차량용반도체의품질확보를위한사양및설계개발프로세스수립 2015. 1. 20. [ 제 120 호 ] 도성룡 (Sungryong Do), 한혁수 (Hyuksoo Han) Journal of KIISE, Vol. 41, No. 9 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 관련연구 Ⅲ. 연구결과 Ⅳ. 결론
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine Ⅰ. 서론 차 량의다양한요구기능을해결하기위해전기전자제어장치의비율이점점증 가하여, 원가비율이 2010 년 32%, 2015 년에는 40% 까지늘어날전망이다. 이에 전기전자제어장치의핵심구성요소인차량용반도체의시장규모도 2011 년 27 조, 2015 년 41 조까지증가할것으로예상되고있다 [1]. 현재차량용반도체는메모리 / 비메모리, 전원반도체, MCU 등대략 200 여개의반도체가사용되고있으며, 일반차종에는평균 40 개, 고급차종은 100 개이상의반도체를내장하고있다 [1]. 차량용반도체는가정, 산업용반도체보다온도, 습도, 허용불량률등의요구에있 어서요구수준이높다. 특히, 차량문제는인명사고와직결되므로차량용반도체단위 부터고신뢰성을확보해야한다. 표 1 은 10 년동안 10 만 mile(16 만 km) 운행기준으로컴 포넌트및소자별결함허용목표치를보여준다 [2]. 표 1_ 컴포넌트및소자의결함허용목표치 Division Types of Failure Rate Fault Tolerance Target Component Element (Semiconductor) ECU failure rate (field) ECU failure rate (0 miles) Modules and sensors failure rate ASIC failure rate IC failure rate Discrete components failure rate < 50 ppm < 15 ppm < 10 ppm < 3 ppm < 1 ppm < 0.5 ppm 이처럼전기전자제어분야의핵심인차량용반도체는고품질확보를위해서다음의 조건을만족해야한다. 첫째, 차량용반도체는자동차부품에해당되기때문에자동차 부품업체가기본적으로만족해야하는품질경영체계를충족해야한다. 둘째, 차량용 반도체개발프로세스는사양, 설계, 검증등의엔지니어링활동과프로젝트관리, 프로 세스관리, 지원활동을포함해야한다. 셋째, 차량용반도체는차량의신뢰성확보를 위한안전요구사항및이를반영한안전설계메커니즘을만족해야한다. 본연구에서는위조건을만족하는차량용반도체개발프로세스를수립한다. 이를 위해그림 1 과같이자동차부품업체의품질경영체계요구사항인 ISO/TS 16949 를기 반으로엔지니어링, 프로세스및프로젝트관리, 지원활동에대한요구사항을명시한 CMMI 그리고안전분석및메커니즘을제공하는 ISO 26262 를참조모델로활용한다. 01 2015 January (No.120)
인사이드이슈 그림 1_ 프로세스참조모델간관계 Ⅱ. 관련연구 2.1 기존연구 차량용반도체개발프로세스분야는 ISO 26262 가제정되면서관련연구가진행되고있으나, 아직까지프로세스수립방안및사례연구는부족한상황이다. 다음은반도체개발프로세스및활동별수행지침과관련된연구결과이다. Annette Reutter and Dieter Lederer 는 2006 년연구 [3] 에서 CMMI 참조모델을기반으로반도체개발프로세스를수립할때해야할활동 (What) 을제시하고있다. 하지만범용반도체에대한개발프로세스이다보니 ISO/TS 16949 나 ISO 26262 와같은자동차분야의프로세스표준모델은고려하지못하고있다. Frank K. Gurkaynak 는 2006 년연구 [4] 에서 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 반도체설계활동별수행내용과설계기법, 고려사항등에대해서명시하고있지만프로세스참조모델을고려하지는않고있다. S. Y. Chae, W. J. Kim은 2012년연구 [5] 에서차량용반도체의 ISO 26262 안전성확보를위한표준에서의안전메커니즘과해외반도체회사들의 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) C, D에대비하기위한 Redundancy, LockStep 등의안전메커니즘에대해언급하고있지만프로세스측면에대한방안은제시하지않고있다. 반도체와유사한하드웨어부문에서 S. H. Jeon, et al. 의 2011 년연구 [6] 는 ISO 26262 ASIL 수준별하드웨어개발프로세스와결함 (Fault) 을계산하는방법을제시하고있지만, ISO/TS 16949 나 CMMI 와같은다른모델과의관계는고려하지않고있다. 본연구에서는프로세스참조모델을활용한차량용반도체부문의프로세스수립방안연구를진행한다. 02
