50년 동안 군사용 기술로 지속적으로
하이브리드 회로는 소형 라디오와 컴퓨터의 생산을 위해 트랜지스터 회로의 집적도를 증대시키기 위해 미국 육군의 자금 지원을 받아 1950년 대 말에 개발되었다. 50년 이상이 지난 오늘날에도 군대는 여전히 하이브리드 회로를 사용하고 있지만 해결해야 할 문제들은 여전히 진화하고 있다. 하이브리드 모듈을 지속적으로 사용하는 데에 있어 영향을 미치고 있는 몇 가지 요소들과 최신 기술 개발이 군사용 장비 설계를 위해 광범위하게 사용되고 있는 이유에 대해서 살펴보자.
글: 스티브 문스(Steve Munns)
리니어 테크놀로지 / www.linear.com
초기 하이브리드
1950년대말 디스크리트 트랜지스터를 사용하는 컴퓨팅의 발전이 엄청난 진전을 이루었지만, 회로 보드는 수천 개의 상호 연결된 트랜지스터, 다이오드, 레지스터, 커패시터 등으로 인해 한층 복잡해지고 있었다. 밀도와 신뢰성을 향상시키기 위한 솔루션이 필요했다. 정부기관들은 다양한 하이브리드 회로 개념들에 대해 자금을 지원했다.
군대는 이 분야에 특히 흥미를 가지고 있었으며 적극적으로 활동했다. 1958년 미국 육군은 RCA가 "마이크로-모듈" 개념을 개발할 수 있도록 자금을 지원했다. 이것은 외부적으로 설정된 단일 크기의 큐브를 사용하는 접근법을 이용했기 때문에 함께 고정될 수 있다. 내부적으로 다양한 디스크리트 컴포넌트의 소형 웨이퍼들을 수직으로 스택하여 각 끝을 상호 연결했다. 양적으로 컴포넌트 밀도가 2배 이상이 되었고 신뢰성이 6배 증가되었기 때문에 그 후 수년 동안 추가적으로 투자를 했던 군대를 만족시켰다. 1962년 일렉트로닉 엔지니어링 타임즈(Electronic Engineering Times)의 기사에 따르면 10-컴포넌튼 모듈의 비용은 52달러로 전통적인 디스크리트 PCB 솔루션 비용의 2.5배였다.
그 비용에도 불구하고 RCA 마이크로-모듈은 매우 성공적이었지만, 오래 지속되지는 못 하였는데, IC(integrated circuit)의 탄생이 그 종말에 의심의 여지 없이 영향을 미쳤다. 하이브리드 솔루션의 비용의 9배였음에도 불구하고, 초기 IC는 군대 또는 정부 지원 프로그램의 수혜자가 되었으며, 한 가지 주목할만한 1962년의 프로젝트는 레이시온(Raytheon)이 NASA를 위해 개발한 아폴로 유도 컴퓨터(Apollo Guidance Computer)이다.
IC가 급속하게 진화함에 따라 하이브리드와 모듈에 대한 그 장점이 곧 확인되었다. 이러한 측면에서 하이브리드 회로 기술이 지속적으로 사용되었다는 것은 놀라운 것이다. 하지만, 군대는 대개의 경우에 제품 안전성, 장기적인 이용 가능성, 신뢰성, 유용성 대 혁신성, 복잡한 동작 요구사항 등과 같은 보다 폭넓은 고려사항들을 가지고 있다. 하이브리드와 모듈의 특수한 기술적 장점과 함께 이러한 요소들은 지난 50년 동안 이들 기술이 지속적으로 사용되는 데 확실히 기여해 왔다.
통합
ASIC 기술은 산업에 혁명을 일으켜 왔다. 초기에 수백 개의 게이트를 제공하는 게이트 어레이들이 군대에 향상된 디지털 통합을 위한 경로를 제공했으며, 게이트 밀도가 급속히 향상되고 개발 툴들이 개선되면서 하이브리드 회로가 오래 지속되지 못할 것처럼 보였다. 1980년대 말 디지털 ASCI의 성공을 인식하고 있었던 군용 장비 설계자들은 동일한 기법들을 혼합-신호 회로에 적용하기 위해 노력했다. 그들의 동기는 소형화에 대한 요구에 의해 주도되었으며, 그 시기에 막대한 예산을 가지고 있던 군대에 의해 한층 더 복잡한 시스템들이 요구되었기 때문이다.
하지만, 고객 사용을 위한 완전 주문형 설계 툴을 도입하는 데 따른 어려움과 아날로그 설계의 복잡성으로 인해 혼합-신호 ASIC은 매우 자원 집약적이면서 사실상 완전-주문형 설계를 위한 반도체 제조 설계 팀에 매우 의존하고 있었다. 아날로그 ASIC 설계 툴과 기술에서도 상당한 진전이 있었지만, 다양한 실세계의 아날로그 문제들을 기성 반주문형(semi-custom) 회로로 구현하는 것은 여전히 어렵다. 따라서 기성 제품들이 이러한 작업을 제공하지 못할 경우에 하이브리드 회로가 다양한 고성능 아날로그 및 신호-체인 기능들을 단일 패키지로 통합하는 방법이 지금까지도 사용되고 있다.
