[헬로티]

▷제프 밀러(Jeff Miller) 마케팅 및 전략 담당자, 멘토, 지멘스 비즈니스(Mentor, A Simens Business)

IoT의 개별 장치 부문에서 저렴한 센서를 활용해 지능형 시스템을 구축하는 새로운 형태의 설계자가 출현했다. 이러한 시스템은 사람의 몸에 걸치는 웨어러블 디바이스부터 자동차, 작업공간, 그리고 땅, 바다, 공기 중, 나아가 우주공간까지 여러 방면에서 활약하고 있다[그림 1]. 신개념 설계자들이 고급 감지 기술을 최대한 활용해 IoT 장치를 발명하고, 시장 경계를 허물어뜨리고 있는 것도 놀랄 일은 아니다. 

그림 1.  IoT의 세 가지 계층 

신개념 설계자란? 

소규모 팀 단위로 작업하고 온라인으로 협업하며, 결과물을 빠르게 도출하기 위해 사용하기 쉽고 저렴한 가격대의 설계 툴을 모색하는 자들입니다. 이들의 목표는 이해관계자들에게 제대로 기능하는 장치를 제공하면서도 그 과정에서 가능한 적은 비용을 지출하는 데 있다. 이러한 팀에서는 빠른 결행·포기 의사 결정을 내리기 위해 개념 증명(Proof-of-concept)이 필요하다. 그런 다음 내장된 툴 흐름을 사용해 솔루션을 신속하게 구현하기 때문에 하드웨어, 임베디드 소프트웨어와 고유한 폼 팩터 PCB를 신속하게 개발할 수 있다[그림 2].

이들 팀은 기존 공급업체에서 제공하는 IP를 활용해 각자의 시스템을 구축한 다음 파운드리에서 제공한 다중 프로젝트 웨이퍼 옵션의 IC를 사용해 프로토타입을 만든다. 그리고 저가의 임베디드 소프트웨어 개발 툴과 실시간 운영 체제(OS)를 활용해 장치에 지역화된 지능형 데이터를 제공한다. 

그림 2. 지능형 IoT 개별 장치에는 AMS IC, 고유한 PCB와 임베디드 소프트웨어가 필요하다.

IoT 개별 장치는 창의성에 한계가 정해져 있지 않는다. 하지만 이와 같은 센서 중심적 설계 환경은 매우 복잡하다. 팀 규모는 작더라도 IoT 개별 장치에 맞는 지능형, 고가치의 장치를 제작하려면 엄청난 지식이 필요하다. 이들의 작업 영역은 디지털, 아날로그, RF와 MEMS 등이다. 이들은 장치가 작동하는 환경 때문에 다중 물리학 분석을 다뤄야 하는데 여기에는 복잡한 각종 전자 설계 문제는 물론 온도, 진동과 압력까지 고려해야 한다. 이들 팀은 전력 소모율을 신기록에 가까운 낮은 수준으로 끌어 내기리 위해 마지막 마이크로 와트(1백만분의 1와트) 단위까지 전력을 최적화한다. 

설계 팀은 혼합 아날로그, 디지털, RF 및 MEMS 설계를 캡처하고 칩 레이아웃을 정하며 구성요소 및 최상위 수준 시뮬레이션을 모두 수행해야 한다. 임베디드 소프트웨어 엔지니어가 IC용으로 프로그램을 작성한 후 테스트하면 설계 팀에서 시스템을 탐색해 전반적인 제품 맥락 내에서 각자가 정한 개념을 검증해야 한다. 그런 다음 설계자가 맞춤 PCB를 만들고 팀 구성원이 설계를 문서화한다. 멘토그래픽스에서는 이러한 IoT 개별 장치 설계 팀을 위한 종합적인 솔루션을 제공하고 있다[그림 3].  

그림 3. 멘토그래픽스 IoT 개별 장치 설계 솔루션.

