국내 RF EDA 소프트웨어 혁신! 중국과학원 원사 마오쥔파가 반도체 이종집적회로의 방향과 혁신 경로에 대해 이야기합니다.

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2022-03-17 286

6월 9일, 2021 세계 반도체 컨퍼런스 및 난징 국제 반도체 엑스포에서 중국과학원 원사이자 당위원회 상무위원, 상하이 자오퉁대학교 부총장인 마오쥔파는 집적회로가 국가 전략 수요 산업이라고 강조했습니다. 그는 2020년 중국이 3,500억 달러(같은 해 석유 수입액 1,760억 달러 대비) 상당의 집적회로를 수입했으며, 중국의 고성능 반도체는 사실상 수입에 의존하고 있다고 지적했습니다.

사진: 마오쥔파, 중국과학원 원사, 중국 공산당 상무위원, 상하이 자오퉁대학교 부총장

그는 중국의 집적회로 산업이 뒤처지는 세 가지 이유를 구체적으로 지적했습니다. 1. EDA(전자설계설계)가 뒤처져 있습니다. 현재 많은 연구 알고리즘이 있지만, 체계적인 계획, 통합, 구성 능력이 부족하여 산발적으로 흩어져 있습니다. 대규모 소프트웨어 엔지니어링 역량이 미흡하고 경험이 부족하며, 사용자들이 국내 소프트웨어 도구를 선호하는 경향이 있습니다. 2. 장비가 뒤처져 있는데, 이는 전반적인 역량과 시장 환경 등의 요인 때문입니다. 3. 소자 및 회로가 뒤처져 있고, 고성능 소재가 부족하며, 공정 정밀도와 안정성이 미흡합니다.

이제는 돈이 있어도 집적 회로를 살 수 없습니다. 2020년 5월, 미국 상무부는 화웨이가 미국 기술로 생산된 반도체 제품을 구매하는 것을 전면 금지하는 조치를 발표했고, 2021년 4월에는 미국 의원들이 14nm 이하의 모든 중국 반도체 기업에 대한 수출 통제안을 제안했습니다.

현재 반도체 기술 개발에는 크게 두 가지 방향이 있습니다. 하나는 무어의 법칙을 따르는 것이고, 다른 하나는 무어의 법칙을 우회하는 것입니다. 무어의 법칙은 누구나 잘 알고 있지만, 물리적 한계, 기술적 수단, 경제적 비용 등 여러 가지 난관에 직면해 있습니다. 경제적 측면만 계산해도 엄청난 비용이 듭니다. 무어의 법칙을 우회하는 방법은 다양합니다. 마오쥔파 학술원 원장은 그중 하나로 이종 집적 회로를 꼽았습니다.

반도체 이종 집적 회로는 중국 칩이 특정 분야에서 시장을 선도할 수 있는 유력한 경로 중 하나가 될 것이다.

마오쥔파 학술원원은 반도체 이종 집적 회로는 서로 다른 공정 노드의 고성능 화합물 반도체 소자 또는 칩과 실리콘 기반의 저비용 고집적 소자(광전자 소자 또는 칩 포함)를 칩에 통합하고, 이종 접합 합성 또는 외부 성장을 통해 수동 소자 또는 안테나와 통합함으로써 구현된다고 설명했습니다. 마오 학술원원은 이종 집적 회로가 다음과 같은 뛰어난 특징을 가지고 있다고 지적했습니다. 첫째, 서로 다른 반도체 재료, 공정, 구조 및 소자 또는 칩의 장점을 통합할 수 있습니다. 둘째, 시스템 설계 개념을 채택할 수 있습니다. 셋째, IP 및 소형 칩과 같은 첨단 기술을 적용할 수 있습니다. 또한 2.5D 또는 3D 고밀도 구조를 가질 수 있습니다. 이종 집적 회로는 다음과 같은 명확한 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 강력하고 복잡한 기능을 구현하고 탁월한 종합 성능을 달성하여 단일 반도체 공정의 성능 한계를 뛰어넘을 수 있습니다. 둘째, 뛰어난 유연성, 높은 신뢰성 및 짧은 연구 개발 주기를 제공합니다. 셋째, 3차원 통합을 통해 소형화 및 경량화를 실현할 수 있습니다. 반도체 장비에 대한 요구 사항은 비교적 낮으며 EUV 리소그래피 장비에 의해 제한되지 않습니다.

그는 특히 밀리미터파 이종 집적 회로를 소개했습니다. "밀리미터파는 30G에서 300G에 이르는 주파수 대역으로, 넓은 대역폭과 소형화된 소자 덕분에 전 세계 반도체 이종 집적 회로 개발의 핵심 분야입니다. 주요 시장 참여자 세 곳 모두 이종 집적 회로에 대한 수요가 더욱 시급한 데에는 세 가지 특별한 이유가 있습니다. 첫째, 5G와 6G부터 항공우주 항법, 무인 자동차, 지능형 시스템에 이르기까지 다양한 요구를 충족하기 위해 밀리미터파 기술이 장비부터 사물 인터넷에 이르기까지 필수적으로 요구되고 있습니다. 둘째, 밀리미터파 시스템은 디지털 회로, 아날로그 회로, 무선 주파수 마이크로파 회로를 모두 포함하므로 이종 집적이 더욱 시급합니다. 셋째, 밀리미터파 이종 집적 회로가 직면한 과제와 문제는 더욱 심각하고 복잡합니다. 높은 주파수와 분산된 파라미터로 인해 '도로'에서 '현장'으로 진화하고 있으며, 모듈 간 거리가 마이크로초 단위에 불과하고 결합이 매우 강렬하여 설계 과정이 더욱 복잡합니다."