성능
군사 및 우주항공 시스템은 일반적으로 모듈식 서브-시스템을 기본으로 하여 설계된다. 예를 들어, LRU(line replaceable unit)는 서비스 및 운영 지원을 단순화시킨다. LRU를 상호 연결하는 것은 MIL-STD-1553 버스 인터페이스와 같은 표준들을 따른다. 이러한 기능들을 하이브리드, 모듈, ASIC 매크로, 표준 포맷 회로 보드 등으로 구현하는 것이 선호되는 접근법이 되었으며, 그것들은 사실상 ASSP(application specific standard product)이다.
이것은 2가지 중요한 요소를 설명한다. 첫째, 바퀴를 재창조한다고 해서 얻을 수 있는 것은 없으며, 시스템의 핵심 IP에 집중할 수 있도록 설계자들을 보다 유용하게 채용할 수 있다. 둘째, 군사 및 우주항공 산업은 현재의 표준에 의한 반도체를 많이 사용하지 않으며, 모노리식 IC-레벨 ASSP보다 모듈 또는 보드 레벨로 솔루션들을 개발하는 것이 보다 현실적인 대안이다.
전통적으로 전력 공급기 모듈의 성능 요구사항은 고온 고신뢰성 군사 애플리케이션의 전력 밀도 및 온도 관리 요구를 지원하기 위해 밀폐 금속을 패키징에 사용하는 하이브리드 모듈 기술과 잘 부합한다. 대형 FPGA와 마이크로프로세서의 전력 요구사항들이 증가함에 따라 보다 효율적인 전력 아키텍처와 POL(point-of-load) 레귤레이션을 위한 드라이브로 인해 새로운 모듈 솔루션의 사용이 증가하게 되었다.
레이더와 같은 애플리케이션 역시 RF 및 마이크로웨이브 솔루션을 위한 하이브리드 및 모듈에 오랜 기간 동안 의존해 왔다. 최근에 와서야 이러한 요구사항들을 해결할 수 있는 모노리식 IC 제품이 제공되었다.
보안
제품 노후화는 군대에 있어서 매우 심각한 문제이다. 30년에서 50년의 프로그램 수명이 매우 일반적이기 때문에 군사 및 우주항공 장비 공급업체들은 위함을 완화시킬 수 있는 방법들을 지속적으로 찾고 있다. 하이브리 및 모듈은 반도체 산업의 급속한 변화 속도로부터 군사 산업을 격리시킬 수 있는 접근법 중 하나이다. DRAM 및 SRAM 기술의 매우 짧은 라이프사이클 때문에 메모리 모듈은 특히 관심 영역이다. 표준 폼 팩터 및 핀-아웃 개념은 유지될 수 있지만, 모듈 내부의 메모리 다이스(dice)는 업데이트될 수 있다. 액세스 시간, 아키텍처, 공급 전압 등의 지속적인 발전으로 인해 이것은 실제 실행하는 것보다 작성하는 것이 한층 더 간편하다. 다른 레벨에서 표준 포맷의 임베디드 프로세서 카드를 사용하는 것은 공간이 허용되는 보다 높은 레벨의 대안적인 접근법을 제공한다. 하지만, 표준 폼 팩터 개념은 많은 노후화 관리 전략의 핵심이며, 확실히 하이브리드 및 모듈 솔루션의 장수명에 대한 주요하게 영향을 미치는 요소이다.
하이브리드 및 모듈은 또한 완전-주문형 모듈은 하드웨어 설계와 관련된 중요한 가치를 가지는 IP 를 숨기는 데 사용할 수 있기 때문에 이점을 제공한다. 패키지의 부품 수를 간단히 살펴보는 것만으로 설계 하드웨어를 충분하게 해석할 수 없다. 뿐만 아니라, 일부 반도체 다이스는 모든 사람들이 사용할 수 있도록 제공되지는 않는다. 예를 들어, 리니어 테크놀로지는 다이스 공급을 엄격하게 통제하고 있으며, 최종 소비자 및 애플리케이션이 공개되지 않았을 경우에 제품을 판매하지 않을 수 있다.
완전 주문형에서부터 최신 COTS까지
군사용 시스템에서 하이브리드와 모듈의 지속적인 사용에 대한 이전 논쟁들은 현재에도 유효하다. 하지만, 군사용 장비 제조업체들에 대한 상용화 압력이 특히 비용과 타임-투-마켓에 있어서 이전보다 현재 더 높다는 것을 인정하는 것은 중요하다.
완전 주문형 하이브리드 설계는 비용이 높고, 상대적으로 개발 기간이 오래 걸린다.
보다 대안적인 모노리식 IC 솔루션은 매년 이용 가능성이 높아지고 있다. 주요 군수 업체들에서 새로운 하이브리드 설계들이 여전히 개발되고 있지만, 물량이 감소함에 따라 아웃-소싱 제조에 대한 경향이 뚜렷해지고 있다.
