인문학적 반도체_3. 반도체 분류(2)

1장.반도체란 무엇인가?

마지막으로 현재 가장 많이 사용하는 분류 기준인 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 구분할 수 있습니다. 비메모리 반도체는 다른 말로 시스템 반도체라고도 합니다.

세계 반도체 시장에서 차지하는 비중은 메모리 반도체가 30%, 비메모리(시스템) 반도체가 70% 정도 수준입니다. 다 아시겠지만 메모리 반도체의 종류인 D램과 낸드플래시는 우리나라 반도체 회사인 삼성전자와 SK하이닉스가 세계 시장 점유율의 절반을 넘게 차지하고 있으며, 비메모리(시스템) 반도체는 CPU를 만드는 인텔, 퀄컴, ARM 등의 회사가 있습니다.

메모리 반도체는 정보를 저장하는 기능의 반도체로서 우리가 사용하는 많은 기기에서 볼 수 있는 DRAM, SRAM, ROM, Flash memory 등이 있습니다.

[출처: 삼성반도체이야기]

메모리 반도체는 크게 RAM과 ROM으로 구분됩니다.

RAM은 정보를 저장하고 저장된 정보를 읽거나 수정할 수 있는 메모리로 전원이 끊어지면 저장된 정보도 사라지기 때문에 휘발성 메모리라고 합니다.

그에 반해 ROM은 전원이 끊겨도 저장된 정보를 보존하기 때문에 비휘발성 메모리라고 합니다.

우리가 RAM이라부 르는 것은 대부분 DRAM(Dynamic RAM)을 말하는데 DRAM은 전류가 흐를 때만 자료를 기록하는 램입니다.

DRAM은 동적 메모리라 불리는데 데이터를 계속 유지하기 위해 Refresh라는 자료가 지워지지 않도록 일정 주기로 다시 기록해 주는 것이 필요하기 때문입니다.

보통 DRAM은 cell로 구성되어 있는데, 이 cell은 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터로 구성되어 있습니다. 256 GDRAM은 2억 5천6백만 개의 cell이 칩 안에 있다는 뜻으로 256 Gbit의 데이터를 저장할 수 있다는 의미입니다.

이에 반해 SRAM(Static RAM)은 Refresh가 필요 없는 램으로 안정적인 동작을 하며 DRAM 대비 2배 정도의 빠른 속도가 가능합니다만 가격이 비싸고 전력 소모량이 많은 단점이 있습니다.

DDRSDRAM(Double Data Rate Syncronous Dynamic RAM)은 전압 상승 및 하강 시 메모리의 입출력과 CPU의 메인 클럭을 동기화하여 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 메모리입니다.

요즘 각광받고 있는 Flash Memory는 전원이 손실돼도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리인 ROM의 일종으로 블록단위로 내용을 지울 수도 있고, 다시 프로그램할 수도 있습니다.

플래시 메모리는 읽기 속도가 빠르며 하드 디스크보다 충격에 강하고 물리적인 충격에도 파괴되지 않는다는 강점이 있습니다.

플래시 메모리는 1980년 도시바의 후지오 마스오카 박사에 의해 개발되었습니다.

플래시 메모리는 NOR형과 NAND형이 있는데 NOR형은 저장 단위인 셀을 '수평'으로 배열한 것으로 읽기 속도가 더 빠르며 데이터의 안정성이 우수합니다.

반면 NAND형은 저장 단위인 셀을 '수직'으로 배열한 것으로 제조단가가 싸고, 대용량의 데이터를 저장할 수 있습니다.

NAND Flash는 데이터를 저장하는 방식에 따라 SLC(Single Level Cell), MLC(Multi Level Cell), TLC(Triple Level cell), 그리고 QLC(Quadruple Level Cell) 4가지 종류로 나누어집니다.

SLC는 하나의 데이터가 하나의 셀에 저장되는 방식이고 MLC는 하나의 셀에 2개의 데이터가 저장되는 형태입니다. 따라서 SLC는 빠르지만 데이터를 한 셀에 한 개씩 저장하는 만큼 대용량화 하기에는 어렵고, 비싸다는 단점이 있습니다. 반면 QLC는 한 개의 데이터를 저장하던 셀을 4 등분한 것이기 때문에 이론상 SLC보다는 4배 저렴하다고 볼 수 있죠.

NAND Flash는 2D -->  3D V-NAND로 점점 더 진화하고 있습니다.

2D 형태에서 3D 형태로 바꾼 이유는 셀간 간격이 좁아져 전자가 누설되는 현상이 생겼기 때문입니다. 따라서 전자 간 간섭 현상으로 인한 성능 저하를 막기 위해서는 셀간 간격을 늘려야 하는데, 옆으로 늘리기에는 '집적화'라는 목표를 달성하지 못하게 되니 이와 같이 '위로' 늘린 것입니다.