AMS 및 MEMS IC 설계 솔루션

IoT 설계란 아날로그, 디지털, RF 및 MEMS 설계 영역을 결합해 실생활에서 일어나는 활동을 인터넷에 접목하는 IC를 성공적으로 개발하고자 하는 분야이다. 개별적으로도 이러한 설계 영역은 오늘날 엔지니어들에게 도전적인 분야이다. 이들을 모두 취합해 IoT 제품을 만들려면[그림 4] 설계 팀의 역량이 역부족으로 여겨질 수도 있다. 

그림 4. 일반적인 IoT 개별 장치.

단순한 형태의 IoT 개별 장치에도 인터넷과 인터페이스를 제공하는 센서가 들어 있다. 센서 신호가 증폭기 또는 저역 통과 필터(Low-pass Filter) 형태의 아날로그 신호 처리 회로에 전송된다. 출력은 A/D 컨버터에 연결되어 있어 시그널을 디지털로 변환하고, 이 신호가 마이크로프로세서로 전송되어 데이터를 처리하고 분석한다. 센서 원격 측정 값을 보내고 무선 모듈이 제어 신호를 수신하게 되는데, 이 모듈은 Wi-Fi, Bluetooth 또는 ZigBee와 같은 표준 프로토콜을 사용한. 그러면 데이터가 인터넷 게이트웨이를 통해 클라우드까지 전달되는 방식이다. 

IoT IC 설계는 네 가지 설계 영역이 잘 설계되어 함께 작동해야 한다. 특히 이들을 같은 다이에서 진행한다면 더욱 그렇다. 구성요소가 별도의 다이를 대상으로 하고 이를 나중에 접합한다고 해도, 레이아웃과 검증 프로세스 중에 함께 원활하게 작동해야 하는 것은 변하지 않는다. Tanner 솔루션은 4가지 설계 영역을 통합하여 IoT IC 설계에 맞는 탑다운 방식의 설계 흐름을 제공한다[그림 5].

그림 5. Tanner IoT 설계 흐름.

팀에서 설계하는 IoT 장치가 단일 다이든 다중 다이든 관계없이 이 설계 흐름을 사용하여 장치를 만들고 시뮬레이션할 수 있다.

• 설계 캡처 및 시뮬레이션: S-Edit는 주어진 모든 셀의 추상도를 여러 가지로 달리하여 설계를 캡처할 수 있다. 각 셀은 회로도, RTL, 아날로그 행동 또는 SPICE와 같은 여러 개의 View로 제공되고, 설계자가 시뮬레이션용으로 어떤 뷰(View)를 사용할 것인지 선택할 수 있다.

• 혼성 신호 설계 시뮬레이션: S-Edit는 Verilog-AMS Netlist 전체를 작성하여 이를 T-Spice에 전달한다. T-Spice는 자동으로 아날로그/디지털 연결 모듈을 추가한 다음 설계를 시뮬레이션용으로 분할한다.

• T-Spice가 아날로그(SPICE 및 Verilog-A) 신호를 시뮬레이션하고, 디지털 시뮬레이션을 위해 RTL을 ModelSim으로 보낸다. 두 개의 시뮬레이터가 모두 동시에 호출되고, 시뮬레이션이 진행되는 동안 신호 값은 시뮬레이터 사이를 오고 가면서 아날로그/디지털 경계에 신호 변경이 있을 때마다 서로 전달된다. 이는 즉 설계를 구현하는 데 사용한 언어에 관계없이 설계자가 S-Edit에서 시뮬레이션을 가동하면 설계가 여러 대의 시뮬레이터에 걸쳐 자동으로 분할된다는 것을 의미한다. 그런 다음 설계자는 ModelSim과 T-Spice 파형 뷰어를 사용하여 결과를 기반으로 작업할 수 있다. MEMS 장치의 행동 모델을 Verilog-A에서 만들 수 있고, 시스템 수준 검증용 디지털 모델과 함께 시뮬레이션한 SPICE 요소와 동급으로 만들 수도 있다.

