전 세계 인터넷 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있으며, 그 증가세가 꺾일 기미가 보이지 않고, 이러한 수요가 반도체 산업의 발전을 주도하고 있습니다. 점점 더 많은 데이터를 원하는 수요에 부응하기 위해서는 데이터를 수집하는 센서, 데이터를 전송하는 네트워크, 스토리지, 그리고 데이터를 분석할 수 있는 처리 능력이 필요합니다. 데이터 수요가 증가함에 따라, 기반 기술은 현재의 요구를 충족할 뿐만 아니라 미래의 응용 분야까지 대비할 수 있도록 발전해야 합니다.
새로운 기술이 복잡한 디지털 기기의 혁신을 주도하고 있다
마이크로프로세서당 트랜지스터 수의 역사적 증가 추이는, 소자의 복잡성으로 나타나는 처리 수요의 증가 속도 역시 지난 50년 동안 기하급수적인 성장 궤도를 이어왔음을 보여줍니다. 더 많은 처리 능력을 요구하는 새로운 애플리케이션이 이러한 추세의 핵심 동력이며, 증강 현실과 같은 애플리케이션이 등장하는 미래에도 성능에 대한 요구는 계속될 것이다. 첨단 공정 노드를 적용한 디바이스가 늘어나고 이러한 칩에 대한 수요가 증가함에 따라, 첨단 반도체 파브에 대한 투자는 지난 1년 동안 거의 두 배로 증가하여 1,000억 달러를 넘는 새로운 수준에 도달했다. 생산량 증가는 고품질 자동화 테스트 장비(ATE) 에 대한 수요를 촉진하고 있으며, 칩의 복잡성 증가는 테스트 분야에서 새로운 과제를 야기하고 있다.
과거 반도체 테스트의 역사를 되돌아보면, 1990년대의 과제는 단순히 소자의 기능 테스트를 수행하는 데 그쳤습니다. 그 다음 시대는 테스트 시간을 단축하고 병렬 처리 능력을 높인 고처리량 테스트 장비를 활용해 비용을 절감하는 데 중점을 두었습니다. 그리고 최근 몇 년간은 반도체 제조 공정의 복잡성과 패키징 트렌드가 점차 심화되는 특징을 보였습니다(2011년 인텔이 22nm 공정을 위해 FinFET으로 전환한 것을 시작으로). 우리는 이러한 추세가 적어도 이번 10년 말까지는 테스트 분야에 영향을 미치는 주요 동인이 될 것으로 예상합니다.
반도체 소자 제조 분야의 최근 혁신 중 하나는 2차원 구조에서 게이트-올-어라운드(GAA) FET 트랜지스터와 같이 점점 더 정교해지는 3차원 구조로의 진화를 보여줍니다. 테스트의 본질은 제조 결함을 찾아내는 데 있으므로, 이처럼 새롭고 미세한 소자 구조에서는 더 다양한 유형의 미묘한 결함을 발견해야 하므로 테스트의 복잡성이 증가합니다. 트랜지스터는 계속해서 소형화되고 있으며, 하나의 칩에 더 많은 수의 트랜지스터가 집적됨에 따라 스위칭 전류도 점점 더 커지고 있습니다. 하지만 이 부분은 나중에 다시 다루도록 하겠습니다.
먼저, 트랜지스터 수가 메모리 깊어지며, 이로 인해 새로운 디지털 테스트 기법이 필요해지고, 결국 새로운 디지털 계측 장비의 도입이 요구된다는 점부터 살펴보겠습니다. 하지만 이 문제는 모든 주요 공급업체들이 조만간 해결할 것으로 보이므로, 이제 해결해야 할 또 다른 차원의 과제에 대해 살펴보겠습니다.