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine 2.2 이론연구 1) 프로세스구조모델 (SPEM) 프로세스구조수립을위해 OMG(Object Management Group) 에서제안한프로세스메타모델인 SPEM(Software & System Process Engineering Metamodel)[7] 을사용한다. 그림 2는 SPEM 의프로세스구조를보여준다. 프로세스 (Process) 는활동 (Activity) 의조합을의미한다. 활동은상위수준의업무로서여러개의기본단위업무인작업 (Task) 을포함한다. 또한작업은최하위수준의업무인단계 (Step) 들로정의한다. 작업을기준으로작업산출물 (Work Product) 및역할 (Role) 을정의하고있다. 그림 2_SPEM 의프로세스구조 2) 프로세스참조모델프로세스참조모델은프로세스를수립하기위해활동목적및수행결과그리고활동 (What) 간의연관관계를제공한다. 본연구의기반이되는프로세스참조모델은 ISO/TS 16949[8], CMMI[9], ISO 26262[10] 이다. 사양및설계개발활동과관련하여 ISO/TS 16949 의 7.2 고객관련프로세스와 7.3 설계및개발, CMMI 의요구사항개발 (RD) 와기술솔루션 (TS) 프로세스영역, ISO 26262 Part 5. 하드웨어수준의제품개발의 6. 하드웨어안전요구사항명세와 7. 하드웨어설계를적용한다. 각프로세스참조모델에서는표 2와같이요건을정의하고있다. 표 2_ 프로세스참조모델의사양및설계개발활동요건 Division ISO/TS 16949 CMMI ISO 26262 RD 1) Develop customer requirements 6.4.1-4) Elicit requirement Requirement 7.2.1) Define product requirement RD 2) Develop product requirements 6.4.5-8) Specify requirement Development 7.2.2) Review product requirement RD 3) Analyze and verify requirements 6.4.9) Verify requirement 7.3.1) Plan design 7.3.2-3) Design input/output Design 7.3.4) Review design Development 7.3.5) Verify design 7.3.6) Validate design TS 1) Determine development solution 7.4.1) Design architecture of product component 7.4.2) Perform detailed design TS 2) Perform design 7.4.3) Analyze safety TS 3) Implement design 7.4.4) Verify design * RD: Requirement Development * TS: Technical Solution 03 2015 January (No.120)
인사이드이슈 Ⅲ. 연구결과 3.1 프로세스참조모델분석 사양및설계프로세스영역의활동을정의하기위해다음의절차를수행한다. 첫째, 그림 1과같이프로세스참조모델간관계를정의한다. 둘째, ISO/TS 16949 를기반으로 프로세스구조 (Framework) 를수립한다. 셋째, CMMI 의프로세스관리, 프로젝트관리, 지 원부분과 ISO 26262 의안전분석및메커니즘부분을기반으로프로세스구조내세부 프로세스영역을정의한다. 넷째, 본연구의범위는사양및설계프로세스영역이므로 해당영역의프로세스참조모델을매핑한후, 공통요건을도출한다. 표 3과표 4는수 행결과의일부예시이다. 