• RF 블록 시뮬레이션: Tanner Eldo RF는 일련의 알고리즘을 활용하여 IoT 장치에 RF 검증을 제공한다. 이를 통해 이러한 장치의 저전력 신호를 정확하고 효율적으로 처리할 수 있다. 이 툴은 광범위한 분석 기능, 일련의 RF 전용 기능은 물론 여러 가지 유형의 회로에 적합한 강력한 최적화 알고리즘 세트를 제공한다. 분석 모드에 포함된 항목은 다음과 같다.

   – 슈팅(Shooting) 방식/주기적 정상 상태(Periodic Steady State, PSS)

   – 변조 정상 상태 분석(RF/베이스 밴드(기저대) 분할 포함)

   – 다중 톤 정상 상태 분석(고조파 밸런스)

• 설계 레이아웃 결정: 물리적 설계를 완료할 때는 L-Edit를 사용한다. 그러면 팀에서 아날로그 및 IoT 설계의 MEMS 구성요소 레이아웃을 작성할 수 있다. 보편적인 MEMS 요소를 파라미터화 한 레이아웃 라이브러리와 진곡선(True curve)이 MEMS 레이아웃을 간소화 해 줍다. 

• 물리적 검증 및 회로 검증 수행: Tanner Calibre One 검증 스위트는 다음과 같은 기능을 제공한다.

- Calibre nmDRC™(계층적 설계 규칙 검사)로 물리적 레이아웃을 실제로 제조할 수 있도록 보장하며, 이 툴은 업계를 선도하는 최고 수준의 빠른 개발 주기 시간과 혁신적인 설계 규칙 기능을 제공한다.

– Calibre nmLVS™(계층적 레이아웃과 회로도 비교)로는 물리적 레이아웃이 회로도와 전기적, 토포그래피적 측면에서 서로 같은지 점검한다. 이 기능은 실제 장치 형태의 치수와 정교한 대화형 디버깅 기능을 제공하여 정확한 검증을 보장하므로 설계자의 생산성을 개선한다. 

– Calibre xRC™(기생 추출)는 레이아웃에 좌우되는 효과가 설계의 전기적 성능에 악영향을 미치지 않는지 검증하여 정확한 기생 데이터를 제공하므로 종합적이고 정확한 레이아웃 후(後) 분석과 시뮬레이션을 할 수 있다. 

– Calibre RVE™는 솔루션을 결합해 그래픽으로 결과를 보는 환경을 제공하므로 설계 문제를 육안으로 즉시 파악하고 L-Edit 및 S-Edit 툴의 서로 연관된 문제를 교차 선택해 디버그 시간을 줄여준다.

• 흐름 완료: 물론 Tanner 흐름에는 다른 단계와 툴도 많다. 예를 들어 디지털 합성, 디지털 배치 및 라우팅, 칩 조립, 정적 타이밍 분석과 전체 시스템 검증 등이 있다. 그러나 이러한 여러 단계와 툴은 이 논의의 범위를 벗어나는 주제이다.

MEMS 장치 구현

IoT 설계에서 가장 까다로운 측면 중 하나는 MEMS 센서 또는 액추에이터를 구현하는 것이다. 예를 들어 설계에 코일 하나, 그리고 스프링으로 지탱하는 이동식 패들(Paddle)로 구성된 자기 액추에이터(Magnetic actuator)가 포함되어 있을 수 있다. 코일을 통해 전류가 지나가면 자장이 형성되어 이것이 코일 장을 드나드는 패들을 움직이게 된다[그림 6].

그림 6. MEMS 자기 액추에이터.

설계자는 3D 분석 툴을 사용하여 자기 액추에이터의 3D 모델을 만든 다음 여러 가지 전류에 대한 모델의 동적인 반응을 분석할 수 있다. 그러나 액추에이터를 제조하려면 설계자에게 2D 레이아웃 마스크가 있어야 하며, 3D 모델에서 2D 마스크를 도출하는 작업은 오류가 발생하기 쉽고 검증하기도 난해하다. 