더 흥미로운 과제는 다이(die)에 탑재되는 트랜지스터 수가 점점 늘어날 때 어떻게 관리 가능한 수율을 확보할 것인가 하는 점입니다. 우리는 모두 치플릿(chiplets)을 통해 여러 다이의 총 수율을 단일 모놀리식 다이의 수율보다 높일 수 있다는 전망을 들어본 적이 있지만, 이는 테스트 과정에 여러 가지 문제를 야기합니다. 이러한 영향은 크게 네 가지 범주로 나뉩니다:
- 품질
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- 검증 가능하도록 설계되었으나, 단독으로 제조된 상태에서는 테스트가 불가능한 IP 블록을 사용할 경우 추가적인 다이 면적이 필요할 수 있습니다
- 탈출한 불량 칩으로 인한 비용과 조립품 파손으로 인한 비용의 균형
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- 상호운용성: 인터페이스/상호운용성 테스트를 위한 효율적인 테스트 환경 구축을 가능하게 하기 위해 기존 테스트 표준을 확장하고, 비용 절감을 위해 업계에서 테스트 표준을 채택하도록 유도
- 고속 인터페이스: KGD(정상 작동이 확인된 칩)를 지원하기 위한 다이 루프백 및 적절한 웨이퍼 테스트; 그리고 비용 절감을 위해 제한된 구동 전력을 사용하는 범프 및 드라이버를 테스트해야 할 필요성
- 고속 인터커넥트: 테스트 장비의 디지털 핀과 연결되는 0.5미터 길이의 인터페이스가 아닌, 기판 위의 수 밀리미터 길이의 구리 도체를 구동하도록 설계된 칩 내부의 고속 인터커넥트 및 드라이버 관리
스위칭 전류 증가에 대한 논의로 돌아가 보면, 첨단 공정 노드의 도입이 가져오는 덜 눈에 띄는 영향 중 하나는 해당 소자를 위한 테스터 전원 공급 장치에 미치는 영향입니다. 트랜지스터를 켜고 끄는 과정은 마치 아주 작은 커패시터를 충전하는 것과 같아서, 충전 전류는 미미합니다. 하지만 100억, 200억, 500억 개의 트랜지스터를 합치면 엄청난 순간 전류가 발생합니다. 순간 전류가 최대 2,000암페어에 달하는 소자들을 목격해 왔지만, 공정 노드가 발전함에 따라 동작 전압은 낮아지고 있습니다. 전압이 낮아지는 동시에 막대한 전류를 스위칭해야 한다는 점은 첨단 디지털 소자 테스트에서 가장 큰 과제 중 하나이며, 이는 디지털 테스트의 가장 까다로운 과제들이 사실은 아날로그 문제라는 논란의 여지가 있는 결론으로 이어집니다.
기존 전원 공급 장치를 사용하여 고대역폭 인터페이스를 구축하려면 공진 주파수를 세심하게 고려하여 정밀하게 매칭된 커패시터로 구성된 복잡한 회로망을 구축해야 합니다. 테스트 엔지니어들에게 있어 이를 대체할 수 있는 유일한 실질적인 해결책은 동적 전원 공급 장치를 도입하여 작업 부담을 줄이고, 애플리케이션의 하드웨어가 처음부터 정상적으로 작동하도록 하는 것입니다. 디지털 테스트의 핵심은 결국 최상의 아날로그 솔루션을 갖추는 데 있습니다.
시스템 수준 테스트의 필요성을 주도하는 3D 소자 구조
이제 이러한 복잡한 3D 소자 구조가 여러 가지 새로운 결함 모드를 유발하며, 이러한 결함 모드는 기존의 테스트 방법으로는 발견하기가 매우 어렵다는 점에 주목해 봅시다. 결함은 실제 작동 모드 테스트에서만 나타날 수 있으며, 바로 이 지점에서 System Level Test (SLT) 장비가 첨단 디지털 소자 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다.
시스템 레벨 테스트 (SLT)는 기존의 ATE를 대체하는 것도, 단순히 테스트 단계를 추가하는 것도 아닙니다. ATE의 결함 탐지 범위는 일정 수준까지는 빠르고 효율적이지만, 그 이상으로 미묘한 결함을 찾아내는 데는 훨씬 더 많은 시간이 소요됩니다. 반면 SLT는 초기에는 시간에 따른 결함 탐지 범위가 비교적 선형적으로 증가하지만, 일부 미묘한 결함의 경우 ATE보다 더 짧은 시간 내에 발견할 수 있습니다. 앞으로 ATE와 SLT 간의 테스트 커버리지가 최적화될 것입니다. 최근 공개된 'System Level Test 3 for 3' 단편 영상에서는 시스템 레벨 테스트의 사용 사례와 새로운 트렌드를 살펴봅니다.
