시스템 반도체 설계를 위한 SysML 기반의 기능 분석

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1. 개요

본 논문은 시스템 반도체(System-on-Chip, SoC) 설계를 위한 SysML 기반 기능 분석을 다루고 있다. SoC는 CPU, 메모리, GPU, 통신 모듈, NPU 등 다양한 구성 요소를 포함하며, 스마트폰, 자동차, PC, 임베디드 시스템 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

SoC 설계의 복잡성이 증가함에 따라 기존의 기능 분석 방법론으로는 한계가 발생하며, 이에 따라 SysML(Systems Modeling Language)을 활용한 새로운 기능 분석 접근법이 필요하다. 본 연구에서는 SoC 설계의 정확성과 시뮬레이션 시간을 최적화하는 방법을 제안하고, 기존 방법론과의 비교를 통해 효과성을 분석한다.

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2. 시스템 반도체 개요

2.1. 시스템 반도체의 정의

• CPU: 중앙처리장치
• Memory: 저장 장치
• GPU: 그래픽 프로세서
• Communication: 통신 모듈
• NPU: 신경망 처리 장치

2.2. 시스템 반도체의 주요 응용 분야

• 모바일 기기: 스마트폰, 태블릿 (Application Processor)
• 자동차: 자율주행, 인포테인먼트 시스템
• 컴퓨터 시스템: 개인용 컴퓨터(PC), 서버, 워크스테이션
• 임베디드 시스템: 가전제품, 산업 자동화, 의료기기, 로봇
• 네트워크 및 통신: 무선/유선 통신 인프라

2.3. 시스템 반도체 개발 방법

• 전체 시스템 설계
• 부분별 회로 설계 및 시뮬레이션
• 전체 통합 시뮬레이션

시뮬레이션 수행 시간 문제

SoC의 트랜지스터 개수는 500억 개 이상이며, 2.5 GHz 이상의 운영 클럭을 가지는 환경에서 1초 동안 최소 1.25 × 10²⁰회의 연산이 수행된다.
시뮬레이션 시간 단축을 위한 병렬 연산 적용이 필요하며, 코어 수에 따른 시뮬레이션 시간 예시는 다음과 같다.

코어 수시뮬레이션 소요 시간 (년)

1	793
2	396
8	99.1
50	15.9
100	7.93
1000	0.793

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3. 기능 분석 (Functional Analysis)

3.1. 기존 기능 분석 방법

• 타임 기반(Time-driven) 시뮬레이션: 정해진 시간 간격마다 상태를 업데이트.
• 이벤트 기반(Event-driven) 시뮬레이션: 이벤트 발생 시 상태를 업데이트.

기존 방식의 한계:

• 높은 해상도로 시뮬레이션하면 시간이 오래 걸림.
• 시간을 단축하면 정확성이 떨어짐 (물리적 모순 발생).

3.2. SysML을 활용한 기능 분석

SysML(Systems Modeling Language)은 UML의 하위 집합으로, 하드웨어 및 소프트웨어 설계를 위한 모델링 언어이다.
이를 활용하여 SoC의 기능적 요구사항을 체계적으로 분석할 수 있다.

SysML 기능 분석의 주요 내용

1. 전통적 기능 분석 방식의 한계 극복
   • 기존 설계 방식에서는 예외 처리(Unexceptional Case), 인터럽트(Interrupt), 인터페이스(Interface), 프로토콜(Protocol) 등의 문제가 발생할 수 있음.
   • SysML을 활용하여 이러한 문제를 보다 체계적으로 해결 가능.
2. 시뮬레이션 및 검증
   • 고수준 시뮬레이션(High-Level Simulation)을 통해 설계 초기 단계에서 기능 검증 수행.
   • 소프트웨어와 하드웨어의 동시 검증을 통해 개발 비용 및 시간을 절감.

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4. 연구 결과 및 결론

4.1. 연구 결과

• 초기 예상 전력 소비량: 80~90%
• SysML을 활용한 새로운 설계 방법 적용 후 예상 전력 소비량: 16~49% 감소

4.2. 결론 및 향후 연구 방향

• SoC 설계를 위한 기능 분석 시 SysML을 활용하면 정확성(Accuracy)과 시뮬레이션 시간(Simulation Time) 간의 균형을 최적화할 수 있음.
• 소프트웨어 및 디지털 설계 영역에서의 검증 효율성이 증가함.
• 예외 처리, 인터럽트, 인터페이스 등의 문제 해결 가능.
• 향후 연구에서는 SysML을 활용한 AI 및 머신러닝 기반 설계 최적화 연구가 필요함.

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5. 참고문헌

1. "Low-Power Always-on Camera (AoC) System with Workload Offloading to CMOS Image Sensor," 2023 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), Las Vegas, NV, USA, 2023.
2. “Low-power Always-on Camera (AoC) architecture with AP-centric clock and 2-way Communications”, 2022 Image Sensor Europe.

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이 보고서는 SoC 설계의 복잡성 증가에 대응하기 위한 SysML 기반 기능 분석 방법론을 소개하고 있으며, 기존 설계 방식과 비교하여 정확성 및 시뮬레이션 효율성을 개선할 수 있음을 실험적으로 입증했다.
향후 연구에서는 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 기반의 SoC 설계 최적화를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.