반도체 설계에서 '성능(Performance)'은 곧 동작 속도를 의미한다.
이는 클럭 주파수로 표현되며, 높은 주파수에서 정확히 동작해야 고성능 설계로 평가받는다.
성능을 최적화한다는 것은, 설계의 타이밍 경로를 효율적으로 구성하고, 데이터가 정해진 시간 내에 도달하도록 보장하는 작업이다.
이번 글에서는 고성능 설계를 위한 타이밍 분석 기법, STA 적용 전략, 최적화 수단을 정리한다.
1. 성능의 정의 – 타이밍과 클럭 주기
디지털 회로는 클럭 신호에 맞춰 데이터를 처리한다.
이때 가장 긴 경로(지연 시간)가 전체 동작 속도를 결정한다. 이를 **크리티컬 패스(Critical Path)**라 한다.
항목설명
| 클럭 주기 | 하나의 연산이 완료되기까지의 시간 |
| Slack | 요구 시간과 실제 도착 시간의 차이 (Slack < 0이면 타이밍 오류) |
| Setup Time | 데이터가 안정되어야 할 최소 시간 |
| Hold Time | 클럭 변경 이후 데이터가 유지되어야 하는 시간 |
2. STA(Static Timing Analysis)의 역할
STA는 회로의 모든 타이밍 경로를 정적 방식으로 분석하여
타이밍 위반이 없는지를 확인하는 검증 도구이다.
분석 항목설명
| Max Delay | 데이터가 너무 늦게 도착 (Setup violation) |
| Min Delay | 데이터가 너무 빨리 도착 (Hold violation) |
| Clock Skew | 클럭 도달 시간 차이로 인한 지연 오차 |
| Multicycle Path | 클럭 2개 이상 주기로 동작하는 경로 |
| False Path | 실제로 동작하지 않는 비검증 경로 |
3. 성능 최적화를 위한 주요 기법
▶ 1) 리타이밍(Retiming)
- 레지스터 위치 재배치로 경로 지연을 재분배
- 타이밍 여유 확보 + 클럭 주기 단축 가능
- 합성/배치 단계에서 자동화 가능
▶ 2) 파이프라이닝(Pipelining)
- 연산을 여러 단계로 분리하고 각 단계에 레지스터 삽입
- 처리량 증가(Throughput ↑)
- 딜레이 분산 가능
▶ 3) 경로 리싱크(Path Restructuring)
- 긴 조합 논리 구간을 분할
- 셀 분해, MUX 재구성 등으로 로직 깊이 얕게 구성
▶ 4) 고속 셀 우선 적용
- 타이밍 여유가 부족한 경로에 Low Vt 고속 셀 우선 배치
- 다만 전력 증가 주의 필요
4. 물리 설계 단계의 고려 사항
전략목적
| 배선 혼잡도 최소화 | RC 지연 최소화 |
| 타이밍 크리티컬 경로 우선 배치 | Slack 확보 |
| 클럭 트리 최적화 (CTS) | Clock Skew 최소화 |
| Buffer Insertion | 장거리 배선 구간의 신호 지연 완화 |
고성능 설계는 STA와 레이아웃이 긴밀히 연동되어야 의미 있는 성능 확보가 가능하다.
5. 고속 설계 시 발생하는 이슈와 대응
이슈대응 전략
| Setup Violation | 고속 셀 사용, 레지스터 삽입, 배선 최적화 |
| Hold Violation | Delay Cell 삽입, 경로 리설계 |
| IR Drop → 지연 증가 | Power Grid 강화, IR Drop 분석 연동 |
| 온도/전압 변동에 의한 타이밍 불일치 | Corners 기반 STA 시뮬레이션 적용 |
6. 성능 분석 툴
툴기능
| PrimeTime (Synopsys) | 산업 표준 STA 분석기, 타이밍 경로/Slack 분석 |
| Tempus (Cadence) | 타이밍 + 전력 통합 분석 가능 |
| ICC2/Fusion Compiler | STA-aware 물리 배치 자동화 |
| STA Viewer (SpyGlass) | 정적 타이밍 구조 시각화 |
7. 마무리하며
성능 최적화는 단지 고속 셀을 사용하는 것이 아니다.
시스템 전체 경로의 타이밍 흐름을 이해하고, 구조적으로 지연을 제어할 수 있어야 진정한 고성능이 실현된다.
5nm 이하 공정, AI 연산용 고속 설계 환경에서는
STA 기반 최적화와 구조 설계 전략의 통합이 반드시 필요하다.
다음 편에서는 PPA의 세 번째 축인 면적(Area) 최적화 전략과
셀 라이브러리 선택, 중복 로직 제거, 배치 기술을 중심으로 설명한다.