반도체 설계의 첫 번째 단계는 논리적 기능을 정의하고 기술하는 작업이다.
이 과정에서 사용되는 언어가 바로 HDL(Hardware Description Language)이며,
특히 RTL(Register Transfer Level) 설계는 회로 동작의 기반을 결정하는 핵심이다.
이번 글에서는 RTL 설계의 개념, 사용 언어, 시뮬레이션 기법, 그리고 실제 검증 전략까지 구체적으로 설명한다.
1. RTL 설계란?
RTL은 Register Transfer Level의 약자로,
레지스터 간의 데이터 흐름과 연산을 정의한 디지털 회로의 추상화 수준이다.
이 단계에서 디자이너는 하드웨어의 구조를 다음과 같이 정의한다:
- 클록 신호에 따라 상태 변화
- 입력/출력 인터페이스
- 산술, 논리 연산 기능
- 제어 신호 및 상태 머신
RTL은 회로의 ‘기능’을 중점으로 작성되며,
물리적 위치나 배선은 고려하지 않는다. (그것은 후속 물리 설계 단계의 몫이다)
2. RTL 설계 언어 – Verilog와 VHDL
| Verilog | C언어 유사 구문, 미국 중심 사용, 산업 표준 |
| VHDL | Ada 기반, 유럽/방산 분야에서 널리 사용 |
현업에서는 Verilog가 주류이며, 최근에는 SystemVerilog라는 확장 언어가 복잡한 SoC 검증에 사용되고 있다.
3. 시뮬레이션의 필요성
RTL 코드는 하드웨어로 구현되기 전에 그 동작이 논리적으로 정확한지를 검증해야 한다.
이때 사용하는 것이 **시뮬레이션(Simulation)**이며,
입력 신호에 따른 출력 반응을 수치적으로 확인할 수 있다.
시뮬레이션 없이 RTL을 바로 합성하거나 제조할 경우,
치명적인 논리 오류가 발견될 가능성이 크며,
이로 인한 비용 손실은 수억원에서 수백억원에 이를 수 있다.
4. 시뮬레이션 환경 구성
- 테스트벤치(Testbench): 입력 자극(stimulus) 생성 + 출력 검증 루틴
- 시뮬레이터 도구: ModelSim, VCS, Riviera-PRO 등
- 파형 뷰어: 결과를 시간축 기반으로 시각화 (GTKWAVE 등)
테스트벤치는 Verilog와 유사한 구조로 작성되며, 다음을 포함한다:
- 클록/리셋 신호 생성
- 다양한 입력 조합 자동 생성
- 기대 출력과 비교 (assertion)
5. 검증 기법 – 기능 검증의 전략
| 단위 테스트(Unit Test) | 모듈 단위로 독립 검증 |
| 커버리지 기반 검증 | 모든 코드/상태/경로가 실행되었는지 확인 |
| Assertion 검증 | 의도하지 않은 상태가 발생하면 시뮬레이션 중단 |
| UVM (Universal Verification Methodology) | SystemVerilog 기반 SoC 검증 프레임워크 |
| Formal Verification | 수학적으로 논리 동등성 입증 (고난이도 기법) |
6. 검증 실패 사례 – 왜 중요한가?
- 조건문 실수로 인한 상태 머신 오류
- 초기화 누락 → 비정상 동작
- 비동기 신호 간 타이밍 문제
- FIFO 버퍼 오버플로우
- Reset 또는 Clock의 충돌
이러한 오류는 대부분 시뮬레이션에서 사전에 포착 가능하며,
물리 제작 이후 발견되면 회로 재설계와 마스크 변경으로 이어져
막대한 시간과 비용 손실을 야기한다.
7. 마무리하며
RTL 설계는 반도체 칩의 '두뇌'를 만드는 작업이다.
정확하고 효율적인 기능 구현은 물론,
사전 시뮬레이션과 체계적인 검증 전략 없이 다음 단계로 넘어가는 것은 대규모 리스크를 동반한다.
RTL을 ‘논리적으로 완성된 수준’으로 끌어올린 뒤에야,
그다음 단계인 **합성(Synthesis)**으로 안전하게 넘어갈 수 있다.
다음 편에서는 RTL을 게이트 수준 회로로 변환하는
**합성 공정과 타이밍 분석(Static Timing Analysis, STA)**에 대해 다룰 예정이다.