엔지니어링 효율성을 통한 생산 증대
첨단 디지털 기기 테스트 과정에서 직면하는 이러한 기술적 난관에 대한 논의 외에도, 이것이 과연 반도체 산업이 직면한 가장 큰 과제인지 자문해 볼 필요가 있습니다. 우리 모두는 리튬이나 세슘과 같은 희토류 자원의 한계라는 현실에 산업이 직면해 있다는 사실을 알고 있습니다. 하지만 역사적으로 볼 때, 자재 부족을 상쇄하기 위한 대체 기술들이 개발되어 왔습니다. 하지만 우리 산업에 있어 또 다른 희소 자원인 ‘엔지니어’에 대해서도 생각해 봅시다. 우수한 엔지니어의 부족과 산업의 기하급수적인 성장을 고려할 때, 인적 자원이 산업 성장 잠재력에 미치는 영향을 최소화하기 위한 전략을 모색하는 것이 시급합니다.
오늘날 희토류 광물에 대해 취하고 있는 접근 방식, 즉 채굴을 통해 생산량을 늘리는 방법을 고려해 볼 수 있습니다. 교육 기관에 생산량 증대를 요청할 수도 있겠지만—실제로 그렇게 하고는 있지만—시간이 걸립니다. 우리가 가진 시간보다 훨씬 더 많은 시간이요.
인공지능 역시 화제의 주제 중 하나입니다. 인공지능은 비교적 짧은 기간 동안 큰 발전을 이루었으며, 언젠가는 다소 정형적이고 반복적인 작업을 자동화하여 엔지니어의 코드 작성을 돕게 될 수도 있겠지만, 가까운 미래에 인공지능이 엔지니어를 완전히 대체할 가능성은 낮습니다.
하지만 기존 엔지니어들의 업무 효율을 높여 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 오늘날의 테스트 엔지니어들은 설계 단계에서 대량 생산 단계로 넘어가는 데 걸리는 시간을 단축하고, 처리량과 수율을 극대화해야 한다는 끊임없는 압박에 직면해 있습니다. 이 과정 전반에 걸쳐 복잡성이 내재되어 있으므로, 이러한 복잡성을 최소화하는 솔루션을 선택하면 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 테라다인(Teradyne) 제품은 이러한 점을 고려하여 설계되었으며, 시장 출시 기간을 단축하고 수율을 극대화하는 혁신적인 솔루션을 제공합니다.
우선 테스트 엔지니어의 업무 부담을 줄이는 것부터 시작하는 것이 좋습니다. 각 사이트에 동일한 대칭 설계를 적용할 수 있도록 잘 설계된 테스터가 있다면 어떨까요? 이렇게 하면 다중 사이트 인터페이스 보드가 필요 없어지고, 궁극적으로 DIB 설계의 복잡성도 줄일 수 있습니다. 이는 설계 작업량을 줄이고, 사이트 간 일관성을 크게 향상시키며, 설계를 근본적으로 단순화하여 테스트 엔지니어가 테스트 목록과 피테스트 장치에 집중할 수 있게 해줍니다.
테라다인 (Teradyne)의 UltraFLExplus에 탑재된 Broadside 애플리케이션 인터페이스는 바로 이러한 기능을 제공하여, DIB 회로를 위한 넓은 PCB 영역이 계측기 연결부와 피측정 대상(DUT) 사이에 배치되도록 보장합니다(PCB 측면으로 밀려나는 것과 대비). 이를 통해 사이트 간 복사/붙여넣기 배치가 실제로 가능해지며, 결과적으로 레이아웃의 일관성을 확보할 수 있습니다. 이러한 단순성은 테스트 엔지니어의 DIB 설계 시간을 절약해 줄 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 다중 사이트 문제로 인한 디버깅 시간 증가의 위험을 방지하고, 더 나아가 사이트 간 설계 문제로 인해 DIB를 재설계해야 하는 상황을 피할 수 있게 해줍니다. 다중 사이트 성능을 유지하면서 상관관계 도출 시간을 단축하는 Broadside 인터페이스는 양산 준비가 완료된 테스트 프로그램을 제작하는 데 드는 엔지니어링 노력을 20% 이상 줄이고, 테스트 셀 수를 15%~50% 줄여 제조 생산성을 높입니다. 아키텍처를 단순화하기만 해도 엔지니어의 생산성이 향상됩니다.
