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Integrated Circuit

Transistor의 발전에 의해
Logic Circuit을 보다 작고, 빠르며, 안정적으로 만들 수 있게 됨.

  • 더 나아가 1950년대 후반에 Integrated Circuit (IC)이 개발되면서 여러 Transistor로 구성되는 복잡한 회로를 하나의 Transistor 가격으로 만들 수 있게 됨.
  • Integrated Circuit을 흔히 Chip (or IC Chip) 이라고 부르며, 이는 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 하게 됨.

Transistor, Resistor, Condenser, Diode 등의 많은 회로 부품으로 구성된 Circuit이 하나의 Chip(칩)으로 구성됨.

흔히 Transistor의 집적도 또는 Gate의 집적도로 성능을 구분함: CMOS 기술 기준으로 NAND Gate 하나는 4개의 트랜지스터로 구성됨.

History

  • 1958년에 Jack Kilby와 Robert Noyce가 Integrated Circuit (IC,집적회로)를 개발.

    • 공동 개발이 아닌 비슷한 시기(Kilby가 6개월 빨랐지만, 실용적인 부분은 Noyce가 보다 나았음)에 개발했고,
      약간의 분쟁 후 서로의 특허를 공유하고 발전해 나감.
    • 이는 2000년 노벨 물리학상 (Kilby)으로 이어짐
      (Noyce는 1990년 사망.).
    • Noyce는 Intel의 공동창업자(Gordon Moore와 함께 1968년 설립)이기도 함.

    • 100개 이하의 Gate 가 집적된 IC 를 Small Scale Integration (SSI)라고 부름.

      • Texas Instruments의 IC 7400의 경우 4개의 NAND Gate를 가짐 (1개의 NAND는 10개의 Component 필요).

    • 100-300개의 gate 포함시 Medium Scale Integration (MSI) 이라고 불리며 Adder, Register, Counter, Mux등을 구성.

  • 1964년에서 1970년대 초의 3세대 컴퓨터 에 핵심 소자로 사용됨.

    • IBM 360 Family, UNIVAC 1108이 대표적임.
    • 컴퓨터의 소형화가 가능해지고
      연산 속도가 Nano-Second 수준으로 향상.
    • Basic이 등장

  • Large Scale Integration (LSI) 이 개발되면서 1970년대 중반에서 1980년대의 4세대 컴퓨터 시대 를 열게 됨.

    • 우리가 흔히 애기하는 CPU의 시초인 Micro-Processor가 LSI 로 개발됨.
    • IBM 370 Family가 대표적.
    • 3000~10만개 정도의 소자 를 하나의 Chip으로 구현.
    • Pico-Second의 연산수준과 C 언어 등장.

  • Very Large Scale Integration (VLSI) 이 개발되면서
    1990년대 이후를 5세대 컴퓨터라고 부르는 경우도 있음
    (개인적으로는 현재의 컴퓨터는 성능은 올라갔지만 여전히 4세대라고 봐야한다고 생각함).

    • Pemto-Second의 연산수준에 도달하면 5세대라고 불릴 수 있을지도...
    • 현재 VLSI는 picosecond (\(10^{-12}\)sec, GHz 단위) 의 연산수준 및 OOP Language, AI 개발로 이어짐.
    • 오늘날에는 100만개를 넘어 10억 개 이상의 트랜지스터 를 하나의 Chip으로 구현.
    • 현재도 4세대 컴퓨터(VLSI로 나누는 이들에겐 5세대)를 사용하고 있다고 볼 수 있으나 10억개를 기준으로 Ultra Large Scale Integration (ULSI) 라고 칭하기도 함.
    • 이 트랜지스터 집적도는 시대에 따라 기준이 조금씩 바뀌기 때문에 절대적인 수치를 이용한 구분은 크게 의미가 없다.

위의 숫자는 각 세대별 컴퓨터의 시작년도 수준으로 이해해야지, IC의 구분에 사용할 수 없음.
2022년 기준으로 어느 정도의 Processor들은 수백억 이상의 소자를 집적하고 있음.

small, medium, large, very large (백만), ultra large (십억 이상), giga (수십억 이상) ...

오늘날

현재 반도체 기술은 소자의 수를 넘어서 설계 방식과 같은 다른 요소들이 성능에 큰 영향을 미치고 있음.

예를 들어,
오늘날 출시된지 오랜 시간이 지난 것에 속하는 CPU로 분류되는

  • Intel의 I7 2600K 도 약 10억 개의 트랜지스터를,
  • AMD의 라이젠 7 5800X는 600억 개 이상의 트랜지스터를 집적하고 있음.

또한, 가정용 게임기 Xbox Series X 에 사용되는 APU는
약 150억 개의 트랜지스터를 포함하고 있는 상황임.

때문에, 트랜지스터의 숫자만으로는 기기의 성능을 평가하는 데 한계가 있고 이를 기반으로 VLSI 를 구분하는 것은 무의미함.

실제로 ULSI보다 다들 VLSI라고 칭해짐.

현재의 VLSI들은
모두 Electronic Design Automation (EDA) Tool의 도움을 받아 설계가 이루어지고,
대부분 Hardware Description Language (HDL)라는 회로 구성을 기술하는 일종의 프로그래밍 언어를 통한 Coding으로 설계가 이루어짐.

  • HDL 중에서 Velilog, SystemC (기업, 각각 C와 C++과 비슷)와 VHDL (학교, 연구실)등이 주로 사용됨.
    • 미국 및 아시아 지역의 특징이며, 유럽의 경우 VHDL 이 보다 많이 사용되는 편임.
    • 최근에는 SystemC와 System Verilog와 같은 Extended HDL (보다 높은 수준의 abstraction지원) 사용이 보다 많아지고 있으며 High-Level Synthesis를 위한 언어도 등장하여 그 사용범위를 넓히고 있는 추세임.
  • 일반적인 프로그래밍 언어와 달리 디지털 회로를 텍스트로 표현 하는 언어임.
  • Field Programmable Gate Array (FPGA)가 포함하고 있는 수많은 gate들을 사용자(설계자)가 HDL로 지정하는대로 회로가 구성됨.

오늘날의 VLSI에 대해.

다음 URL을 참고할 것.