[CE] 오늘날의 VLSI 분류

VLSI(Very Large Scale Integrated circuit, 초대규모 집적회로)는
단일 칩에 수십억에서 수천억 개의 트랜지스터를 집적하여
복잡한 기능을 구현하는 반도체 기술을 가리킴.

집적된 트랜지스터가 100만개에서 10억개 미만을 VLSI라고도 가리키고 그 이상은 ULSI(Ultra Large Scale Integrated Circuit)이라고 부르는 경우도 있으나, 집적기술의 발전으로 인해 수치에 상관없이 VLSI로 묶어서 부르는 경우도 많음.

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이러한 VLSI 기술은 용도와 특성에 따라 크게 ASIC(특정 용도 최적화), Standard IC(범용 프로세서), FPGA(재구성 가능한 하드웨어), PLD(단순 회로 설계)의 네 가지 주요 유형으로 분류할 수 있음.​​​​​​​​​​​​​​​​

 

초기에는 “Standard IC”를 단순 논리 회로나 아날로그 IC로만 분류하는 경우가 많았음.

하지만, 현대 VLSI 수준에서는 CPU, GPU와 같은 고성능 범용 프로세서도 넓은 의미의 “Standard IC”로 분류하는 경우도 증가함
(ASIC과 CPU를 구분할 때 사용하는 용어로 쓰임)

 

즉, “Standard IC”는 좁은 의미로는  “7400 시리즈 같은 단순 IC”만 의미하지만 CPU도 포함하여 넓게 볼 수도 있음:

• 좁은 의미: TTL/CMOS 논리 게이트, 연산 증폭기, 타이머 등
• 넓은 의미: 범용 CPU, GPU, DRAM 등 “모든 비특화 IC”

범용성과 off-the-shelf 의 특징을 강조하는 용어임.

2024.06.02 - [Computer/CE] - [CE] TTL : Transistor-Transistor Logic

[CE] TTL : Transistor-Transistor Logic

2022.12.08 - [Computer/CE] - [CE] (Logic) Gates

[CE] (Logic) Gates

2024.04.03 - [Computer/CE] - [CE] From Transistor To Gate

[CE] From Transistor To Gate

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ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)

ASIC은 특정 용도에 맞춘 주문형 반도체로,
고성능과 낮은 전력 소모를 특징으로 함.

• 설계 및 제조:
  • Hardware Description Language(HDL): 설계 초기 단계에서 HDL(Verilog, VHDL 등)로 회로의 논리적 동작과 구조를 기술 (Description).
  • Electronic Design Automation (EDA): EDA 도구(예: Synopsys, Cadence)가 HDL 코드를 합성하여 게이트 레벨 넷리스트(gate-level netlist)로 변환.
  • Foundry: TSMC, 삼성전자 같은 Foundry에서 nm 단위(최신 기술은 3nm 이하)의 미세 공정(고성능 ASIC의 경우)으로 제조되며, ASML의 리소그래피(lithography) 장비가 사용됨.
    • Lithograph: Litho(그리스어로 돌) + Graphy (그리다) 
    • Lithography는 반도체 제조 공정에서 매우 중요한 기술로, 웨이퍼(반도체 기판) 위에 미세한 회로 패턴을 새기는 공정을 의미함.
    • 현재는 UV(자외선) 등을 이용해 미세 공정이 이루어짐.
• 트랜지스터 수:
  • AI ASIC(예: Google TPU v5)은 약 500억~1,000억 개의 트랜지스터를 집적함.
• 특징:
  • 대량 생산 시 비용 효율적이고 설계 기밀이 유지되지만,
  • 소량 생산에서는 높은 초기 비용으로 불리함.
  • 2025년 AI 가속칩 시장 성장으로 TSMC의 ASIC 매출 비중이 증가 중임.
• 비교:
  • FPGA와 달리 재구성이 불가능하며,
  • Standard IC보다 특화된 작업에서 효율성이 높음.
• 대표적인 예:
  • Apple의 M3 칩: 자체 설계한 ARM 기반 프로세서로, Mac 제품군에 최적화됨
  • Google의 TPU (Tensor Processing Unit): AI/ML 연산에 특화된 ASIC
  • Tesla의 FSD 칩: 자율주행 연산을 위해 특별히 설계된 AI 프로세서
  • NVIDIA의 H100: 대규모 AI 트레이닝과 추론을 위해 설계된 GPU 기반 ASIC

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Standard IC (범용 프로세서, 넓은 의미)

현대적 의미로는
주로 CPU와 같은 범용 프로세서를 의미하며,
Intel과 AMD가 대표적.