표 3_ 사양개발활동요건및참조모델과의관계 No. Recommendation ISO/TS 16949 CMMI ISO 26262 1 Develop initial requirements 7.2.1 RD 1 6.4.1-4 1.1 Elicit customer needs 7.2.1 RD 1.1 6.4.1-4 1.2 Define customer requirements 7.2.1 RD 1.2 6.4.1-4 2 Develop product function requirements 7.2.1 RD 2-3 6.4.5-8 2.1 Define product function lists 7.2.1 RD 2.1 6.4.5-8 2.2 Visualize product function blocks 7.2.1 RD 2.2, 3.1 6.4.5-8 2.3 Analyze requirements of function blocks 7.2.1 RD 3.3-4 6.4.5-8 2.4 Review requirements of function blocks 7.2.2 RD 3.5 6.4.9 2.5 Determine requirements of function blocks 7.2.2 RD 2.5 6.4.9 3 Develop product non-function requirements 7.2.1 RD 3.2 6.4.1-4 4 Develop product interface requirements 7.2.1 RD 2.3 6.4.1-4 표 4_ 설계개발활동요건및참조모델과의관계 No. Recommendation ISO/TS 16949 CMMI ISO 26262 1 Develop design specification 7.3.2-3 TS 1, 2 7.4.1 1.1 Define architecture elements 7.3.2-3 TS 1, 2 7.4.1 1.2 Visualize architecture elements 7.3.2-3 TS 1, 2 7.4.1 1.3 Design architecture elements 7.3.2-3 TS 1, 2 7.4.1 1.4 Define design specification 7.3.2-3 TS 1, 2 7.4.2 1.5 Review design specification 7.3.4-7.4.4 1.6 Determine design specification 7.3.5-6 TS 1, 2 7.4.4 2 Perform safety analysis - - 7.4.3 3 Design layout 7.3.2-3 TS 2 7.4.1-2 4 Design package 7.3.2-3 TS 2 7.4.1-2 04
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine 3.2 선진조직의프로세스분석 선진조직의프로세스를벤치마킹하여 1 단계에서수립한사양및설계개발프로세스 영역의활동을보완한다. 표 5 는 A, B 두선진조직의프로세스분석을위해비교항목 을도출하여검토한결과이다. 비교항목은프로세스전문가들과브레인스토밍을통해 서도출하였다. 표 5_ 선진조직의사양및설계개발활동분석 Division A Company B Company Process Flow and Activities Detailed Degree of Process Relation of System and ECU 1) Develop specification (Function, 1) Develop specification (Function, Package, ESD/EMC, Reliability Spec.) Reliability, Interface) 2) Design concept (Function block, 2) Design architecture (Block, ESD, IO) Concept modeling, Circuit, TDS, DFMEA) 3) Design module (Detailed circuit, 3) Design detail (Detailed circuit, Design Circuitspecification, Review) specification) 3 Level process (Activity -> Task -> Step) Requirement definition activity of system and ECU is related to semiconductor's requirement development one ISO 26262 Activities Design FMEA FMEA, FTA (optional) Relation of Evaluation Activities Review Activities Requirement Traceability Not defined Review after specification, concept and detailed design Relation of system and ECU requirement activity (For assuring traceability) Specification and detailed design activity are related evaluation one Review after design Traceability among requirement, design and evaluation * ESD: Electro Static Discharge * EMC: Electro Magnetic Compatibility * TDS: Test Data Sheet 두조직의공통적인부분은사양과설계개발활동에대해서프로세스가세분화되어 있으며, 시스템, 제어기부문과의연계및검토활동이강조되어있다는점이다. 