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디자인 재사용(Design Reuse) 하기
글: 손금락/ 시스템 디자인 기술지원 수석부장
한국멘토/ www.mentorkr.com)
전자 회로 설계는 창의적인 아이디어와 기존에 검증된 회로의 조합으로 완성된다. 설계자는 진행 중인 프로젝트 일정에 대한 위험관리와 병행해서 제품 품질 향상을 위한 새로운 방법의 도출과 보다 빠른 시간 내에 경쟁우의의 기능을 구현해야 하는 압박을 받고 있다. 이 때문에 디자인 재사용(Design Reuse) 방법이 이상적인 해결책 중의 하나로 반복적으로 언급되고 있다.
신제품을 개발하는데 있어서 좋은 방법 중에 하나는 이미 생산되어 필드에서 검증된 회로 기능 블록을 사용하는 것이다. 또한, 많은 산업 표준 인터페이스 기능을 사용함으로써 제품간 인터페이스 기능을 개선하고 단축할 수 있다. 일례로 PCI-Express나 USB2와 같은 표준 인터페이스는 다양한 제품의 공통 회로로 사용되고 있다.
대부분의 복잡한 신규 설계는 현존하고 있는 회로를 재사용해서 개발시간을 단축할 수 있다. 추가로 재사용 블록은 이미 디버깅이 완료된 상태이어서 제품 품질 향상에도 많은 도움을 준다. 또한 미묘한 신호 무결성(Signal Integrity) 오류나 EMI 문제도 이전 제품 디자인에서부터 지속적으로 처리되기 되기 때문에 장기적인 품질 향상에 도움을 준다. 이러한 디자인 재사용 방법은 단기간의 설계 주기에 대응하여 비용 절감 및 제품의 전반적인 수익을 향상 시킬 수 있다.
디자인 재사용 방법은 Logical-Only 재사용과 Logical-Physical 재사용 방법으로 구분된다.
Logical-Only 재사용
기능 블록 심볼 핀 인터페이스를 통해서 신호(넷)의 이름을 변경할 수 있으므로 기능 블록 내부 회로 변경 없이 많은 디자인에 재사용 할 수 가 있다. 일반적으로 메인(또는 호스트) 디자인의 최상위 레벨 신호 명이 PCB 레이아웃에 사용된다. 또한 다수의 기능 블록 심볼을 회로도에 추가 할 수 있어서 가독성을 향상 시킬 수가 있다.
디자인 재사용 환경을 구성하여 적용하기 위해서는 시스템 레벨의 회로를 각각의 기능별로 구분하는 작업이 선행되어야 한다. 회로 기능별 구분 작업에는 각 설계 영역별 전문가 집단이 참여하여 이미 검증되어 재사용도가 높은 최적의 기능 블록을 도출해 내어야 하며 이와 같은 작업에 많은 시간이 소요되기도 한다.
또한 설계자 상호간에 원활한 커뮤니케이션을 위해서 넷 명 표준화 작업도 같이 병행하여 진행할 경우도 있다.
기능 블록을 생성하는 방법에는 Top-down 방법과 Bottom-up 방법 두 가지가 있다. 기능블록 심볼을 먼저 만들고 블록 내부 회로를 작성하는 것이 Top-down방법이고 이미 존재하는 회로를 통해서 기능 블록 심볼을 작성하는 것이 Bottom-up 방법이다.
Logical-Only 재사용 방법은 설계제약조건(Constraints)을 포함한 회로만을 재사용하는 것을 의미한다.
멘토 그래픽스 Expedition Enterprise Flow에서 Logical-Only 재사용 블록을 생성하고 부품 심볼과 같이 라이브러리 관리 시스템에 등록한 후 설계자가 재사용 블록을 검색 및 선택하는 메뉴를 사용하여 회로도에 재사용 블록을 추가하는 프로세스는 (그림 3)과 같이 요약할 수 있다.
설계제약조건 재사용
설계제약조건은 크게 물리적 조건과 전기적 조건으로 구분되며 최대 지연(Maximum Delay), 크로스토크(Crosstalk), 배선 폭(Trace Width), 배선간 간격(Clearance) 등과 같은 모든 설계제약조건은 CES(Constraint Editor System)을 사용하여 재사용 블록에 입력한다. 입력된 설계제약조건은 계층구조설계에서 재사용됨으로써 설계자에게 많은 이득을 줄 수가 있다. 재사용 블록을 새로운 디자인에 추가했을 때 블록에 정의된 설계제약조건이 같이 입력되어 최상위 레벨의 메인 디자인 설계제약조건과 병합된다.
메인 디자인에 설계제약조건이 적용된 넷이 존재하고 이 넷이 다른 설계제약조건이 부여된 재사용 블록의 넷과 연결되었을 때 제약조건간의 충돌이 발생되며 이 문제는 해결 및 조치되어야 한다.
