[SI/PI] Electrical Product Trend

금일 알아볼 내용은 SI/PI 관점에서 전자 제품들의 트렌드, 트렌드에 따른 신규 설계 필요조건이다. Signal and Power Integrity 책 내용을 기반으로 공부한 내용으로 책이 작성된 시점이 '09년(2nd Edition 기준)으로 현재('22년)와 수치적으로는 다를 수 있으나 경향성은 같은 내용이라고 생각되어 정리해보고자 작성하게 되었다.

SI/PI 관점 전자 제품의 트렌드

지난 수년간 *무어 법칙에 따라서 전자 제품, 즉 반도체의 성능은 매 2년 마다 2배씩 빨라졌다. Chip Clock의 주파수는 반도체 칩 성능 측정 요소로 무어의 법칙에 따라서 2배씩 빨라졌으며, 이는 반도체 미세화 및 집적화의 핵심 공정인 Photolithography를 통한 미세화 공정을 기반으로 진행이 되었다. 미세화로 반도체 기본 소자인 MOSFET에서 Gate Channel 영역이 줄어듦에 따라서 전자, 홀들의 이동거리를 단축시킬 수 있고, 이는 반도체가 도체 혹은 부도체로 바뀌는 시간을 줄여주었다. Chip의 Clock 주파수는 Gate 반응 속도, 시스템 내에서 신호 전달 속도, Set-up, hold time 이 주요 요소이며, 미세화 공정은 위 3가지 주요 요소들을 줄여주어서 반도체의 성능을 높여주게 되었다.

이와 같이 주파수를 줄일 경우에 Clock의 전환 시간이 줄어들게 된다. 전환 시간은 보통 최종 Clock 상태의 10% - 90% 혹은 20% - 80% 상태로 규정된다. 그리고 보통 고속 동작 시스템에서는 전환 시간을 Clock cycle 주기의 10% 정도로 잡곤한다. 이는 Clock 주파수가 1 GHz 일 경우, Rising time 은 0.1 nsec 정도이다. 그러나 높은 주파수는 신호의 Reflection, Cross talk, rail collapse, EMI 관점에 영향을 준다. 높은 주파수는 제품의 속도를 높이지만 이는 SI/PI 관점에서 문제가 될 수 있다. 이러한 한계를 개선하기 위해서는 주파수를 유지하고 전달되는 데이터의 양을 늘리는 방법이 있다. Pulse amplitude module(DATA)이라는 기술로 신호를 다중으로 인코딩하여 전달하는 방법이 있다. 그러나 이는 속도가 해당 기술 사용 시점 역시 고주파수 제품들에 사용되게 때문에 여전히 SI/PI 검토는 필수적으로 될 것으로 보인다.

(*인텔 공동 창립자 무어가 만든 무어의 법칙은 최근 인텔이 3년을 개발 주기로 선언하면서 현재는 법칙이라고 부르기 어려운 상황)