이보다 나은 방법은 [그림 7]과 같이 마스크 방향(Mask-forward) 흐름을 따르는 것이다. 그렇게 하면 액추에이터가 올바르게 작동할 것을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 성공적으로 제조할 수 있다는 확신을 갖게 된다.

그림 7. 마스크 방향 MEMS 설계 흐름.

마스크 방향 MEMS 설계 흐름은 L-Edit에서 2D 마스크 레이아웃을 만드는 것부터 시작한다. 그런 다음 설계자가 SoftMEMS 3D Solid Modeler(L-Edit 내에 내장되어 있음)를 사용해 그러한 마스크와 몇 가지 지정된 제조 단계로부터 자동으로 3D 모델을 생성한다. 설계자는 타사 유한 요소 툴을 사용하여 3D 분석을 수행하고 문제가 발견되면 반복 재현하는 작업을 거친다. 

설계자는 2D 마스크 레이아웃에 적절한 변경을 수행한 다음 흐름을 반복한다. 이와 같은 마스크 방향 설계 흐름을 사용하면 설계자는 올바르게 제조할 수 있다고 확신할 수 있는 MEMS 장치에서 흐름을 수렴할 수 있다. 이 방식으로 3D 모델에서 역방향으로 작업하려 하는 것이 아니라 궁극적으로 제조에 사용될 마스크에서 직접 3D 모델을 만들기 때문이다.

임베디드 소프트웨어 솔루션

멘토의 임베디드 소프트웨어 제품군은 실시간 운영 체제(RTOS) 포트폴리오와 툴을 제공하여 IoT 개별 장치용 임베디드 소프트웨어를 개발할 수 있다. 자원이 극히 제한되어 있고 배터리로 전력을 제공하는 IoT 개별 장치의 경우 담당 팀에서는 확장 가능한 Mentor Embedded Nucleus RTOS를 선택할 수 있다. 또는 풍부한 애플리케이션 환경이 필요하고 오픈 소스 IP 및 개발자 커뮤니티에 액세스할 수 있는 IoT 개별 장치의 경우 Mentor Embedded Linux를 이용할 수 있다.

임베디드 소프트웨어를 개발할 때 설계자들은 Sourcery™ CodeBench 소프트웨어를 이용한다[그림 8]. 이 툴은 설계자에게 오픈 소스, 임베디드 C/C++ 개발 툴을 제공하여 Arm, IA32, MIPS 및 파워 아키텍처 등 서로 다른 유형의 아키텍처에서 임베디드 소프트웨어를 빌드, 디버그, 분석 및 최적화할 수 있다.

그림 8. Sourcery CodeBench를 사용하여 임베디드 소프트웨어 분석하기.

Sourcery CodeBench를 사용하면 마이크로컨트롤러 및 마이크로프로세서에서 임베디드 시스템을 개발할 수 있다. 임베디드 시스템이 점차 복잡해지면서 시스템 실행 및 성능에 이전보다 우수한 통찰력이 요구됨에 따라 디버깅 애플리케이션에 새로운 관점의 접근이 요구된다. 설계자가 Sourcery CodeBench를 사용하면 이와 같은 임베디드 시스템에서 기능 문제 및 성능 문제를 신속하게 파악하여 수정할 수 있다.

시스템 탐색 및 문서화 솔루션

SystemVision Cloud 환경[그림 9]은 온라인 환경을 통해 여러 가지 전자 회로와 메카트로닉 시스템 구성 요소 모델을 사용해 시스템을 캡처하고, 그 다음 최첨단 시뮬레이션 기술과 맥락에 맞는 결과 보기를 사용해 시스템을 분석할 수 있다. 설계자가 이 환경을 사용하면 시스템 아이디어를 신속하게 탐색하고 개념을 증명할 수 있다. 즉 컨트롤 시스템 블록, 아날로그 및 디지털 회로, 메카트로닉스와 다분야(Multi-discipline) 센서와 액추에이터를 환경 내에서 원활하게 혼합할 수 있다.

