우주 공간에는 수많은 방사 입자가 있습니다. 양성자(陽性子, Proton), 중성자(中性子, Neutron), 중이온(heavy ion)이 대표적 방사 입자입니다. 태양 폭발, 외계에서 일어나는 초신성 폭발이 이러한 방사 입자를 대량으로 만들어내는 원인입니다.
방사 입자는 지구 대기를 뚫고 들어올 때 질소나 산소 원자와의 충돌로 분해 과정을 거칩니다. 때문에, 최종으로는 중성자만 지상에 떨어집니다. 뉴욕 해수면 기준 시간당 단위 ㎠당 13개 정도의 중성자가 떨어진다는 조사가 있습니다. 사람으로 치면 시간당 수십개의 중성자를 몸으로 받아들이고 있는 것입니다.
반도체에는 중성자가 독이 될 수 있습니다. 반도체에 중성자가 닿으면 실리콘 핵이 깨지면서 고에너지 알파 입자 등으로 변이가 일어납니다. 이후 일어날 수 있는 일련의 과정(Electron-Hole Pair Generation)은 예상치 못한 동작이 일어날 가능성을 만듭니다. 0을 1로, 1을 0으로 계산하게 만드는 이른바 '소프트에러'를 야기하는 것이죠. 자율주행차에 탑재된 동력 계통 반도체에 중성자가 지속적으로 닿으면 큰 사고를 유발할 수 있습니다. 2009년과 2010년 미국에서 발생한 도요타와 렉서스 차량 급발진 사고는 이러한 소프트에러에 의한 것으로 확인됐습니다.
신호를 전달하는 핀 접촉이 제대로 되지 않는 등 이른바 물리적에러는 고장 상태가 지속되고 그 원인도 쉽게 찾을 수 있습니다. 하지만 소프트에러는 로직 값이 일시적으로만 바뀌고 전원을 껐다 켜면 다시 원상태로 돌아오므로 고장 증거를 찾기가 쉽지 않은 것도 문제입니다. 항공우주 분야에선 이 때문에 소프트에러를 '싱글 이벤트 이펙트(Single Event Effect)'라고 부르고 있습니다. 인텔 조사 자료에 따르면 반도체 소프트에러는 다른 모든 고장을 전부 합친 값보다 훨씬 많은 70% 비중에 이른다고 합니다. 방사 입자에 따른 소프트에러는 공정 노드가 축소될 수록 많아진다고 합니다. 또한 셀 디자인 등 반도체 설계가 변경됐을 때 영향율이 변화하기 때문에 신제품이 나올 때마다 신뢰성을 평가하는 것이 중요합니다.
차량 전자장치 오류로 인한 사고를 방지하기 위해 2011년 11월에 제정된 국제 표준 ISO 26262에선 이러한 소프트에러에 대한 규정이 존재합니다. 소프트에러율이 어느 정도인지 측정하고, 그 정도에 따라 안전 등급이 매깁니다. 최고 등급인 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D를 받으려면 10FITs(Failure In Time, 10FITs는 10억 시간당 10번 고장)의 낮은 소프트 에러율을 달성해야만 합니다. 하지만 아직 이러한 소프트에러에 관한 개발 방법론과 신뢰성 평가에 대한 인식은 굉장히 낮은 수준인 것으로 전문가들은 보고 있습니다.
우주는 어떻습니까. 우주 공간에는 대기 상태인 지구보다 훨씬 더 많은 방사 입자가 떠다니고 있습니다. 인공위성에 탑재되는 DC-DC 컨버터용 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 예로 들어보겠습니다. 쇼트키 다이오드는 이미 수십 년 전부터 인공위성에 쓰이던 부품이었습니다. 미국 나사는 2012년 40여종의 쇼트키 다이오드를 구매해 소프트에러 시험을 한 결과 무려 29종이 고장이 나는 것을 확인했습니다. 이후로도 계속적인 시험 끝에 2018년도에 이르러서야 이 고장이 방사 입자에 의한 것이라는 결론을 냈습니다. 2020년 유럽 ST마이크로가 세계 최초로 우주 방사 입자에 내성이 있는 쇼트키 다이오드를 출시했습니다. 아직 이 회사 외에는 소프트에러 특성을 검증한 제품을 내놓지 못하고 있는 실정입니다.
인공위성에 들어가는 프로세서(CPU) 역시 이러한 특성 검증이 이뤄져야 합니다. 최신 우주용 CPU는 65나노 공정으로 만들어집니다. 국내에선 이런 방사 입자에 강력한 내성을 가진 칩 생산 특성을 맞추지 못(안)하고 있습니다. 우주 기술은 국방 기술로도 이어지기 때문에 이런 기술이 개발되면 한국의 국력 강화에 큰 힘이 될 것으로 보입니다.
오는 5월 25일 국내 최대 반도체 신뢰성 평가 기업 큐알티가 주최하는 첨단반도체안전혁신콘퍼런스(ASSIC) 2023에선 이러한 자율주행, 우주용 반도체의 신뢰성 평가 방법론과 시장 및 기술 개발 동향을 소개합니다. 자율주행과 우주 반도체 분야 소프트에러에 관한 다양한 지식과 경험을 갖고 있는 전 세계 반도체 전문가가 나와 평가와 분석에 대한 실무 정보를 제공합니다.
행사 참가비는 무료입니다. 해외 연사 발표시 한글 자막도 제공됩니다.
이번 행사를 통해 미래 자동차 반도체와 우주용 반도체의 안전 영향, 그리고 평가 방법에 대한 노하우를 습득하시기 바랍니다.
◆ 행사개요
– 행사명 : ASSIC 2023(Advanced Semiconductor Safety Innovation Conference)
– 주요 주제 : ASSIC 2023 “Single Event Effect Testing: Growing Needs & Timely Solutions” 단일 이벤트 영향 평가: 늘어나는 요구에 때 맞는 해결책
– 행사 위치 : 온라인 웨비나
– 등록 비용 : 무료