COTS(commercial-off-the-shelf) 모듈에 대한 그림은 상당히 다르다. 기술과 상용화 모두에 대한 고려사항으로 인해 모듈 기반 솔루션에 대한 확고한 성장 기반이 마련되고 있다. 스위칭 전력 공급기는 모듈 구현이 특히 적합한 영역 중 하나이지만, 오늘날의 군사용 설계 팀에 부족한 효율적인 설계를 위한 전문적인 지식을 필요로 한다.
μModule 제품으로의 진입
리니어 테크놀로지의 μModule 스위칭 레귤레이터는 최신 COTS 모듈의 예 중 하나이다. 첫 번째 제품은 2005년에 출시되었으며, 완벽한 10A DC/DC 레귤레이터를 15㎟의 표면실장 패키지로 제공했다(그림 1참조). 이후 다양한 전력 수준, 디바이스 아키텍처, 기능 등을 포함하는 전체 μModule 파워 제품군이 개발되었다. 동일한 패키지 기술이 인터페이스와 신호 체인 기능들을 구현하는 데 사용되었다.
표면실장 IC를 조립하여 각 μModule 레귤레이터는 설계를 단순화시키고 외부 컴포넌트를 최소화시키는 완벽한 시스템-인-패키지(system-in-a-package) 솔루션을 포함하고 있다. 내부적으로 레이아웃과 설계가 전기 및 열 효율을 위해 최적화되었다. 업계 최고의 표준을 기반으로 하고 있기 때문에 이들 μModule 제품들은 표준 IC에 근접하는 탁월한 신뢰성을 제공한다. 표 1은 누적된 포괄적인 신뢰성 데이터를 일부 나타낸 것이다. 이것은 군사용 애플리케이션에 요구되는 엄격한 보드 실장 테스트를 포함하고 있다.
COTS 모듈 패키지 스타일
군용 등급의 하이브리드는 일반적으로 세라믹 멀티칩 모듈 패키징을 사용하며, 전력 모듈은 금속 캔 패키지를 지속적으로 사용해 왔다. 고전력 레귤레이터 모듈은 특히 전통적으로 볼트-다운 또는 블릭 타입의 구성으로 제공되며, 랙 레벨 또는 LRU 공급을 위해 개발되었다. 이것은 부피가 커지고 무거워지는 경향이 있으나 단일 지점으로부터 분배되어 복수의 전압 레일을 회로와 보드에 제공할 수 있도록 구성된다.
리니어 테크놀로지의 μModule 레귤레이터와 같이 보다 최근에 개발된 제품들은 레귤레이션이 몇 개의 보다 작고 보다 효율적인 단계로 입력 전압을 강하시킬 수 있도록 구성되는 보다 새로운 POL 타입 전력 아키텍처에 적합하다. 약 1V 조건에서 수십 A를 필요로 하는 대형 FPGA를 사용하는 군용 시스템에서 레귤레이터를 부하에 가깝게 위치시켜 레귤레이션을 최적화시키고, 열을 보다 균일하게 분산시킬 필요가 있다. LGA 패키지의 높은 효율과 탁월한 온도 특성(그림 2 참조)은 군용 시스템에 이상적이다. BGA 옵션 역시 제공된다.
μModule 제품의 MP(Military Plastic) 등급 버전은 -55℃ 및 +125℃ 조건에서 100% 전기 테스트를 하여 데이터 시트 성능을 보증하고 있다. 모든 MP 제품들은 또한 강화된 선별 검사(screening), 신뢰성 모니터링, 보다 엄격한 제조과정(in-process) 제어를 거쳤다.
결론
50년 전, 하이브리드와 모듈은 전자 회로를 소형화시키고 신뢰성을 향상시키기 위한 최상의 기술이었다. 반도체 산업이 상품화되고 제품의 라이프사이클이 방위 산업으로부터 분화됨에 따라 하이브리드와 모듈은 노후화 완화에서 새로운 역할을 찾았다. ASIC은 디지털 전자장치의 통합을 위해 선호되는 접근법이 되었으며, 하이브리드 모듈은 어려운 아날로그 문제들을 해결할 수 있는 틈새 시장을 찾았다.
한편 COTS 모듈이 특히 전력공급기, 프로세서, 인터페이스 등을 위한 ASSP(Application Specific Standard Product)의 형태로 새롭게 등장했다. 군사용 장비 공급업체들이 새로운 경쟁 세대에 대해 대응하고 부족한 설계 자원들을 핵심 경쟁력에 집중하는 것의 중요성을 인식함에 따라 이들은 넓게 채택되었다. 오늘날 국방 예산 압력과 단축된 설계 사이클은 완전 주문형 하이브리드가 한층 기성 솔루션이 되게 하였지만, 의심의 여지 없이 COTS 모듈은 군사 및 우주항공 산업을 위한 최상의 기술로 한층 더 자리를 잡아가고 있다.
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