그림 9. SystemVision Cloud 내의 대화형 설계 샘플.

SystemVision Cloud를 사용하면 동영상을 포함시키는 것과 마찬가지로 진행 중인 설계와 파형 결과를 온라인 문서에 포함시킬 수 있다. 콘텐츠가 ‘사용 중(live)’ 상태이기 때문에 문서 내에서 바로 확인하고 조작할 수 있다. 사용 중인 회로도와 그 시뮬레이션 결과 사이의 상호작용을 통해 시스템 개념, 설계 파라미터 및 성능 특성에 대해 전보다 훨씬 심층적이고 직관적인 판단력을 갖추게 된다.

만족스러운 개념 증명 결과를 얻으면, 설계를 PADS Standard에 내보내 PCB 설계 단계로 넘어가면 된다.

PCB 설계 솔루션

PADS Standard[그림 10]는 직관적이고 사용이 간편한 환경에서 회로도 캡처 및 기판 레이아웃 기능을 제공한다. PADS Standard는 저비용이 선결 조건이며 생산 결과가 검증된 툴을 모색하는 설계자를 위한 제품이다.

PADS Standard에는 시스템 설계 캡처 및 정의에 필요한 여러 가지 기능이 있다. 직관적인 프로젝트 및 설계 탐색, 완전한 계층화 지원, Starter 라이브러리 외에 고급 설계 특성과 설계 규칙 관리 기능이 포함돼 있어 회로도를 쉽게 캡처하고 정의할 수 있다. 또한 레이아웃과 배선에 전체 회로변경(ECO) 기능이 제공되므로 효율성과 생산성을 모두 확보할 수 있다. PADS에는 각종 설계 규칙과 제약조건, 온라인 DRC가 모두 포함되어 있다.

그림 10. PADS Standard는 개인 설계자를 위한 사용이 간편한 PCB 설계 흐름이다.

PADS의 고급 레이아웃 및 배선 기능은 설계 시간을 대폭 단축시킨다. 설계 규칙을 실시간 설계 규칙 검사 기능과 양방향 교차 검증(Cross-probing) 기능과 함께 조합하여 적용하면 기판이 설계 사양에 부합하는지 확인할 수 있어 프로토타입 제작과 생산을 개시한 후에 많은 비용을 들여 문제를 수정해야 하는 불상사를 피할 수 있다. 분할 평면과 혼합 평면도 손쉽게 만들어 수정할 수 있어 열 연결을 맞춤 제작하는 것도 간단하다. RF 기능에는 스티칭 비아(Via stitching)가 포함되어 있어 Co-Planar Wave Guide를 간편하게 생성할 수 있으며 각 팀의 규칙에 따른 비아(via)로 영역을 플러딩(Flood)할 수도 있다. 

PADS Standard를 이용하면 PCB를 사진처럼 생생하게 시각화한 버전을 이용할 수 있어 PCB를 3D로 볼 수 있으므로 비용과 시간이 많이 발생하는 오류를 제거하고, 기구물과 상충을 일으키는 부분을 파악하는 데에도 도움된다. 설계자는 3D 조립품을 STEP, 3D PDF, JPG, BMP 형식으로 내보낼 수 있다.

결론

신개념 설계자들이 출현하여 IoT 개별 장치 시스템의 설계 방식을 바꿔 놓고 있다. 멘토그래픽스에서는 이러한 설계자들에게 디지털, 아날로그, RF 및 MEMS IC 설계, 시스템 탐색, 임베디드 소프트웨어 개발, PCB 레이아웃 및 대화형 문서 작성 등의 기능을 지원하는 솔루션을 제공한다.