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르네사스의 차량용 3나노 SoC
칩렛을 추가해도 ASIL-D의 기능 안전 담보

르네사스일렉트로닉스는 자사의 최첨단 차량용 SoC(System on a Chip) ‘R‑Car X5H’에 도입된 기술들에 대해 미국에서 열린 반도체 국제 회의 ‘ISSCC(International Solid‑State Circuits Conference) 2026’(2026년 2월 15~19일)에서 발표했다. R‑Car X5H는 TSMC의 3nm 세대 프로세스로 생산된다. 현재 샘플 출하 중이며 평가보드도 제공되고 있다. 2027년 하반기에 양산 체제가 갖추어 질 예정이다.

R‑Car X5H는 통합 ECU(전자 제어 유닛)로의 탑재를 목표로 개발된 것으로, 복수의 애플리케이션 소프트웨어가 동시에 가동될 수 있는 이른바 멀티 도메인형 SoC이다. 사용자마다 다른 요구 사양에 대응하기 위해 SoC 본체에 칩렛을 추가할 수 있도록 했다.

ISSCC 2026에서 채택된 논문 번호는 10.1이며, 제목은 ‘A 3nm, 400TOPS, 1080k DMIPS SoC with Chiplet Support for ASIL D Automotive Cross-Domain Applications’이다. 이 논문에서 르네사스는 주로 다음의 3가지 기술 포인트를 강조했다.

-- UCIe에 새로운 아이디어 적용 --
첫 번째 포인트는 칩렛을 추가해도 ASIL‑D의 기능 안전을 담보할 수 있게 한 것이다. R‑Car X5H의 본체 SoC는 ASIL‑D를 담보할 수 있는 구성이며, 칩렛을 추가해도 이것이 유지될 수 있도록 했다.

R‑Car X5H에서는 칩렛과 본체 SoC 사이를 업계 표준 인터페이스인 UCIe로 연결하지만, UCIe에서는 RegionID를 전송하는 기능이 표준 사양으로 규정되어 있지 않다. RegionID는 멀티 도메인형 SoC에 있어서 도메인 간 간섭을 방지하기 위한 식별 데이터이다.

르네사스는 RegionID를 물리 주소 공간에 매핑하여 UCIe 내에서 인코딩해 전송하는 방식을 개발했다. 이를 통해 MMU(Memory Management Unit)와 실시간 처리 CPU 코어에서의 안전한 액세스 제어가 가능해져 칩렛을 추가해도 ASIL-D 기능 안전 요건을 충족할 수 있게 되었다.

또한, CPU 코어 등 프로세서 코어와 메모리 버스 간의 대역이 유지되도록 설계함으로써 51.2GB/초의 UCIe 통신을 실현했다. 이 통신 속도는 SoC 본체 내부의 전송 속도 상한에 근접한 수준이라고 한다. 이러한 기술을 통해 차량용 고성능 SoC의 확장성과 안전성을 양립시켰다.

-- NPU의 대규모화에 대응 --
두 번째 포인트는 대규모 NPU(Neural Network Processing Unit)의 안정적인 동작과 테스트를 가능하게 한 것이다. 차량용 SoC에서도 AI(인공지능) 처리 능력 향상에 대한 요구가 강해지고 있으며, 이에 대응하기 위해 NPU 코어는 대규모화되고 있다. 실제로 르네사스에 따르면, NPU 칩 면적이 이전 세대 대비 1.5배가 확대되었다고 한다. 이로 인해 공유 클럭 소스에서 각 회로로 공급되는 클럭의 레이턴시(지연) 증가가 해결 과제로 남아 있었다.

이를 해결하기 위해 르네사스는 기존에 모듈 단위로 배치하던 CPG(Clock Pulse Generator)를 분할해 서브모듈 계층에 작은 CPG(mCPG)를 배치했다. 이로 인해 클럭 레이턴시가 크게 감소해 타이밍 요건을 충족하는 데 성공했다고 한다.

하지만 mCPG 도입에는 난제도 있다. CPG를 다층화하면 테스트 클럭의 동기화가 어려워진다는 점이다. 이것은 차량용 SoC에 요구되는 ‘제로 디펙트(Zero Defect)’ 실현의 걸림돌이 된다. 그래서 르네사스는 통상적 동작 시의 클럭과 테스트 클럭의 경로를 단일화했다. 또한, 테스트 시에 상위·하위 mCPG가 동일 클럭 소스를 통해 동기화되도록 설계해 단일 위상에서의 일괄 조정이 가능하도록 했다. 그 결과, 대규모 NPU를 탑재하고 있어도 제로 디펙트를 위한 품질 확보가 가능해졌다고 한다.

-- 정밀한 전력 제어 실시 --
세 번째 포인트는 정밀한 전력 제어를 통해 IR 드롭(전압 강하) 억제와 락스텝 동작의 이상 검출을 용이하게 한 것이다. R‑Car X5H는 전원 도메인을 90개 이상으로 나누어 파워 게이팅을 실시함으로써 동작 상황에 따라 수 mW에서 수십 W까지 전력을 제어할 수 있다. 또한, IR 드롭을 억제하기 위해 2종류의 파워스위치(PSW), 즉, 링형과 로우 배치형을 채택했다. 전원 투입 시에는 링형 PSW가 러시 전류(돌입 전류)를 억제하고, 이후 로우 배치형 PSW가 도메인 내 임피던스를 균일하게 함으로써 IR 드롭을 기존 대비 약 13% 억제했다.

락스텝 동작의 전원 제어 방법도 고안했다. 예를 들어, 2개의 CPU 코어에 의한 락스텝 동작에서는 마스터 측과 체커 측에서 각각 독립된 PSW와 컨트롤러로 제어한다. 이를 통해 한쪽에 고장이 발생해도 이상을 검출할 수 있게 된다. 또한, 각 PSW의 게이트 신호를 루프백 모니터링하여 이상 시의 OFF 검출을 실현했다. 전압 모니터링에는 온도 변동에 강한 디지털 전압 모니터(DVMON)를 채택해 내노화성을 1.4 mV 향상시켰다.

-- 끝 --

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