는 단일 칩이 아닌 광범위한 제품에 걸쳐 사용될 수 있는 고성능 RF 테스트 블록을 개발하기 위해 MPW를 선택했다.

CMOS 기술 적용을 위한 이러한 블록 설계에는 실리콘이 성능을 충족할 수 있도록 정확한 모델링 및 추출이 필요하다. 뿐만 아니라 블록을 통합하는 생산에 대해 실용적인 기술 및 재정적 방법을 제공할 수 있는 적절한 CMOS 공정을 찾아야 하는 문제도 있다. 신생회사인 Elonics는 기술적 위험을 최소화하고 동시에 시간 및 비용적인 한계 내에서 유지할 수 있는 설계 기법으로 이러한 문제를 해결해야만 했다. 알프 세퍼드(Alf Sheppard) 커머셜 매니저는 `CMOS 공정으로 3~10GHz 범위의 최첨단 IC를 설계하는 데에는 이러한 제약을 쉽게 상회활 수 있는 기술적 과제가 뒤따른다. 이러한 제약들은 관리되어야 하며, MPW를 통해서만 이를 해결할 수 있다.`고 말했다.

Elonics는 먼저 RF 옵션 (MIM 캡스, HA 버랙터, RF 메탈 스택)과 함께 130nm CMOS에 대한 IBM의 기법을 결정한 후 IBM의 권유로 MPW를 채택하게 되었다. Elonics는 MOSIS와 MOSIS의 유럽 에이전트인 EDA 솔루션과의 협력을 통해 프로토타입 회로를 좀 더 융통성 있고 비용 효과적으로 개발 및 실행할 수 있도록 해주는 개발 킷과 기술을 접할 수 있게 되었다고 말했다.

Elonics가 면적이 10mm2에 불과한 웨이퍼를 사용하고(이를 기준으로 이용한 MPW 서비스에 대해 지불) 필요로 하는 모든 것을 얻을 수 있었다는 사실을 통해 Elonics가 달성한 관리 수준을 충분히 짐작할 수 있다. 세퍼드는 이 크기를 선택한 데에는 3가지 이유가 있다고 설명했다. `첫 번째로, 비용을 기준으로 할 때 이 정도가 추가 비용을 부담하지 않고 최대한으로 사용할 수 있는 다이 크기였다. 두 번째는 이 정도 크기가 목표 패키지와 잘 조화를 이룰 수 있었다는 점이다. 세 번째는 테스트 블록을 위한 면적 요건에도 부합했다.`며 `입증된 고위험 블록을 무선 라디오에서 실행하는데 MPW가 이용되었으며, 그 결과는 현재 개발중인 무선 PHY에 통합될 예정이다. 이와 함께 다이를 성공적으로 테스트 하고, 시뮬레이트 된 결과와 실리콘을 관련시킬 수 있었다.`고 말했다.

Elonics의 경험을 통해 또 다른 MPW의 이점을 알 수 있다. 여기에서도 비용 관리가 주된 요소였으나 블록 레벨에서도 MPW의 사용을 충분히 이용할 수 있었다는 점이 강조된다. 따라서 독자적인(Going-It-Alone) 대안이 비용이 많이 들 수 있는 것에 반해, MPW를 이용하면 어려운 작업이 동반되는 혁신적인 설계도 쉽게 구현할 수 있다.

결론

MPW는 NER 증가와 함께 수반되고 있는 많은 어려움들을 극복하고 기술 혁신을 이룰 수 있도록 한다. 25년의 역사를 가지고 오랜 시간이 지나도록 본질적으로 변화지 않고 남아 있는 기법은 거의 찾아 보기 힘들며, 특히 반도체 업계에서는 더더욱 그러하다. 마지막으로, MPW는 특히 오늘날 산업에서 중요하게 인식되고 있다. 엔지니어링 비용은 기술 개발 시 점점 압박 요소로 작용하고 있다. 위에서 다룬 두 가지 사례는 신생기업에 초점을 맞추고 있으나, 세계 최대 규모의 반도체 업체들조차도 󰡐독자적󰡑인 방향을 찾는 것이 어렵다는 것을 알고 있다. MOSIS에 있어서 세 번째 사업 영역은 IDM 업체로, 자체 팹은 보유하고 있으나 마찬가지로 재정적 문제를 안고 있는 업체들이다. MOSIS 사업의 절반은 500명 이상의 직원을 고용한 업체들을 타깃으로 하고 있다. 한가지 확실한 점은 업계의 수 많은 선도업체들이 경쟁력 확보를 위해 이미 MPW를 많이 사용하고 있다는 점이다. 이번에 MPW에 대해 처음 알게 되었거나 그 동안 MPW에 대한 가지고 있었던 오해가 있었다면, 이 기고글을 통해 올바른 정보를 얻을 수 있기를 바란다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 09월호>