일반적으로 재사용 블록이 포함된 신규 디자인을 작성 할 때 최상위 레벨 제약조건은 제약조건에 대한 우선순위를 가지고 신규 디자인 파라미터를 부여하지만 재사용 블록에 적용된 물리적 제약조건은 고려되어야 한다. 재사용 블록에 적용된 배선 폭 및 배선간 간격, Via 속성정보 등과 같은 물리적 제약조건은 성공적인 구현에 매우 중요한 요소로써 신규 디자인에 입력 보관되며 레이아웃에서 Rule Area로 사용 가능하게 된다.
Logical-Physical 재사용
때때로 Logical-Only 재사용 블록의 부품, 넷 접속정보, 설계제약정보만 활용해서 설계에 적용하기에는 충분하지 않은 경우가 있다. 전자제품 설계단계 중 PCB 설계의 부품 배치 및 배선이 많은 시간과 비중을 차지하고 있기 때문이다. 또한 제품의 최대 성능을 보장하기 위하여 PCB 배선 진행 중 또는 완료 후 광범위한 포스트-라우트(Post-route) 신호 무결성 해석이 실시된다. 이렇게 완성된 디자인이 재사용 블록으로 등록되었을 때 정확한 배치 및 배선 정보가 보존되어 제품의 올바른 작동에 매우 중요한 데이터로 활용됨으로써 제품의 테스트 및 검증에 소요되는 시간을 대폭 감소할 수 있게 된다.
Logical-Only 재사용 블록이 포함하고 있는 정보에 PCB 레이아웃 데이터가 추가된 형태를 Logical-Physical 재사용이라고 한다.
회로작성이 완료되고 PCB 레이아웃을 시작할 때 첫 번째 단계는 부품을 배치하는 것으로 Logical-Physical 재사용 블록도 하나의 부품처럼 배치를 할 수 있다. 만약 Logical-Physical 재사용 블록에서 사용한 레이어수가 메인 디자인의 레이어 수보다 적다면 레이어 매핑(Mapping)을 해 주어야 한다. 반대로 만약 Logical-Physical 재사용 블록의 레이어 수가 메인 디자인보다 많다면 레이어 매핑을 할 수 있는 조건이 되지 않아서 재사용 블록을 사용할 수 없게 된다.
다양한 설계제약조건이 요구되는 복잡한 디자인에서 Logical-Physical 재사용 블록을 사용하면 부품 배치 및 배선을 다시 하지 않아도 됨으로 높은 설계 생산성을 기대할 수 있다. Logical-Physical 재사용 블록의 사용 프로세스는 (그림 7)과 같이 요약할 수 있다.
제조 고려사항
그림 7. Logical-Physical 재사용 블록 프로세스
재사용할 디자인의 PCB 레이아웃 정보는 종종 특정 제조 기술에 최적화되어 있다. 사용된 패드(Pad)의 크기와 모양, 팬-아웃(Fan-outs) 및 배선간 간격 등이 제조 공정을 통해서 제조성에 대한 검토가 이루어진 상태이므로 재사용 블록으로 활용할 경우 고품질의 PCB를 구현하는데 많은 도움을 준다.
하지만 제조성이 기 검토된 재사용 블록을 여러 디자인에서 사용할 경우에는 동일한 제조 기술뿐만 아니라 또 다른 제조 기술을 요구하는 경우도 발생한다.
그러므로 재사용 블록을 관리하는 라이브러리 관리 시스템은 하나의 재사용 블록에 여러 제조 기술을 포함할 수 있는 기능을 가지고 있어야 한다. 제조 기술을 결정하는 요소는 대부분 디자인에 적용하는 패드스택(Padstack) 형태이다.
Expedition PCB는 하나의 부품에 여러 가지의 패드스택을 적용하여 사용자가 원하는 시점에 변경할 수 있는 패드스택 선택 기술이 있다. 패드스택 선택 기술을 재사용 블록에 적용하여 여러 제조 기술을 포함하여 사용할 수 있는 환경을 구축할 수 있다. 이러한 환경은 다양한 제품에 걸쳐 여러 제조 기술을 적용할 수 있기 때문에 재사용 블록의 가용성을 확장시키는 요소 중에 하나이다.
데이터 관리 요구사항
디자인 재사용의 데이터 관리 측면은 디자인 재사용 방법이 얼마나 광범위하게 성공적으로 적용할 수 있는지를 결정하는 중요한 요소이다. 이러한 데이터 관리 요소에는 회로와 설계제약조건, PCB 레이아웃 데이터가 포함된 완벽한 재사용 블록을 만드는 작업과 설계자가 재사용 블록을 용이하게 찾아서 기능 검토 후 사용에 대한 신뢰를 가질 수 있도록 재사용 블록을 배포하는 작업이 있다.
