정밀성을 테스트하다

자율주행차가 시속 56 킬로미터로 교차로에 접근하는 가운데, 라이다 시스템이 전방의 물체를 감지합니다. 해당 물체의 거리를 50미터로 인식하느냐 51미터로 인식하느냐에 따라 차량이 제때 부드럽게 제동할 수 있을지가 결정됩니다. 0.5미터의 측정 오차가 안전과 사고를 가를 수 있습니다.

이러한 수준의 정밀 측정은 디지털 처리와 현실 세계를 이어주는 정교한 아날로그 기술에 의존합니다.

매우 정밀한 데이터 변환기, 증폭기, 전압 레퍼런스 및 기타 아날로그 IC들은 온도, 습도, 전압, 전류, 거리, 위치와 같은 실제 신호를 탁월한 정확도로 측정하도록 만들어집니다. 회로 보드에서 함께 작동하는 이 아날로그 칩들은 시스템 차원의 정확도를 제공하며 디지털 시스템이 현명한 결정을 내리도록 합니다.

하지만 이러한 칩들이 함께 작동하기 전에는, 칩보다 더 정교한 첨단 테스트 장비를 이용해 성능과 정확도를 테스트하고 검증하는 것이 필수적입니다. 자동 시험 시스템(ATE), 고해상도 오실로스코프, 디지털 멀티미터 등 다양한 도구들이 차세대 전자기기를 검증하기 위해 첨단 반도체를 사용합니다. 실수가 발생하면 제조사는 비용이 큰 제품 결함, 안전 문제, 그리고 가장 중요한 소비자 신뢰 상실을 감수해야 합니다.

정밀도의 끊임없는 발전

카르틱 바산스 TI 데이터 컨버터 및 클로킹 부문 부사장은 "반도체 산업은 게이트 길이가 1.5nm인 트랜지스터를 제작하고 있다"며, "참고로, 두 실리콘 원자 사이의 간격은 약 0.23nm이므로, 이는 원자 간 간격의 약 5배에 해당하는 크기가 되는 셈입니다. 정말 믿기 어려운 일이죠."라고 말합니다.

반도체가 원자 수준의 정밀도에 도달함에 따라, 고해상도 시험 장비 역시 그에 상응하는 정밀도를 갖춰야 합니다. 엔지니어들은 각 세대마다 더 넓은 대역폭, 빠른 신호, 높은 해상도를 측정할 수 있는 시험 장비를 설계하고 있습니다.

로버트 매니언은 현재 에머슨에 속한 내셔널 인스트루먼트(NI)에서 이러한 변화를 직접 체험했습니다. 시험 및 계측 분야 반도체 솔루션 총괄 매니저로서, 그의 회사는 몇 년 전에는 측정이 어렵거나 불가능했던 성능 변화를 감지하기 위해 TI의 정밀 IC를 사용합니다.

“2nm 미만 공정 연구에서부터 실리콘 검증, 특성화, 대량 생산용 ATE까지, NI 시스템은 세계에서 가장 첨단의 반도체를 테스트하도록 설계되었습니다.”라고 로버트는 언급하고 있습니다. “이러한 폭넓은 기능을 제공하려면 뛰어난 데이터 컨버터와 정밀 아날로그 부품을 통합해야 합니다. 시험 플랫폼에 통합된 최신 AI 기능 덕분에, 우리는 몇 년 전에는 알 수 없었던 디바이스 동작을 확인하고 있으며 이는 칩 제조업체가 학습 속도를 높이고 새로운 세대의 디바이스를 시장에 더욱 자신 있게 출시할 수 있도록 합니다.”

정밀도 요건

“설계 엔지니어들은 언제나 가장 뛰어나고 신뢰할 수 있는 부품을 선택합니다.”라고 카르틱은 언급하고 있습니다. “엔지니어들은 기본적인 정밀 사양에서는 결코 타협하지 않을 것입니다.” 이러한 현실은 TI가 칩 제조사이자 장비 사용자로서 겪는 수요를 바탕으로 지속적인 혁신을 가능하게 합니다.

예를 들어, 증폭기 정밀도가 크게 개선되었습니다. 오늘날의 정밀 증폭기는 10년 전보다 100배 더 정확한 전기 신호 감지가 가능합니다. 프라즈크타 비아바하레 TI 증폭기 부문 부사장은 “증폭기와 같은 간단한 반도체 부품도 정밀함과 정확도를 통해 세상을 변화시키고 있습니다.”라고 말했습니다.

오늘날의 시험 및 계측 장비는 마이크로볼트 단위의 편차 내에서 유지되며 초저잡음을 구현할 수 있는 안정적인 정밀 증폭기를 요구합니다. 예를 들어, 데이터 컨버터는 1,500만 개의 완벽한 측정 중 단 한 개의 결함을 감지할 정도로 민감해야 하며, 동시에 초당 10억 개 이상의 샘플을 처리해야 합니다. 전압 레퍼런스는 시간 경과에 따른 제로 드리프트가 사실상 없는 수준의 전압을 제공하여 테스트 장비가 조정 없이도 장기간 안정적으로 운용되도록 하고, 새로운 정밀 시대를 여는 데 기여합니다.

시험 및 계측은 장치의 발전을 가능하게 하는데 있어서 중요한 역할을 합니다. 프라즈크타는 “반도체를 설계 및 제조한 후에는, 설계한 모든 성능 사양이 충족되는지 반드시 확인해야 합니다.”라고 말했습니다. “테스트는 단순한 검증을 넘어서 설계에 대한 신뢰를 제공합니다.”

이러한 성능 요건은 반도체 제조사와 장비 제조사 간의 흥미로운 사이클을 만들어 업계를 발전시킵니다. 카르틱은 “이러한 수준의 정밀도를 가진 제품은 반드시 출하 전에 테스트해야 합니다.”라고 말합니다. “이것이 실현을 가능하게 합니다. 시험 장비는 항상 측정 대상 제품보다 높은 정밀도를 가져야 하며, 이는 반도체 설계와 시험 기술의 지속적인 혁신을 가능하게 합니다."

끝없는 여정

이러한 끊임없는 정밀도에 대한 추구는 정확한 측정이 필요한 모든 응용 분야에 적용됩니다. 전기차 배터리 시스템에는 충전 전류와 전압을 정확히 측정할 수 있는 정밀 증폭기가 필요하며, 이를 통해 위험한 고장을 방지합니다. 데이터 센터용 AI 칩은 서버에 배치되기 전에 미세한 결함까지 식별할 수 있도록 테스트가 요구됩니다.

반도체 기술의 진보는 결함 예측과 실시간 의사 결정을 지원하는 향상된 AI 기능의 자동 시험 장비를 계속 가능하게 할 것입니다. 통합 혁신은 더 작고 신뢰할 수 있는 시험 장비로 이어지며, 제조업체가 품질 개선, 출시 속도 가속, 생산 규모 확장을 실현하도록 돕습니다.

프라즈크타는 “결국 성공은 실제 엔지니어링 문제를 해결하는 데 있습니다.”라고 언급합니다. “시험 및 계측 시스템 디자이너가 이 시스템이 문제 해결에 도움이 된다고 할 때야 비로소 정밀도를 실현한 것입니다.”