Power(전력), Performance(성능), Area(면적)는 반도체 설계의 3대 축으로,
설계 목표를 실제 제품으로 실현시키기 위한 가장 중요한 기준이다.
PPA는 독립적인 요소가 아니라 상호 복합적으로 연결되어 있으며,
최종 테이프아웃 성공 여부는 이 세 가지를 얼마나 조화롭게 최적화했는가에 달려 있다.
이번 글에서는 설계 실무에서 적용되는 PPA 통합 전략,
그리고 실제 성공적인 Tape-out 사례를 중심으로 설계자가 고려해야 할 핵심을 정리한다.
1. PPA 통합 최적화의 접근 방식
▶ 1) 우선순위 기반 설계 전략
모든 제품이 동일한 PPA 목표를 가지진 않는다.
설계자는 제품의 사용 목적에 따라 아래와 같은 전략 수립이 필요하다.
제품 유형PPA 우선순위
| 스마트폰 SoC | Power > Performance > Area |
| AI 가속기 | Performance > Power > Area |
| MCU / IoT | Area > Power > Performance |
| 고성능 서버 | Performance = Power (동급 우선) |
▶ 2) PPA 요소 간 트레이드오프 균형화
- 성능을 높이기 위해 클럭 주파수를 올리면 전력과 면적이 증가
- 전력을 줄이기 위해 전압을 낮추면 타이밍 여유가 줄어 성능이 감소
- 면적을 줄이기 위해 기능 통합도를 높이면 배선 혼잡과 지연이 증가
설계자는 설계 초기부터 이 균형점을 명확히 정하고,
각 설계 단계에서 PPA 목표치를 수치로 관리해야 한다.
2. 단계별 PPA 통합 전략
설계 단계주요 전략
| RTL 설계 | 불필요한 연산 제거, Clock Gating 삽입, 상태기계 최적화 |
| 합성(Synthesis) | Area-driven 또는 Timing-driven 모드 선택, Multi-Vt 셀 전략 적용 |
| 배치 & 배선(PnR) | CTS 최적화, Congestion-aware 배치, Power Grid 설계 |
| 타이밍 분석(STA) | Slack 중심 리포트 기반 성능 튜닝 |
| 전력 분석 | 활동 기반 전력 모델링, IR Drop 연동 |
| 면적 관리 | 플로어플랜 단계부터 목표 Die Size 설정, 영역 제약 적용 |
3. EDA 툴을 활용한 통합 관리
EDA 툴은 PPA 통합 최적화를 가능하게 하는 강력한 기반이다.
툴기능
| Fusion Compiler (Synopsys) | RTL ~ Layout까지 PPA 동시 최적화 |
| Genus + Innovus (Cadence) | 타이밍, 전력, 면적 최적 경로 기반 배치 |
| PrimeTime PX | STA + 전력 동시 분석 |
| Voltus | IR Drop + Dynamic Power 분석 |
| PowerArtist | RTL 단계 저전력 분석 |
| SpyGlass | RTL 구조 최적화, Clock Gating 분석 |
4. 실무 기반 Tape-out 성공 사례
▶ 사례 1: AI 추론용 NPU 칩 (7nm 공정)
- 목표: 성능 1GHz 이상, 전력 2W 이하, 다이 면적 50mm²
- 전략:
- 연산 경로 파이프라이닝
- MAC 단위 리타이밍
- 전력 도메인 3분할, BIST 영역 별도 분리
- 결과:
- Slack 여유 100ps 이상 확보
- 전력 1.82W
- 면적 47.3mm² → Tape-out 성공
▶ 사례 2: 모바일 AP용 서브블록
- 목표: 면적 최소화 및 대량 양산성 확보
- 전략:
- Multi-bit 레지스터 셀 적용
- 자원 공유 구조
- 배치 단계 레이아웃 압축 및 고밀도 배선
- 결과:
- 셀 카운트 12% 절감
- 배치 혼잡도 15% 감소
- 테이프아웃 후 1차 수율 96% 이상
5. 마무리하며
PPA는 단순한 설계 지표가 아니라,
반도체 제품의 수익성과 시장성을 좌우하는 전략 그 자체이다.
제품 특성과 공정 제약에 따라 PPA의 우선순위는 다르지만,
설계자는 항상 세 요소를 동시에 고려한 통합 최적화 전략을 가져야 한다.
Tape-out 성공은 단지 기능 구현의 끝이 아니라,
전력・성능・면적의 이상적인 조합을 달성했을 때만 가능한 결과다.