[유비쿼터스개론] 시스템 반도체(SoC) 기술

📕 1. 개요

최근 여러 통신 기기, 정보 기기 및 전자 제품 등이 본래 가지고 있던 기본 서비스를 넘어서 다기능화, 고품질화, 네트워크화 및 소형화 등이 복합적으로 추구되고 있다. 이러한 경항에 따라 마이크로프로세서, 네트워킹 칩, 메모리 등의 많은 반도체 칩을 필요로 하고 있다.

반도체 칩은 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 구분된다. 메모리 반도체는 데이터를 저장하고 기억하는 장치이다. 전원을 껐을 때 데이터가 날아가 버리는지 그대로 남아있는지에 따라, 임시 저장하는 동적 램(DRAM: Dynamic Random Access Memory)과 영구 저장하는 낸드 플래시 메모리(NAND Flash Memory)로 구분 할 수 있다. 정보를 저장하는 목적인 메모리 반도체와 달리, 시스템 반도체(System Semiconductor)는 비메모리 반도체이며, 디지털화된 정보를 연산하거나 제어하는 기능을 담당한다.

메모리 반도체와 시스템 반도체

사진 출처: 머니투데이 방송 2019. 4. 24

 

SoC는 여러 기능을 수행하는 부품들을 하나의 반도체 칩에 집적시킨 것이며, 향후 반도체 뿐만 아니라 개별 부품을 모두 하나의 칩으로 만들기 휘한 기술이다. 초기에 대규모 집적 회로(LSI: Large Scale Circuit) 기반으로 마이크로프로세서와 메모리 등을 통합하는 데 초점을 맞추었으나, 점차 미세 전자기계 시스템(MEMS) 기술과 합쳐지고 있다.

 

📕 2. SoC의 개념

시스템 온 칩(SoC: System on Chip)은 말 그대로 칩 자체가 하나의 시스템으로 기능할 수 있도록 정보통신 기기의 핵심 기능을 처리하는 메모리, 디지털회로, 아날로그 회로, CPU, 센서, 안테나, 수동 소자 등에서 필요한 기능들을 하나의 반도체 칩에 집적하는 기술을 말한다.

 

쉽게 말해서 휴대폰을 만들기 위해서 통신기능을 하는 칩과 컴퓨터 기능을 하는 칩 2개가 필요하지만 SoC는 하나의 반도체가 이러한 기능을 전부 수행한다. 따라서 SoC의 발전은 휴대전화 소형화와 전력 효율에 직결된다.

게다가 동영상, 그래픽 등의 복합 처기 기능을 요구하는 액정 표시 장치, 스마트폰 등을 포함한 모든 IT 제품의 경박단소화, 고기능화 및 저전력화를 가능하게 하는 핵심 반도체 기술이다.

 

최근에 디바이스 자체에서 인공 지능 기반 동작을 수행하거나 아예 인간의 기능을 모방하는 형태로 개발되는 지능형 반도체가 등장하고 있다. 지능형 반도체는 시스템에 내제되어 인식 추론 학습 판단 등 지능형 서비스를 구현하기 위한 소프트웨어와 SoC이 융합된 반도체이다.

 

📕 3. SoC 기술

SoC는 경박단소화에 대한 요구가 있어 디지털 신호 처리 장치으 핵심 부분을 포함한 각종 지식 재산권 핵심 부분이 주문형 반도체(ASIC)와 특정 용도 표준 제품(ASSP) 안으로 들어가고, 메모리가 내재화된 형태로 단일 칩화되었다.

SoC는 마이크로프로세서와 디지털 신호 처리 장치, 메모리, 기준 대역 칩, 임베디드 소프트웨어 등 하나의 시스템을 집적해 놓은 집적 회로(IC: Intergrated Circuit)라 할 수 있다. 이는 반도체 공정 기술 및 집적도, 설계 기술이 발전함에 따라 발전한 개념이다. 기존의 SoB(System-on-Board) 시스템은 인쇄 회로 기판(PCB: Printed Circuit Board) 위에 다수의 칩을 사용하여 설계되었고, 이러한 칩들은 표준 제품 또는 특정 응용을 위해 설계된 주문형 반도체(ASIC)로 구성되었다. 하지만 반도체 집적도가 증가함에 따라 인쇄 회로 기판 전체를 하나의 칩으로 통합하는 것이 가능하게 되었고, 이러한 기술이 바로 SoC이다.

 

📕 4. 지식 재산권

지식 재산권(IP 또는 IPR: Intellecture Property Rights)이란 해당 칩에 적용될 수 있는 설계 블록을 누군가 미리 오랜 기간을 투입하여 개발해 놓은 것을 의미하며, 지식 재산권의 확보 여부가 칩에 대한 설계 시간 단축에 지대한 영향을 미치게 된다. 크게 스타형, 표준형, 셀형으로 구분한다.

 

📕 5. SoC 기술의 발전 방향

인공 지능 기술을 실생활에 구현하기 위한 사물 인터넷, 자율주행 자동차, 지능형 로봇 등의 분야에서 SoC는 중요한 역활을 수행할 수 있다. 인공 지능 기술의 핵심은 학습과 추론이며, 이 두 가지 과정을 반복 실행하며 최적의 답을 찾아낸다. 

인공지능칩과 GPU는 고성능 SoC이다.

구글은 딥러닝을 가속화하는 인공지능칩인 텐서 처리 장치(TPU)를 개발하였다. CPU와 GPU보다 초고성능을 보이는 스마트칩인 지능형 처리 장치(IPU)도 등장했다. 그리고 신경 모방 칩(Neuromorphic Chip)도 있다. 신경 모방 칩은 이름 그대로 인간의 신경 구조, 즉 뉴런을 모방한 하트웨어 뉴런을 병렬로 연결한 것으로 인간의 두뇌화 유사한 컴퓨터 칩을 의미한다.