하지만 각활동의수행방법정의및하드웨어컴포넌트인정 (Qualification of Hardware Component) 등의 ISO 26262 요건반영은부족하다는것을확인할수있었다. 두조직의 장 / 단점분석을통해서본연구에반영할요소는다음과같다. 프로세스의기본흐름은활동 (Activity) 수준에서간단하고명확하게정의하며, 활동 별작업 (Task) 및단계 (Step) 에대해서는세분화하여명시한다. 시스템, 제어기로부터반도체사양및설계가수행되므로, 시스템, 제어기와의연 계성을프로세스로명시하고, 추적성을확보한다. ISO 26262 내정의된방법에기반하여, 프로세스활동별구체적인수행방법을명 시한다. 05 2015 January (No.120)
인사이드이슈 B사에서와같이, 사양및설계활동시관련된평가사양개발활동을연관하여정의한다. 프로세스흐름상에는관련타프로세스로명시한다. 결함의조기검출을위해서각활동별검토를수행하도록프로세스상에명시한다. 설계시 ISO 26262 의하드웨어컴포넌트인정프로세스에대해서연관된타프로세스로명시한다. 3.3 신뢰성표준및안전메커니즘분석 차량용반도체개발에있어서가장중요한요소인신뢰성 (Reliability) 과안전성 (Safety) 에대해관련규격및선진업체의동향을분석하여수행기법 (Method) 도출을목적으로한다. 먼저신뢰성 (Reliability) 과관련된내용을살펴보도록하자. 차량용반도체의신뢰성사양은표 6과같이타산업에비해서높은특징이있다 [11]. 표 6_ 산업별반도체신뢰성사양비교 Division Home Industrial Automotive Lifetime 1-3 years 5-10 years > 15 years Temperature 0 C - 40 C -10 C - 70 C -40 C - 150 C Humidity Low High 0-100% Failure Rate < 10% < 1% 0% Supply Period > 2 years > 5 years > 30 years 이처럼차량용반도체의요구사항을만족하기위해서자동차용전자부품에대한신뢰성평가절차를규정한 AEC(Automotive Electronic Council) 품질규격을적용한다. 특히, AEC-Q004(Zero Defects Guideline)[12] 에서는그림 3의 Zero Defects Flow와같이전자부품의개발단계별신뢰성확보를위한기법을기술하고있다. 이중본연구의범위에해당하는설계활동의주요기법인 QFD(Quality Function Deployment), Design FMEA, Redundancy, Design for Test, Simulation 등을적용하여프로세스를수립한다. 또한신뢰성확보를위해서반도체소자에대한인정 (Qualification) 이필요하다. 이와관련하여 AEC-Q100( 대규모집적회로 : IC, VLSI, SoC), AEC-Q101( 능동소자 : Transistor, Diode), AEC-Q200 ( 수동소자 : Capacitor, Resistor) 등의품질규격이있다. ISO 26262 에서는 AEC-Q100 에해당하는 IC 등에대해서는하드웨어컴포넌트인정프로세스적용을요구하고있다. 반면, AEC-Q101 과 AEC-Q200 에대해서는각각의표준을통한자격인증이가능하다고명시하고있다. 본연구에서는하드웨어컴포넌트인정프로세스를설계프로세스에연관된타프로세스로명시하고, AEC-Q100, Q101, Q200 은관련수행지침으로명시한다. 06
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine 그림 3_AEC-Q004 의 Zero Defects Flow 다음으로안전성과관련된내용을살펴보도록하자. ISO 26262 에서는 ASIL 의 A-D 등 급에따라 Fail-Safe 를해결하기위한안전메커니즘 (Safety Mechanism) 을구현하도록요 구하고있다. 이와관련하여해외반도체회사들은 ASIL C, D 에대해서표 7 과같이대 응하고있다 [13-15]. 