단층 구조의 집을 수십층 아파트처럼 수직으로 쌓아 올린 것이라고 볼 수 있습니다.

NAND가 본격적으로 쓰인 곳은 다름 아닌 애플의 아이팟 나노에서였습니다. 삼성이 공급하였는데 DRAM에서 쌓은 원가경쟁력으로 이를 달성할 수 있었습니다.

삼성은 NAND를 잘 만드는 원가경쟁력과 컨트롤러까지 만들 수 있는 자체 설계인력을 바탕으로 SSD까지 생산할 수 있어 HDD 시장을 대체하고 있습니다.

비메모리(시스템) 반도체는 시스템 반도체로 요새 더 많이 불리고 있는데 1990년 초에는 앞에서 살펴본 주문형 반도체인 ASIC으로도 불리었습니다.

정보를 저장하는 메모리 반도체와 달리 시스템 반도체는 디지털화된 전기적 정보(Data)를 연산하거나 처리(제어, 변환, 가공 등)하는 반도체를 말합니다.

시스템 반도체는 통상 마이크로 컴포넌츠(Microcomponents), 아날로그 IC(Analog IC), 로직 IC(Logic IC), 광학 반도체(Optical Semiconductor) 등으로 구분됩니다.

[출처: 삼성반도체이야기]

마이크로 컴포넌츠는 전자제품의 두뇌 역할을 하는 시스템 반도체로 MPU, MCU, DSP 등이 있으며, 마이컴 이라고도 불립니다.

아날로그 IC는 음악과 같은 각종 아날로그 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 바꿔주는 반도체입니다.

로직 IC는 논리회로(AND, OR, NOT 등)로 구성되며, 제품 특정 부분을 제어하는 반도체로 DDI와 AP가 대표적으로 있습니다.

DDI는 Display Driver IC의 약자로 LCD, PDP 등의 디스플레이를 구성하는 수많은 화소들을 구동하는 데에 쓰이는 Chip을 의미합니다.  

AP는 Application Processor의 약자로 휴대폰의 두뇌로 불리는 반도체입니다.

모바일 AP에는 CPU, 메모리, 그래픽카드, 저장장치 등 한 개의 칩에 완전 구동이 가능한 제품과 시스템이 들어 있어 시스템 온칩 SoC(System on Chip)이라 불립니다.

AP는 주로 Fabless에서 개발하는데 대표적으로 퀄컴(Qualcomm)의 MSM 시리즈 '퀄컴 스냅드래건(Qualcomm Snapdragon)', 엔비디아(NVIDIA)의 '테그라(Tegra)' 시리즈, 애플의 'A' 시리즈 등이 있습니다.

모바일 AP는 제조사마다 설계 부분이 조금씩 다릅니다. 하지만 기기 구동에 꼭 필요한 제품과 시스템이 등이 포함된 건 동일합니다.

모바일 AP를 구성하는 주요 블록과 그 기능을 살펴보면 왜 AP가 휴대폰의 두뇌라 불리는지 알 수 있을 것입니다.

하나. 데이터 처리를 실행하는 중앙처리장치 CPU

AP의 중앙처리장치 CPU는 컴퓨터의 CPU와 동일한 역할로 명령을 해독하고 산술 논리 연산이나 데이터 처리를 실행합니다.

차이점이 있다면 설계하는 명령어 세트와 명령어 집합인 ISA(Instruction Set Architecture)입니다. 컴퓨터의 CPU는 x86, 모바일 AP의 CPU는 ARM 계열인데요. 탑재되는 기기가 아니라 각각의 방식 자체에 차이가 있어 달리 불립니다.

각각의 계열에 따른 방식을 살펴보면, x86은 CISC(Complex Instruction Set Computer), ARM은 RISC(Reduced Instruction Set Computer)로 나뉩니다.

CISC는 복잡한 명령어를 통해 연산을 하는 방식으로, 반도체를 구성하는 트랜지스터의 직접도가 과다하게 높아 소비전력과 발열 또한 높습니다.

이와 다르게 RISC는 명령어를 최소로 줄여 단순하게 만든 방식으로, 트랜지스터의 직접도가 낮아 소비전력과 발열 또한 낮습니다.