데이터는 공장 생산성을 향상시키는 데 활용할 수 있는 또 다른 분야입니다. 경우에 따라서는 테스트 흐름에 맞춰 지연 시간이 짧고 신속한 의사결정이 필요하며, 이를 위해서는 테스터와 긴밀하게 통합된 로컬 솔루션이 요구됩니다. 반면, 다른 데이터 요소들은 클라우드나 공장 MES 시스템으로 전송되어야 합니다. 이러한 데이터는 고객사의 소프트웨어 시스템에서 처리되어야 하며, 이를 통해 데이터 분석을 바탕으로 결정된 조치들이 제조 공정의 다른 부분에도 영향을 미칠 수 있도록 해야 합니다. 엣지 분석과 클라우드 분석 모두 효율성 증대에 중요한 역할을 합니다.
엔지니어의 업무 효율을 높이는 또 다른 방법은 비효율이 발생하는 지점을 파악하는 것입니다. 설계 분야와 테스트 분야는 서로 다른 언어로 운영되며, 각 분야의 엔지니어들은 상대방이 이해하지 못하는 방식으로 소통합니다. 많은 문제들은 테스트 결과를 설계 팀으로 되돌려 검토와 테스트 벡터 수정을 거친 후 다시 테스터로 돌아가야 합니다. 이러한 디버깅 과정은 수 시간에서 수일까지 소요될 수 있습니다. 테라다인(Teradyne)의 PortBridge와 같은 두 분야 간의 가교 역할은 정보 흐름을 원활하게 하여, 설계 및 벤치 엔지니어가 ATE와 직접 소통하며 디버깅할 수 있게 하고, 테스트 엔지니어가 플랫 패턴의 오류를 이해하고 진단할 수 있도록 지원합니다. 예전에는 몇 주, 심지어 몇 달이 걸리던 프로젝트를 며칠로 단축할 수 있어, 운영 과정에서 상당한 엔지니어링 시간을 절약할 수 있습니다.
첨단 디지털 기술은 새로운 기술적 과제를 제기하며, 반도체 산업의 성장을 저해하지 않으려면 이러한 과제를 해결해야 합니다. 기술은 언제나 변화하는 요구 사항과 수요에 부응해 발전해 나갈 것입니다. 여기서는 이러한 트렌드 중 다수를 다루었지만, 가장 효과적인 해결책 중 일부는 엔지니어들에게 높은 생산성을 발휘할 수 있는 도구를 제공하는 것입니다. 우리 엔지니어들은 수요가 매우 높은 귀중한 인재들이며, 그들의 생산성을 높여줄 첨단 도구와 역량을 제공하는 것이 기하급수적인 성장을 지속해 나가는 데 핵심이 될 것입니다.
첨단 공정 노드를 위한 테라다인(Teradyne) 테스트 솔루션에 대해 자세히 알아보시려면 당사로 문의해 주십시오.
레건 밀스(Regan Mills)는 테라다인(Teradyne)의 마케팅 부사장이자 반도체 테스트 사업부 내 SOC 사업부 총괄 매니저입니다. 테라다인에 합류하기 전, 레건은 오토메이션 엔지니어링(Automation Engineering Incorporated)과 아크틱 샌드 테크놀로지스(Arctic Sand Technologies)에서 관리직을 역임했습니다. 그는 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 전기공학 및 컴퓨터공학 학사 학위를, 보스턴 대학교에서 전기공학, 제어 시스템, 디지털 신호 처리 및 아날로그 설계 분야 석사 학위를 취득했습니다.