표 7_ 산업별반도체신뢰성사양비교 Division Freescale TI Infineon Safety Mechanisms Redundancy (Dual Core) Fail Safe State Machine I/O Redundancy (Dual Core) LockStep Redundancy (Dual Core) System Monitoring Methods FMEDA, FTA FMEA, FTA FMEA, FTA 반도체설계단계부터 FMEA, FMEDA, FTA 와같은기법의적용을통해고장 (Failure) 을예방하는활동이필요하다. 즉, 고장이발생할지점을예상하고이에대한해결책으 로 MCU 중복설계와같은 Redundancy(Dual Core) 안전메커니즘을마련해야한다. 본연 구에서는설계단계에 FMEA, FMEDA, FTA 기법을적용하도록프로세스를수립한다. 3.4 프로세스수립및개선 프로세스를수립하고, 파일럿프로젝트적용및전문가검토를통해프로세스개선을목적으로한다. 파일럿프로젝트에대한개요는다음과같다. 프로젝트명 : 전원공급반도체개발 개요 : 변속기제어시스템구성요소로전원을공급하는역할수행 특징 : ASIL C 수준의안전메커니즘구현필요 07 2015 January (No.120)
인사이드이슈 반도체설계전문가들의다음의검토내용을반영한다. ( 사양 / 설계개발활동공통 ) 작업수행기법에대해서 ASIL 등급에따라구분하여적용해야한다. ( 사양개발활동 ) 기능정의시, 시스템사양을가정하거나시스템으로부터할당받아반도체기능안전사양을정의해야한다. ( 설계개발활동 ) 상세설계시에 FMEA/FTA 안전분석을연관시켜야한다. 그림 4_ 사양개발활동의작업흐름과기능목록예시 그림 4는사양개발활동의작업을정의하고, 이중제품기능사양개발작업에대한상세흐름과적용사례를보여준다. 그림 4의 1), 2), 3) 은다음의요건을의미한다. 시스템 / 제어기사양으로부터반도체사양을도출하고있으며, 프로세스연계를통해추적성확보를요구하고있다. 기능블록별 Fail-Safe 에대한안전메커니즘을요구하고있다. 확정된기능사양에대해서평가사양개발프로세스를연관시키고있다. 또한 Step 1-5에대해서다음의지침을포함한다. S1) 시스템사양과제어기사양으로부터반도체기능사양 ( 온도, 동작범위, ESD 등 ) 이정의되어야하며, 시스템-제어기-반도체사양간추적성을확보해야한다. S2) 제품의기능단위블록에대해서블록다이어그램형태로기술한다. S3) 기능단위블록별속성 (Parameter) 에대해서전기적특성을기술하고, 기능블록별고장안전 (Fail safe) 에대해서안전메커니즘을정의한다. 또한기능별최악의경우 (Worst Case) 를산출하여평가사양에반영한다. S4) 기능사양에대해서검토를수행하고, 보완사항을반영한다. S5) 검토된반도체기능사양을확정한다. 확정된기능사양에기반하여반도체기능평가사양을개발한다. 08
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine 그림 5_ 설계개발활동의작업흐름과모니터링기능의설계예시 그림 5는설계개발활동의작업을정의하고, 이중설계사양개발작업에대한상세흐름과적용사례를보여준다. 그림 5의 1), 2), 3) 은다음의요건을의미한다. 반도체구성요소별소자들에대한컴포넌트인정프로세스를연관시키고있다. 상세설계에대한 FMEA/FTA 프로세스를준수하도록요구하고있다. 확정된설계사양에대해서시뮬레이션사양작성프로세스를연관시키고있다. 또한 Step 1-6 에대해서다음의지침을포함한다. S1) 상위수준에서의아키텍처구성목록을작성한다. 상위구성요소별 AEC-Q100 대상소자들에대해서컴포넌트인정프로세스에따라적절성을확인한다. AEC-Q101/AEC-Q200 은표준자격인정으로가능하다. S2) 아키텍처구성을도식화한다. 기능사양개발작업에서의기능블록예비도식화내용을갱신한다. S3) 아키텍처구성항목별회로도를작성하며, FMEA/ FTA 프로세스와연계한다. S4) 아키텍처구성항목별회로도에대해서상세설계사양을작성한다. S5) 설계사양에대해서검토를수행하고, 보완사항을반영한다. S6) 검토된설계사양을확정한다. 확정된설계사양에기반하여반도체평가또는시뮬레이션사양을개발한다. 그림 4와 5의예시는변속기제어시스템으로부터할당된 ASIL C 수준을만족하기위해반도체사양개발단계에서자동활성화 (Wake-up), 대기 (Stand-by), 초기화 (Reset) 제어 (Controller), 모니터링 (Monitoring) 등의기능이분석되고, 이중, MCU 의동작을모니터링하는기능에대한설계결과를보여준다. 제안된프로세스적용을통해시스템으로부터할당된사양이설계단계의 FMEA 안전분석을통해모니터링하는기능등의안전메커니즘이설계된효과를볼수있다. 09 2015 January (No.120)