둘. 그래픽 작업을 책임지는 GPU

GPU(Graphic Processing Unit)는 그래픽 작업을 처리하는 장치로 CPU와 함께 가장 복잡한 반도체 중 하나로 꼽힙니다. CPU 설계보다는 간단하지만 벡터 부동소수점 연산 등 3D 그래픽에 필요한 기능은 오히려 CPU를 능가하죠. 스마트폰에서 처리하는 2D, 3D 그래픽 작업을 모두 이 칩셋에서 처리하므로, 모바일 AP 성능에 중요한 부분이라 할 수 있습니다.

셋. 인터넷을 연결해주는 Modem

3G나 LTE, 그리고 Wi-Fi(802.11a/b/g/n/ac) 인터넷 연결을 가능하게 해주는 모뎀 (Modem) 칩도 AP에 포함되어 있습니다. 지금까지 공개됐던 다수의 AP 중 퀄컴 스냅드래건이 모뎀칩을 AP에 통합했고, 이로 인해 세계에서 가장 높은 점유율의 AP 제조사가 되었습니다. 최근 출시되는 다양한 AP는 기본적으로 모뎀을 내장하고 있습니다. 그러나 휴대폰에 들어가지 않아 통신 기능이 필요 없는 AP들은 이 기능이 불필요하여 모뎀칩이 없습니다.

넷. 화려한 영상을 볼 수 있는 VPU

요새는 공중파를 통해 4K UHD 콘텐츠를 즐길 수 있는 세상입니다. 초고화질 콘텐츠를 재생하기 위해서는  VPU(Video Processing Unit)라 불리는 동영상 재생에 특화된 프로세서의 성능이 중요합니다. VPU의 성능이 뒷받침될 때 스마트폰에서 4K UHD 영상을 끊김 없이 재생할 수 있는데 최근 다수의 AP 업체들은 VPU를 GPU에 통합하는 방식을 택하고 있습니다.

다섯. 디지털 신호 처리 프로세서 DSP

DSP(Digital Signal Processor)는 디지털 신호를 빠르게 처리할 수 있는 직접회로를 말합니다. 주로 오디오, 영상 신호 처리를 위해 사용하는데 그래픽(영상) 처리나 음악(오디오) 재생과 같이 단순한 반복 계산에 특화되어 있습니다. 모바일 AP의 디지털 신호 처리 프로세서 DSP(Digital Signal Processor)는 보통 영상 신호 처리에 높은 비중을 두고 있습니다. 최근 스마트폰에는 모바일 AP 칩 외에 별도의 디지털 아날로그 변환기 DAC(Digital-to-Analog Converter) 칩을 추가해 오디오 성능을 업그레이드하고 있습니다.

여섯. 스마트폰 사진을 찍는 ISP

스마트폰으로 사진을 찍는 경우가 많아지면서 AP에 이미지 처리 프로세서 ISP(Image Signal Processor)가 기본 내장되는 건 그리 특별한 일은 아닙니다. 보통 ISP는 디지털카메라에 들어가는 이미지 처리장치를 말하는데 CIS(CMOS Image Sensor) 영상 센서에서 들어오는 RAW 데이터 가공 업무 등 전반적인 이미지 프로세싱 과정을 수행합니다.

일곱. 블럭들을 연결하는 BUS

위에 블록들이 모두 다 BUS로 연결되어야 합니다. 타는 BUS가 아니라 각 블록들을 연결하는 전선 같은 것을 의미합니다. 보통 Digital Chip들은 내부에서 Bus를 통해서 Data가 흘러 다니는데 ARM에서 내부 IP들 끼리 Bus를 통해서 서로 잘 통신할 수 있도록 Bus Protocol을 제안했는데, 그게 바로 AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)입니다. 대부분의 회사에서 ARM사의 Core를 쓰니 데이터가 오가는 통로인 BUS도 AMBA BUS를 씁니다.

ARM사의 BUS protocol은 아래와 같이 AHB, ASB, APB, AXI가 있습니다.

AHB는 Advanced High Performance Bus의 약자로 고속으로 동작하는 장치들이 연결되는 버스입니다.

ASB는 Advanced System Bus의 약자로 고속으로 동작하는 것은 AHB와 같은데 주소, 제어, 데이터 라인이 모두 서로 분리되어 있어 Burst로 Data를 전송하기 어려운 측면이 있습니다.

APB는 Advanced Peripheral Bus의 약자로 비교적 느린 속도의 주변장치(Peripheral)에 연결되어 있는 BUS로 전력소모를 줄이기 위해 간단한 인터페이스를 가지고 있습니다.

AXI는 Advanced eXtensible Interface의 약자로 AMBA3.0 규격에서 추가되었는데 Burst기반으로 이루어져 고속 동작이 가능하고, Write Response channel이 추가되고 동시에 읽고 쓰기가 가능합니다. 그래서 ARM11이상의 Core를 사용하는 SoC에서 주 BUS로 사용되고 있습니다.. 