마오쥔파 학술위원은 반도체 이종 집적 회로 연구의 과학적 의의가 매우 크다고 지적했습니다. 집적 회로를 통해 현재의 단일 동종 공정에서 다중 이종 공정의 집적으로, 현재의 2차원 평면 집적에서 3차원 집적으로, 그리고 하향식(TOP-DOWN)에서 상향식(BOTTOM-UP)으로 발전하여 고성능 복잡계를 구현할 수 있습니다. 이는 첫째, 전자 시스템 집적 기술 발전의 새로운 방향을 제시하고, 둘째, 무어 이후 시대의 집적 회로 발전 방향을 새롭게 설정하며, 마지막으로 우리나라 반도체 집적 회로 산업이 도약할 수 있는 새로운 기회를 제공한다는 점에서 의미가 있습니다.

미국은 이종 집적 회로를 통해 전력 시스템 성능을 10배 향상시키고, 감지 능력과 속도를 100배 높이며, 크기, 무게 및 전력 소비를 현재의 1/100 수준으로 줄일 수 있기를 기대하고 있습니다.

국내 RF EDA 소프트웨어 혁신, 상당한 성과 달성

설계는 RF 산업 사슬의 근원이며, RF 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어는 RF 회로 설계를 가능하게 하는 핵심 요소이자 RF 산업의 중요한 기반입니다. 이번 컨퍼런스에서 마오쥔파(Mao Junfa) 중국과학원 원사는 중국에서 시급히 필요한 독립적으로 제어 가능한 RF 회로 EDA 소프트웨어에 대한 수요에 부응하여, 마오쥔파 원사 겸 상하이 자오퉁대학교 부총장과 우린성(Wu Linsheng) 교수 연구팀이 자체 개발한 RF EDA 시뮬레이션 소프트웨어 세트를 출시하여 중국 대학 10대 과학기술 금메달을 수상했다고 밝혔습니다. 또한, 마오쥔파 연구팀은 2020년에 또 다른 국가 6G 무선 주파수 프런트엔드 프로젝트를 수주했습니다.

마오쥔파 학술위원은 자신의 연구팀과 우린성 교수 연구팀이 신허 반도체 기술(상하이) 유한회사와 협력하여 국가 973 프로젝트, 국가자연과학기금, 국가 주요 프로젝트, 상하이시 과학기술위원회 과학 연구 계획 프로젝트 등의 지원을 받아 효율적인 전자기 및 다물리 시뮬레이션 모델링 알고리즘을 제안하고 자체 개발한 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 다물리 및 다기능 자동화 협업 설계를 구현했다고 밝혔습니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 통합 수동 소자용 지식재산(IP) 라이브러리를 공동 구축하고 다양한 제품을 개발했으며, 이 제품들은 이동통신, 위성통신, 집적회로 등 여러 분야에 적용되어 중국이 무선 주파수 EDA 소프트웨어 분야에서 국제적 장벽을 허무는 데 중요한 기여를 했다고 덧붙였습니다.

마오 학술위원에 따르면, 그들은 신허 반도체 기술(상하이) 유한회사와 협력하여 총 48개의 국내 RF EDA 상용 소프트웨어 도구와 500개의 고정밀 PDK 모델을 출시했습니다. 또한, SMIC의 공정과 호환되는 통합 수동 소자 IP 라이브러리는 3억 5천만 개가 양산되어 수동 RF 집적 회로 EDA 도구의 독립적인 제어를 기본적으로 실현했습니다. 현재, 공동 개발한 이 국내 RF EDA 상용 소프트웨어 시리즈는 반도체, 항공우주, 레이더, 통신, 자동차 등 산업 분야의 200여 개 고객사에서 사용되고 있습니다. 시스템 사용자에는 ZTE, 화웨이, 레노버, 폭스콘, 화란, 중국전자, AVIC 등이 포함되며, 시스코, 인텔, IBM, 애플 등 세계적으로 유명한 기업에도 수출되었습니다.

마오쥔파 학술위원은 4D 동작 인식 레이더, 밀리미터파 레이더 마이크, 생체 밀리미터파 레이더, Wi-Fi 대역 이종 통합 온칩 레이더, 다층 BCB 기술 기반 단일/이중 통과 대역 필터의 최신 연구 진행 상황을 공유했습니다.

마지막으로 그는 향후 5년간의 연구 목표는 EDA 기술 및 소프트웨어, 특히 모델 역설계 및 다기능 협업 기술을 포함한 핵심 기술에 집중될 것이라고 밝혔습니다. 이 소프트웨어는 3층 및 6칩 이종 집적 회로를 분석 및 설계할 수 있으며, 325GHz까지 검증이 가능합니다. 이러한 기술의 혁신은 향후 이동통신, 사물인터넷, 레이더 탐지 등 주요 국가 신규 인프라 및 중요 장비 개발에 필요한 핵심 기술을 독립적으로 지원할 것입니다. 향후 10년간의 연구 목표는 더욱 어려운 광전자공학과 전자공학의 통합을 포함하며, 이종 집적 회로 성장 과정을 돌파하고 소프트웨어를 완전히 상용화하는 것을 목표로 한다고 덧붙였습니다.

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