반도체 설계, 알고보면 예술

반도체 설계 작업은 여러 가지 단계를 거친다. 제일 먼저 구현하려는 반도체의 기능과 성능 규격을 정한다. 그리고 실리콘과 같은 반도체 물질을 정하고, 공정을 제공할 파운더리(Foundary)기업을 정하고, 파운더리 기업으로부터 설계 변수(Parameter)들을 얻는다.

김정호 카이스트 교수

다음으로 반도체 내의 각 블록(Block)들을 배치하고, 그 블록들을 논리회로(Logic circuit)로 만들고, 그 다음 단계로 트랜지스터 레벨의 회로도(Circuit diagram)를 그린다. 설계의 마지막 단계에서는 물리적으로 실리콘 위에 공정 실현 작업을 위한 마스크 패턴(Mask pattern) 설계를 한다. 이 물리 레빌의 마스크 패턴 설계 결과를 ‘레이아웃(Layout)’ 이라고 부른다.

여기서 마지막 설계 결과물인 레이아웃 도면이 반도체 제작의 물리적 공정의 광 마스크(Photo mask)가 된다. 반도체 공정의 경우 빛을 이용한 사진 작업으로 금속이나 절연물을 입히고 깍는다. 그리고 마스크 패턴으로 불순물(Minority carrier)을 주입한다.

이렇게 완성된 실리콘 위의 패턴이 트랜지스터, 금속 배선, 캐패시터 등이 된다. 수조개의 이들을 연결해서 반도체의 기능을 완성한다. 그래서 여기서 레이아웃이 실리콘 공정의 사진 원판에 해당된다고 볼 수 있다.

같은 회로도라 하더라도 물리적 구현을 위한 다양한 패턴 설계가 있을 수 있다. 블록의 배치, 회로의 좌우 배치, 대칭, 직렬 연결, 병렬 연결, 회전 각도 등에 따라 반도체의 성능의 차이가 난다. 패턴 설계에 따라 연결선이 길어져서 계산 시간이 더 걸릴 수도 있고, 전력 소모가 늘어날 수 있다.

이러한 잘 된 설계 도면은 눈으로 보면 한눈에 아름답게 보인다. 잘 구현된 설계는 컴퓨터 화면에서 일단 각 마스크 패턴의 색깔부터가 아름답다. 설계 엔지니어의 색깔 선택부터가 중요하다. 색깔 선택이 잘된 레이아웃은 나중에 반도체를 만들어 제작해서 테스트해 보면 결과가 더 좋다. 미적 감각이 전기적 성능을 결정한다. 정성이 들어가기 때문이다. 레이아웃 설계 도면이 아름답다는 의미는 대칭이 잘 이루어져 있고, 배치가 균형이 있다. 안정감이 있다는 경우이다. 그래서 한 눈에 예쁘다.

SK 하이닉스의 0.18 um 공정을 이용해 설계한 반도체 전력회로인 IVR(Integrated Voltage Regulator) 레이아웃 도면. [출처: KAIST]

가장 아름다운 인류 건축물 중 하나가 이탈리아의 신전 판테온이다. 다신교 국가인 로마에서 특정 신이 아니라 모든 신에게 바치는 신전으로 건축되었다. 현존하는 그 어떤 로마 건축물보다 보존이 잘 되어 있으며, 남아있는 가장 오래된 거대 돔 건축물이기도 하다. 직경 43.3m에 달하는 거대한 돔은 콘스탄티노폴리스의 성 소피아 성당이 지어지기 전까지는 비견될 돔이 없었을 정도이다.

둥근 돔의 곡선 모습, 그리고 기둥의 날렵함이 합쳐져서 아름다움을 실현했다. 좌우가 대칭이고, 돔, 기둥, 전체의 비례가 이상적으로 보인다. 안정감이 있다. 돔은 투구 같다. 기둥은 퀸의 프레디 머큐리 다리 같이 미끈하다.

판테온 측면도. [출처: Doopidia]

아름다움의 비밀은 '비율'에 있다

레오나르도 다빈치는 인체 비례도를 통해서 인체의 비율에 대해서 논의했다. 그리고 건축도 인체를 따라야 한다고 주장했다.

인체 비례도(Canon of Proportions)는 레오나르도 다 빈치의 소묘 작품이다. 그는 "자연이 낸 인체의 중심은 배꼽이다. 등을 대고 누워서 팔 다리를 뻗은 다음 컴퍼스 중심을 배꼽에 맞추고 원을 돌리면 두 팔의 손가락 끝과 두 발의 발가락 끝이 원에 붙는다. 정사각형으로도 된다. 사람 키를 발바닥에서 정수리까지 잰 길이는 두 팔을 가로 벌린 너비와 같기 때문이다"라고 말하였다.

이러한 시도와 성과는 ‘아름다운 인체, 생물, 동물, 자연 모습에도 비례, 균형의 룰이 존재한다’ 는 사실을 일깨워 준다. 아름다움에도 규칙이 존재한다. 따라서 아름다운 건축물도 이를 따른다.

레오나르도 다빈치의 인체비례도. [출처: 나무위키]

 
인공지능, 비율 알기에 아름다움도 학습 가능하다

인간에게 아름답게 보이는 설계는 자연을 닮았다. 우리는 자연에서 평화와 평안을 느끼고 있기 때문이다. 생존에 유리한 환경이 아름답다. 그래서 자연을 닮은 설계가 아름답게 여겨진다. 거기에는 색깔, 균형, 대칭, 비율의 법칙이 있다.

우리가 자연에서 그리고 인체에서 아름다움을 느끼는 이유는 인류의 진화와 관계가 클 것으로 생각한다.

인간에게 아름다움은 태어나면서 자라면서, 경험하면서, 또는 진화하면서 꾸준히 학습되었을 것이다. 그러니 인간이 느끼는 아름다움도 환경과 진화 학습의 결과로 인간의 DNA와 뇌 기억 속에 남았다. 마찬가지로 이렇게 학습된 결과가 반도체 레이아웃 설계와 역사적 건축물에 인쇄되어 남았다.

따라서 인공지능에게 아름다운 사진을 수 백만 장, 수 천만 장 보여주면서 학습시켜 주면, 아름다운 명작 그림을 고를 수 있다. 인공지능에게 전세계 아름다운 건축물 사진을 매일 매일 매초 보여주고 학습을 시킨다. 그러면 인공지능이 명작 건축물 고를 수 있다. 더 나아가 아름다운 그림도 건축물도 설계할 수 있다. 인공지능에게 로마 여행을 시키면 된다.

인공지능 창작과 설계의 완성도와 미적 수준은 우리가 인공지능에 제공한 데이터의 양과 질에 달려 있을 뿐이다.

joungho@kaist.ac.kr  

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]