• 설계 및 제조:
  • HDL: HDL로 마이크로아키텍처(예: ALU, 캐시)를 설계.
  • EDA: EDA 도구로 HDL 코드를 시뮬레이션, 합성, 최적화 수행.
  • Foundry: Intel은 자체 Foundry를 사용하지만, AMD는 TSMC 같은 외부 Foundry에서 제조.
• 트랜지스터 수:
  • 최신 CPU(예: Intel Meteor Lake, AMD Zen 5)는 약 1,000억~1,500억 개의 트랜지스터를 집적하며,
  • 3nm 공정으로 전환 중임.
• 특징:
  • 다양한 소프트웨어를 지원하는 유연성이 강점
  • ASIC 대비 단가가 높고 개발이 복잡.
  • 2024년 AMD Epyc의 서버 CPU 점유율은 약 20%로 Intel Xeon과 경쟁 중임.
• 비교:
  • ASIC과 FPGA보다 범용성이 뛰어나지만
  • 가장 고성능(전 분야에 걸쳐)을 보이나
  • 전력 효율과 비용 면에서 뒤질 수 있음.
• 대표적인 예:
  • Intel Core Ultra 7 155H: 범용 노트북 프로세서(Standard IC)로, AI 가속을 위한 NPU 탑재
  • Intel Core i9-14900K: 데스크톱용 최상위 CPU
  • Intel Xeon Scalable: 서버용 프로세서
  • AMD EPYC: 데이터센터 및 클라우드 서버용 CPU

넓은 의미의 Standard IC는 아래의 범용 논리회로 외에도 CPU 및 DRAM도 포함됨: off-the-shelf 및 범용성이 특징.

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Standard IC (범용 논리 및 아날로그 회로, 좁은 의미)

단순하고 범용적인 기능을 수행하는 기성 집적회로 (off-the-shelf IC)

• 용도: 다양한 회로 설계에서 블록처럼 사용됨
• 트랜지스터 수: 수천 개~수십만 개 수준
• 장점:
  • 설계 및 사용이 간편
  • 표준화된 핀 배열과 전기적 특성
  • 다양한 회로 응용에 재사용 가능
• 대표 예시:
  • 디지털 논리 IC:
    • 7400 시리즈 TTL (NAND, NOR, Flip-Flop 등)
    • 4000 시리즈 CMOS (카운터, 멀티플렉서 등)
  •  아날로그 IC:
    • Op Amp(연산 증폭기): LM741, TL081
    • 타이머: NE555
    • 전압 조정기: 7805, LM317
•  적용 분야: 가전제품, 제어기기, 센서 회로, 교육용 회로 키트 등

다시 한번 언급하지만, 넓은 의미의 Standard IC에는 범용 CPU, DRAM 등의 고집적 범용 IC까지 포함됨.

위의 설명은 좁은 의미의 ‘Standard IC’에 초점을 맞춘 내용임.

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FPGA (Field-Programmable Gate Array)

10만 개 이상의 Gate로 구성된
프로그래머블 로직 디바이스
회로 재구성이 가능함.