인사이드이슈 IV. 결론 국 내의차량용반도체개발은초기상태로기반프로세스수립이부족한상태이다. 또한산업특성상차량용반도체는고신뢰, 고안전요구사항을달성해야 한다. 하지만현재의차량용반도체개발프로세스는제조중심이며, 반도체가양산되어상위시스템에서적용, 평가되기때문에사후품질문제로인한재설계비용이발생할수있다. 이에본연구는프로세스참조모델분석과선진조직의프로세스벤치마킹을통해반도체사양및설계개발프로세스를수립하였다. 본연구의기대효과는다음과같다. 첫째, 국내차량용반도체개발조직의참조모델기반의프로세스수립방법에대한가이드를제공한다. 뿐만아니라반도체외의특정목적의개발프로세스를수립하려는조직을위한가이드가될수있다. 둘째, 반도체사양개발, 안전메커니즘을반영한설계, 단계적검토체계를확보한프로세스및적용사례를제시한다. 셋째, 반도체사양및설계활동부터신뢰성및안전성을확보할수있는프로세스를적용함에따라품질높은제품을개발할수있다. * 본원고는해당논문의요약본임에따라자세한내용은논문원문을참조하시기바랍니다. 10
SW 공학트렌드 동향분석 Webzine 참고자료 1. Chris Webber, "Automotive Semiconductor Demand Forecast 2011-2020," Strategy Analytics, 2013. 2. D. S. Ahn, "Consideration of Developing Automotive Semiconductor and Reliability Test," Bizocean, 2012. (in Korean) 3. Annette Reutter, Dieter Lederer, "CMMI in Semiconductor Development," ATZ Electronic, 2006. 4. Frank K. Gürkaynak, "ASIC Design Flow," Integrated Systems Laboratory, 2006. 5.S. Y. Chae, W. J. Kim, "Plan for Reaction of Automotive ECU Software and SoC for Supporting ISO 26262," Korea Information Processing Society Review, Vol. 19, No. 09, pp. 73-81, 2012. (in Korean) 6. Jeon, Seo-Hyun, et al., "Automotive hardware development according to ISO 26262," Advanced Communication Technology (ICACT), 2011 13th International Conference on, IEEE, 2011. 7. "Software & System Process Engineering Meta- Model Specification," OMG, 2008. 8. "ISO/TS 16949 Quality Management System-Particular requirements for the application of ISO 9001:2008 for automotive production and relevant service part organizations," 3rd Ed., ISO, 2009. 9. CMMI Product Team, "CMMI for Development Version 1.3," Software Engineering Institute of Carnegie Mellon, 2010. 10. "ISO 26262 Part 5: Product development at the hardware level," ISO, 2011. 11. B. C. Kim, "ISO 26262 Requirements of Designing Automotive Semiconductor," Korean Agency for Technology and Standards, 2012. (in Korean) 12. "AEC-Q004: Zero Defects Guideline," Automotive Electronics Council Component Technical Committee, 2006. 13. "Freescale Technology Forum: Functional Safety Design ASIL ECU with Freescale Silicon," 2011. 14. Marcus Frech, Josef Mieslinger, "Functional Safety Seminar : TMS570 Workshop," Texas Instruments, 2011. 15. "ISO 26262 China Workshop: Road to ASIL-x ECUs," Infineon Technologies, 2011. 11 2015 January (No.120)