모든 길은 로마로 통하듯이 BUS든, Core든 ARM을 거쳐야 칩을 만들 수 있을 겁니다.

이 외에도 모바일 AP에는 위치 정보를 위한 위성항법시스템인 GPS(Global Positioning System)와 GLONASS(Global Navigation Satellite System)과 음성 신호 처리를 위한 오디오 신호 처리장치인 ASP(Audio Signal Processor) 등이 있습니다.

마지막으로 광학 반도체는 빛을 전기신호로 변환해주거나, 전기신호를 빛으로 변환해주는 반도체로 CIS(CMOS Image Sensor)나 CCD(Charge Coupled Device), LED가 있습니다.

CCD는 디지털카메라에서 빛을 전기적 신호로 바꿔주는 광센서(optical sensor) 반도체(semiconductor)로, 일반 카메라로 말하자면 필름을 감광(感光)시키는 기능에 해당되며 CIS와 더불어 디지털카메라의 핵심 반도체입니다.

메모리 반도체 , 비메모리 반도체로 구분하기 애매해 또 하나를 추가하면 개별소자(Discrete) 입니다. 개별소자는 on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용적 부품으로, 다이오드나 트랜지스터로 구분합니다. 다이오드는 교류를 직류로 전환하는 정류 기능을 하는 반도체이고 트랜지스터는 BJT, MOSFET과 IGBT 등이 있습니다. 이들은 전력반도체 소자로도 불리웁니다. IC로 하면 Power IC, 전력 반도체입니다. PMIC는 전력변환 및 제어, Control IC는 전압을 컨트롤 하는 반도체입니다.

메모리 반도체 , 비메모리 반도체로 구분하기 애매해 또 하나를 추가하면 개별소자(Discrete) 입니다. 개별소자는 on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용적 부품으로, 다이오드나 트랜지스터로 구분합니다. 다이오드는 교류를 직류로 전환하는 정류 기능을 하는 반도체이고 트랜지스터는 BJT, MOSFET과 IGBT 등이 있습니다. 이들은 전력반도체 소자로도 불리웁니다. IC로 하면 Power IC, 전력 반도체입니다. PMIC는 전력변환 및 제어, Control IC는 전압을 컨트롤 하는 반도체입니다.

[ 개별소자_전력반도체 분류 ]

그럼 메모리 반도체와 비메모리 반도체를 비교해 봅시다.

사업형태별로 살펴보면, 메모리 반도체는 시스템 반도체보다 설계가 비교적 간단하지만 소품종 대량생산의 생산 구조라 몇 십조 원의 많은 자본이 투입되는 사업입니다.

그래서 삼성 등 소수의 대기업에서 진행하기 수월한 비즈니스입니다.

핵심 경쟁력은 막대한 설비투자 및 자본력, 표준품의 대량생산에 필요한 미세공정 생산기술 능력, V-NAND 등 새로운 기술을 통한 가격경쟁력 등을 들 수 있습니다.

메모리 반도체는 범용 반도체라 수요와 공급에 따라 가격 변동성이 심합니다. 슈퍼 사이클이 있는가 하면 가격이 심하게 내려가기도 합니다. 다행히 2009년 스마트폰의 출시, 2016년에는 데이터 센터 설비 투자로 인해 메모리 반도체 수요가 증가하였습니다만 얼마 전 슈퍼사이클이 지나서 DRAM 가격이 떨어질 것이라는 기사가 나면서 삼성전자 주가가 약세로 돌아서기 시작했습니다.

반면 시스템 반도체는 메모리처럼 반도체 물성에 대한 전문성보다 시스템에 대한 이해가 더 중요한 비즈니스 영역입니다.

대부분의 시스템 반도체는 공장을 가지고 있지 않는 Fabless업체들이 주도하고 있습니다.

시스템 반도체는 다품종 소량생산을 위주로 하므로 중소기업도 우수한 설계능력만 있으면 시장을 선도할 수 있는 시장입니다.

핵심 경쟁력은 시스템의 운용에 필요한 설계기술과 우수한 설계인력, IP 확보가 관건입니다.

시스템 반도체는 대부분 활용분야가 다양하여 공급이 급격히 증가하더라도 수요 측에서 이를 흡수할 여지가 있는 반면, 메모리 반도체는 수요가 특정 기기에 한정되어 있기 때문에 공급 급증 시 수급 불균형으로 직결되고 있습니다.

또한 시스템 반도체 시장이 메모리 반도체 시장보다 배 이상 크기 때문에 이 분야를 선도하는 것이 진정한 반도체 시장의 강국이 되는 것입니다.