• 설계 및 제조:
  • HDL: Verilog나 VHDL로 설계자가 회로를 기술하며, 재구성 가능한 논리 블록을 정의.
  • EDA: Intel Quartus나 AMD Vivado 같은 EDA 도구가 HDL 코드를 합성하여 비트스트림으로 변환.
  • Foundry: AMD(Xilinx)와 Intel(Altera)은 TSMC나 자체 Foundry에서 칩을 제조하며, 사용자 프로그래밍은 제조 후 이루어짐(FPGA의 특징).
• 트랜지스터 수:
  • 최신 FPGA(예: AMD Xilinx Versal, Intel Altera Agilex)는 약 50억~100억 개의 트랜지스터를 포함.
• 특징:
  • ASIC보다 전력 소모와 단가가 높지만,
  • 소량 생산에서 비용 효율적이며 유연성이 뛰어남.
  • 유연성에 대한 대가로, 속도가 느리고 복잡한 설계가 어려운 단점이 있음.
• 시장 상황 (2025년 3월 기준): FPGA 시장은 AI, 5G, 자율주행 수요로 연평균 8-10% 성장 중
  • AMD(Xilinx): 점유율 50% 이상으로 선두이며, Versal 시리즈로 AI 및 데이터센터에서 강세를 보임.
  • Intel(Altera): 점유율 약 30%로 2위이며, 2024년 Altera를 독립 법인화하고 2025년 2월 Silver Lake와 지분 매각 협상 중(Intel의 경우 AMD 대비 밀리는 경향을 보임). Agilex로 엣지 컴퓨팅을 공략 중.
  • 기타: Lattice Semiconductor는 저전력 FPGA로 약 7% 점유율을 보이고 있음.
• 비교:
  • 소량 생산과 재구성 가능 측면에서 FPGA가 가장 큰 강점을 가짐: 다품종 소량생산 시장에 유리.
• 대표적인 예:
  • AMD Xilinx Versal Premium: 고성능 네트워킹과 AI 가속을 위한 FPGA
  • Intel Agilex F-시리즈: 데이터센터와 엣지 컴퓨팅용 FPGA
  • AMD Xilinx Kintex UltraScale+: 중급 FPGA로 산업용 자동화와 의료기기에 사용
  • Intel Stratix 10: 고성능 FPGA로 5G 통신 인프라에 활용

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PLD (Programmable Logic Device)

FPGA보다 적은 게이트를 사용하는
단순한 프로그래머블 로직 디바이스
소규모 회로에 적합함.

• 설계 및 제조:
  • HDL: HDL로 간단한 논리 회로(예: 상태 기계)를 기술하며, 소규모 설계에 적합.
  • EDA: Lattice Diamond 같은 EDA 도구로 HDL 코드를 합성하여 프로그래밍.
  • Foundry: Lattice나 Intel 같은 제조사가 Foundry에서 칩을 제작하며, 주로 저비용 공정(예: 28nm 이상)을 사용함.
• 트랜지스터 수:
  • CPLD 같은 PLD는 약 수십만~수백만 개의 트랜지스터를 포함.
• 특징:
  • FPGA와 유사하게 프로그래밍(or 재구성)이 가능하지만,
  • 규모와 복잡성이 제한적임.
  • 2025년 IoT 및 산업용 제어에서 저비용 솔루션으로 사용되고 있음.
• 비교:
  • FPGA가 대규모 설계와 유연성을 제공하는 반면,
  • PLD는 단순 작업에 특화된 경제적인 대안.
• 대표적인 예:
  • Lattice MachXO3D: 산업용 제어 및 보안을 위한 저전력 PLD
  • Altera MAX 10: IoT 및 임베디드 시스템용 CPLD
  • Lattice iCE40: 모바일 기기와 웨어러블 디바이스를 위한 초소형 FPGA

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비교 요약 (2025년 3월 기준)

구분	ASIC	Standard IC	FPGA	PLD
용도	특정 작업 최적화	범용 프로세싱	재구성 가능한 하드웨어	단순 회로 설계
생산량	대량 생산 유리	대량 생산 필요	소량 생산 유리	소량/단순 작업 유리
유연성	재구성 불가	구동가능한 다양한 소프트웨어로 유연성 확보	HDL 프로그래밍으로 재구성 가능	HDL 프로그래밍 가능, 제한적 유연성 (1회 다운로드 가능 등)
성능/효율	높음, 전력 효율적	중간, 범용성 중심	느림, 전력 소모 큼	낮음, 단순 작업 중심
단가	대량 시 저렴, 소량 시 높음	높음	소량 시 저렴, 전체적으로 높음	저렴
설계 도구	HDL + EDA	HDL + EDA	HDL + EDA	HDL + EDA
트랜지스터 수	500억~1,000억 개	1,000억~1,500억 개	50억~100억 개	수십만~수백만 개
Foundry	TSMC, 삼성전자	TSMC, Intel Foundry	TSMC, Intel Foundry	Lattice, Intel
시장 동향	AI/5G 수요 증가	AMD 점유율 확대	AMD 50%+, Intel 구조조정	IoT 틈새 시장 유지

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같이 보면 좋은 자료들

https://dsaint31.me/mkdocs_site/CE/ch02_co/ce02_03_4_IC/

BME

https://dsaint31.me/mkdocs_site/CE/ch03_seq/ce03_05_hw_and_sw/

BME

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