인문학적 반도체_3. 반도체 분류(1)

1장.반도체란 무엇인가?

3. 반도체 분류

사람을 분류하려면 어떤 식으로 분류할까요?

가장 손쉽게는 남자, 여자로 분류할 수 있겠죠.

피부색인 황인종, 백인, 흑인으로도 분류할 수 있을 겁니다. 또는 한국인, 일본인, 미국인 등 국적을 가지고 분류할 수도 있겠고요. MZ세대니 586세대니하는 나이로도 분류가 가능합니다.

이와 같이 사람을 분류하는 방법은 그 기준에 따라 매우 다양합니다.

이와 유사하게 반도체를 분류하는 방법도 여러 가지가 있습니다.

첫째로 반도체를 구분하는 방법은 앞에서 이야기한 단일 원소 반도체와 화합물 반도체로 구분할 수 있습니다.

두 번째로 아날로그 반도체와 디지털 반도체로 구분할 수도 있습니다.

아날로그 반도체는 일상생활에서 발생하는 빛, 소리, 압력, 온도 등 아날로그 신호를 IT기기가 인식할 수 있도록 디지털 신호로 바꾸거나, IT기기가 처리한 결과 값을 인간이 인식할 수 있는 아날로그 신호로 바꿔주는 역할을 합니다.

스마트폰 카메라 모듈에 사용되는 이미지센서(CIS)와 휴대폰을 사용하지 않을 때 전원을 자동으로 차단하는 전력 관리 칩, 화면을 터치하면 해당 기능이 실행되는 구동칩 등이 대표적인 아날로그 반도체입니다.

반면에 디지털 반도체는 디지털 신호인 0과 1을 연산 처리해 시스템의 기능을 제어하는 반도체를 말합니다.

PC와 스마트폰에서 사람의 두뇌와 같은 역할을 하는 애플리케이션 프로세서(AP), 중앙처리장치(CPU)가 대표적인 디지털 반도체입니다.

세 번째로 범용 반도체와 ASIC이라고 하는 주문형 반도체로도 나눌 수 있습니다.

범용반도체란 다양한 기기에 공히 사용되는 반도체로 대표적으로 메모리가 있습니다.

메모리는 PC에도 들어가고 휴대폰에도 들어가고 세탁기, 냉장고등 다양한 곳에 사용됩니다.

그리고 MCU (Micro Controller Unit)라고 하는 제어를 주기능으로 하는 반도체나 DSP(Digital Signal Processor) 같은 반도체도 그것을 구동시키는 firmware만 바꾸어주면 냉장고, 자동판매기, 전기밥솥, 디카 등에 사용될 수 있습니다. ADC, DAC도 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 분야에서는 마이크, 스피커, 디지털카메라 등 어디나 사용되어 범용반도체로 분류할 수 있습니다.

범용 반도체와 대비되는 개념은 주문형 반도체인 ASSP/ASIC 반도체를 의미합니다.

ASSP나 ASIC라는 이름에서 알 수 있듯 특정 분야에서만 사용되는 반도체 칩입니다. 예를 들어 MPEG Codec은 Moving Picture Expert Group이라는 비디오, 오디오등 멀티미디어의 국제표준을 만드는 단체에서 만든 멀티미디어 규격으로 비디오와 오디오를 압축, 복원하는 칩인데 이 MPEG Codec을 전기밥솥에 넣어 밥을 지을 수는 없고 세탁기에 넣어 빨래를 할 수도 없겠지요. MPEG Codec칩은 MP4 동영상을 보고자 하는 응용분야에서만 필요합니다.

즉 ASIC(Application Specific IC)이란 단일 사용자를 위해 주문 제작된, 특정 응용 목적으로 사용되는 모든 반도체 집적회로 제품을 일컫습니다.

주문 제작된 IC를 한 명의 사용자가 아닌 여러 고객이 사용하게 되면 더 이상 AISC으로 보지 않고 ASSP(Application Specific Standard Product)라고 부릅니다.

ASIC은 제품의 용도 및 특성상 필연적으로 다품종, 소량 생산을 해야 하는데 NRE라고 하는 초기 개발 비용을 절감하기 위해 다양한 설계 방식이 도입되었습니다.

ASIC 은 설계 방식에 따라 다음과 같이 분류하기도 합니다.

완전주문형 IC는 사용자 주문 그대로 처음부터 회로를 설계하여 만든 것으로, 설계 및 Layout을 일일이 수작업으로 design 하여 전기적 성능과 실리콘 면적의 사용도를 극대화할 수 있습니다. 반면 설계 시간이 많이 걸리고, 고급 설계 인력이 필요하고 NRE비용이 많이 드는 단점이 있습니다.

반주문형 IC는 Standard Cell과 Gate Array가 있습니다. Gate Array는 기본적인 게이트(NAND, NOR)들을 여러 개 배열해 놓고 이들 사이의 배선을 연결시켜 IC를 만드는 방식이고 Standard Cell은 미리 설계가 완료된 표준셀을 조합하여 사용자의 요구에 맞게 설계, 제조하는 IC를 말합니다.

그밖에 PLD와 FPGA는 소규모 생산과 우수한 성능을 요구하지 않는 응용분야 및 프로타이핑에 사용되는 설계 방식입니다. 특히 FPGA는 트랜지스터와 트랜지스터 간의 연결 관계를 시뮬레이션하는 일종의 설계 시뮬레이션 칩으로 사용될 수 있습니다. 요즘은 AI연산에 GPU보다 최적화하기 쉬워 FPGA가 새롭게 각광받고 있습니다.

이를 표로 정리하면 아래와 같습니다.