조성환 교수 연구실 (Cho’s Circuits & Systems Lab)에서는 저전력 반도체 집적회로 설계 및 시스템을 연구하고 있습니다. 연구실에서는 특히 아날로그 집적회로에 중점을 두고 있으며 이를 다양한 응용분야에 적용시키고 있는데, 크게 다음 3가지 - 1) 고속 저잡음 반도체 회로 2) 저전력 센서 및 바이오 메디컬 시스템 3) 메모리 회로 및 인공지능 -으로 나눌 수 있습니다. 각 분야에서 전력 및 가격을 최소화하면서 동시에 성능을 높이는 것이 목적이며, 특히 환경이 변하더라도 (e.g. process, voltage, temperature) 스스로 최적화된 성능을 내게 하는 adaptive 기법을 도입하여 생산성과 회로의 효율성을 높이는 것이 특징이라고 할 수 있습니다. - Low-power low-jitter 클럭 생성기 및 분배회로 - 고속 메모리 인터페이스 - CMOS 센서 및 환경변화에 강인한 저전력 생체신호 센서 - 아날로그 신호처리 기반의 저전력 인공지능 가속기

□ Low-power clock generator and distribution

다양한 애플리케이션을 위해 다양한 성능의 clock generator들을 필요로 하고, 디지털 PLL이 clock generator로서 많이 사용된다. 공정이 발달함에 따라 디지털 PLL의 성능은 더 향상되지만, 더 낮은 공급 전압과 더 작은 회로 크기로 인해 mismatch나 PVT-variation에 의한 영향 또한 더욱 커지게 되고 이는 PLL의 performance variation을 야기하게 됩니다. 따라서 애플리케이션에서 요구하는 성능을 보장하기 위해 PLL이 오버 디자인되고 이는 과도한 지터 성능에 따른 전력 낭비를 발생시킵니다. 또한 칩들 간의 성능 편차는 여전히 발생되는 문제입니다. 이를 해결하기 위해 환경변화와 관계없이 원하는 지터 성능을 달성하고 전력이 최소화되는 PLL을 구현하였고, 핵심 기술로 통계 기반의 PVT-tolerant 온-칩 jitter monitor 회로를 구현하였습니다. 아울러 clock 칩에 공급될 때 supply noise에 강인할 수 있도록 adaptive supply noise cancellation 기법을 사용하여 clock jitter 및 data jitter를 제거하였고 이는 high speed memory에 적용될 수 있습니다.

 

□ 아날로그 기반의 저전력 인공지능 가속기

기계 학습을 이용한 분야가 활발히 연구됨에 따라 기계 학습 연산을 처리하기 위한 저전력 하드웨어 연구 또한 활발히 진행되고 있습니다. 보통 디지털 회로를 이용하여 인공 신경망 회로의 기본 연산인 MAC 연산을 구현하는 연구가 진행되고 있으나 디지털 회로 기반의 MAC 연산기는 곱셈 연산의 복잡도에 의해 수많은 트랜지스터를 사용하고, 전력 소모 또한 효율적으로 줄이지 못하게 됩니다. 본 연구팀에서는 시간 영역 기반의 아날로그 회로를 이용해 MAC 연산기를 설계하고 이를 이용한 아날로그 연산 기반의 인공 신경망 회로를 구현하였습니다. 제안된 시간 기반 아날로그 회로 기반의 MAC 연산기는 기존의 디지털 회로 기반 연산기 대비 100배 이상의 에너지 효율을 가지고, 기존의 다른 아날로그 회로 기반 연산기 대비 2배 이상의 에너지 효율을 가짐을 IC 측정을 통해 확인하였습니다.

 

□ CMOS를 이용한 압력, 습도, 온도 및 가속도 센서

압력, 습도, 가속도 센서는 IoT 시장에서 큰 부분을 차지하고 있습니다. 기존 센서의 경우, 값비싼 MEMS 등의 추가 공정을 사용하여 센싱 소자를 만들었으며 이는 CMOS 공정으로 만든 판독회로와 추가적으로 연결해 주어야 한다는 단점이 있습니다. 본 연구실에서는 CMOS 공정을 계산소자가 아닌 센서소자로 사용하는 새로운 패러다임을 제시하여 MEMS 또는 후공정처리 없이 표준 CMOS 공정만을 이용하여 기존의 시스템 반도체와 함께 집적될 수 있는 고성능, 저가격의 센서를 표준 CMOS 공정만을 이용해 압력, 습도, 가속도 센싱 소자를 구현하였습니다. 압력과 습도 센서는 각각 공기와 폴리이미드의 유전율 변화를 이용하였으며, 가속도 센서는 본드와이어 사이의 거리 변화를 이용하였습니다. 결과적으로 이 세가지 센싱 소자를 하나의 판독회로를 이용하여 하나의 집적회로에 구현하여 기존 센서 시스템보다 훨씬 집적도가 높으며 값싸고 간단하게 설계하였습니다.

 

□ 외부 잡음에 강인한 심박측정 (ECG) IC

심박 신호를 오랜시간 동안 연속적으로 관찰하는 것은 심방세동, 부정맥등 각종 심혈관계 질환에 매우 중요합니다. 심박신호를 정확히 재기 위해서는 ECG를 사용하는 것이 가장 좋고 널리 사용되는 방법인데, ECG의 문제는 50/60Hz 잡음에 취약하다는 것과 특히 contact electrode의 mismatch가 있을 때 신호가 망가진다는 것입니다. 본 연구에서는 이러한 contact electrode mismatch 또는 50/60Hz의 잡음이 강한 환경에서도 ECG 신호가 망가지지 않고 정확히 측정될 수 있는 집적회로를 개발하였고 이는 전력소모가 50uW이하를 사용하면서 CMRR이 40dB 이상 개선되는 성능을 보였습니다.

     

       

       

                  [CMOS 센서]                                                        [인공지능 가속기]                                         [low-jitter clock eye]