첫 번째 단계로 전원 공급장치, 메모리, 인터페이스 회로 등과 같이 기능별로 재사용 블록을 분류하고 상세 표준, 소비전력, 클럭 속도 등과 같은 기능 및 특성 정보를 취합하는 것이다. 엔지니어가 재사용이 가능한 블록을 찾을 때 이러한 기능 분류 기준 및 특성 정보를 입력해서 수많은 디자인 중에서 원하는 블록을 용이하게 찾을 수 있다.
사용할 재사용 블록을 찾았다면 해당 재사용 블록에 대한 사양 및 설명서를 쉽게 보고 검토할 수 있도록 재사용 디자인 파일과 함께 이러한 정보가 공용 라이브러리 서버에 저장되어 있어야 한다. 최종적으로 재사용 블록을 선택해서 설계 중인 디자인에 쉽게 추가할 수 있는 환경이 구성되어야 한다.
재사용 블록이 디자인에 추가되어 사용된 후 재사용 블록에서 사용 중인 부품이 단종되었거나 새로운 제조 기술에 대응하기 위한 Footprint가 필요한 경우가 발생할 수 있다. 또한 제품 기능 향상을 위해 몇 개의 칩으로 구현한 기능을 하나의 새로운 단일 칩으로 구성할 필요도 있다. 이러한 상황에 대응하기 위해서 재사용 블록은 계속 업데이트되면서 진화되어야 하며 이미 사용된 재사용 블록도 기존에 개발된 제품을 위하여 보존할 필요가 있다.
멘토 그래픽스의 데이터 관리 시스템(DMS: Data Manage ment System)을 사용하여 재사용 블록의 최초 버전부터 모든 버전을 효과적으로 관리 할 수 있다. 사내 표준 부품의 라이프사이클과 같이 재사용 블록도 "개발-릴리즈-사용제한"처럼 라이프사이클에서의 상태 관리가 요구된다. 디자인 팀에서는 재사용 블록을 사용하기 전에 재사용 블록의 현재 상태 및 다른 디자인에서 사용된 현황 그리고 이전 버전의 사용 가능성 등을 고려해서 설계에 적용할 수 있다.
서버에 등록된 재사용 블록에 변화가 발생했을 때 데이터 관리 시스템은 모든 디자인 팀에게 이메일 통지와 같은 적절한 수단을 통하여 변경 정보를 제공한다. 또한 신규 재사용 블록이 등록되었을 때에도 디자인 팀에게 공지가 된다. 이러한 변경 정보를 가지고 디자인 팀에서는 이전 버전의 재사용 블록을 사용할 것인지 업그레이드 버전을 사용할 것인지 의사 결정을 할 수 있다.
요약
디자인 재사용 방법은 많은 신제품 개발의 가장 효과적인 방법 중에 하나로 자리매김하고 있다. 디자인 재사용 방법을 사용해서 설계를 진행할 경우 회로를 분할하여 기능 블록으로 만들고 설계제약조건을 기능 블록에 추가 한 후 마치 하나의 독립적인 보드와 같이 배치 및 배선을 할 수 있다.
하나의 재사용 블록은 공통화된 공유 기능에 집중되어 구현된 하나의 완전한 디자인처럼 사용된다. 재사용 블록에는 기능 및 사용시 유용성 등에 관한 사양 및 설명서가 포함되어서 설계자들이 정확한 의사 결정을 할 수 있도록 해야 한다. 이 모든 정보가 중앙 집중 관리되는 데이터 관리 시스템에 입고되어야 하고 모든 디자인 팀에서 용이하게 접근하여 탐색 및 선택할 수 있어야 한다.
또한 다른 디자인에서 어떤 재사용 블록이 사용되었는지 설계자가 알 수 있다면 회로 구성을 하는데 있어서 좋은 의사 결정을 할 수 있다. 재사용 블록에 대한 라이프사이클 관리를 통하여 재사용 블록의 변경이나 사용제한 등에 대한 정보를 모든 설계자에게 공지하여야 한다.
끝으로 설계자들이 편리한 방법으로 사용 가능해야 보다 향상된 신규 재사용 블록을 계속해서 추가할 것이고 설계시 지속적으로 재사용 블록을 사용할 것이다. 이러한 과정을 진행하면서 설계자 상호간에 좋은 아이디어가 계속 공유 될 수 있다. 비록 디자인 재사용 환경에 대한 관리적 부담 등의 단점에 존재할 수 는 있으나 디자인 재사용을 통한 생산성과 품질 향상이 그러한 단점에 비해 훨씬 크다고 할 수 있다.
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