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Integrated Circuit

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

  • 더 나아가 1950년대 후반에 Integrated Circuit이 개발되면서 여러 transistor로 구성되는 복잡한 회로를 하나의 transistor 가격으로 만들 수 있게 됨.
  • Integrated circuit을 흔히 Chip 이라고 부르며, 이는 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 하게 됨.

Transistor, Resistor, Condenser, Diode 등의 많은 회로 부품으로 구성된 circuit이 하나의 칩으로 구성됨.

역사

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

    • 공동개발이 아닌 비슷한 시기(Kilby가 6개월 빨랐지만, 실용적인 부분은 Noyce가 나음)에 개발했고,
      약간의 분쟁 후 서로의 특허를 공유하고 발전해 나감.
    • 이는 2000년 노벨 물리학상 (Kilby)으로 이어짐
      (Noyce는 1990년 사망.).
    • Noyce는 Intel의 공동창업자이기도 함.

    • 1-10개의 gate 가 집적된 IC 를 Small Scale Integration (SSI)라고 부름.

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

    • 10-100개의 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 LSI로 개발됨.
    • IBM 270 family가 대표적.
    • 1000~10만개 정도의 소자 를 하나의 chip으로 구현.
    • pico-second의 연산수준과 C언어 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 연산수준 및 OOP Language, AI개발로 이어짐.
    • 100만개 수준(10만~100만개 수준)의 소자 를 하나의 chip으로 구현.
    • 현재도 4세대 컴퓨터(VLSI로 나누는 이들에겐 5세대)를 사용하고 있으나, Ultra Large Scale Integration (ULSI) 도 가능해져서 (백만개 이상의 소자를 하나의 chip으로 구현이 가능해짐) 이같은 집적된 소자의 수를 이용한 구분은 모두 의미가 없음.

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

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,
시제품인 경우엔 대부분 Hardware Description Language (HDL)라는 프로그래밍 언어를 통한 coding으로 설계가 이루어짐.

  • HDL 중에서 Velilog, SystemC (기업, 각각 C와 C++과 비슷)와 VHDL (학교, 연구실)등이 주로 사용됨.
  • 일반적인 프로그래밍과 달리 디지털 회로를 텍스트로 표현하는 언어임.
  • Field Programmable Gate Array (FPGA)가 포함하고 있는 수많은 gate들을 사용자(설계자)가 HDL로 지정하는대로 회로가 구성됨.

ASIC (Application Specific IC) and Standard IC (범용프로세서)

EDA로 설계된 chip은 ASML의 Lithograpy 장비 들을 이용한 여러 요소 공정기술들을 활용하여 만들어짐.

  • 어떤 의미로 VLSI는 정말 빛(UV)으로 찍어낸다.
  • FPGA와 달리 ASIC은 대량 생산에 유리함.
  • 삼성전자, TSMC 등이 활용하는 형태라고 봐도 됨.
  • 설계 기밀 유지가 가능하고 성능이나 생산 원가에 유리함.
  • 단, 소량 생산에는 불리한 구조임 (대량생산이 아닌 경우 생산단가가 심각하게 높을 수 있음).
  • Standard IC(사실상 CPU를 가르킴) 의 경우, Intel이나 AMD가 만드는 CPU(범용프로세서)를 포함하며 다양한 SW를 지원하지만 ASIC 대비 매우 단가가 높고 개발이 쉽지 않음.
  • ASIC은 주문형 반도체 라고도 불림.

기타

FPGA는 10만개 이상의 Gate로 구성되며,
ASIC 대비 높은 전력 소모 및 높은 단가를 가지지만
소량의 생산에서는 비용이 적게 든다는 장점 과 함께
프로그래밍을 통한 재구성이 가능 한 장점 때문에 널리 사용됨.

  • Intel (Altera)과 AMD (Xilinx)가 양분하고 있음.
  • FPGA는 ASIC 대비 느리고 , 복잡한 설계를 하기 어려움.

FPGA 관련해서 다음 URL을 참고할 것: HW vs. SW

PLD는 Programmable Logic Device의 약어로

  • FPGA보다 적은 수의 Gate를 사용 하는 단순한 회로구성에 사용 된다.
  • 회로를 직접 프로그래밍이 가능하다는 점에서 FPGA와 비슷.