반도체 용어 설명 2(feat. 모바일 AP, 이미지센서, Fab, 저전력 반도체)

반도체와 관련한 용어들을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 반도체 용어 중 모바일 AP, 이미지센서, Fab, 저전력 반도체에 대해 포스팅해 보겠습니다.

<목차> 1. 스마트폰의 두뇌 모바일 AP (Application Processor) 2. 비밀스러운 이미지 센서 3. 반도체가 제조되는 곳 "Fab" 4. 전력 효율 최고 "저전력 반도체"

 

1. 스마트폰의 두뇌 모바일 AP (Application Processor)

모바일 AP 은 스마트폰의 각 기능이 연결되어 있는 인간의 뇌와 같은 기능을 합니다.

이는 각 신체 기관에 연결되어 생각하고 명령을 내리는 인간의 뇌와 유사합니다. 데스크톱의 중앙 처리 장치 (CPU)와 모바일 AP를 동일한 것으로 생각하기 쉽지만, 모바일 AP는 CPU 뿐만 아니라 그래픽, 카메라, 통신 등 보다 다양한 기능들이 하나의 칩에 담겨 있어서 차이가 있습니다.

 

작고 간편한 모바일 AP가 왜 다양한 기능을 갖추어야 할까요?

컴퓨터와는 달리, 스마트폰은 휴대성이 좋다는 장점이 있습니다. 그러나 이러한 휴대성은 전력 소모량을 증가시켰습니다. 이는 소비 전력 때문입니다. 이와 같은 상황에서는, 스마트폰 사용 시 오랜 시간 컴퓨팅을 할 수 있는 '저전력'이 중요한 역할을 합니다. 이를 위해서, 제한된 스마트폰 보드에 공간을 확보하고, 다양한 기능들을 하나의 칩 위에 통합함으로써 전력 소모를 줄입니다. 이는 작은 기기에서도 고성능을 구현할 수 있게 해 줍니다.

엑시노스 2100의 경우, 삼성전자는 복잡한 멀티태스킹 환경에 적합한 솔루션을 제공하기 위해 5G 모뎀 칩을 모바일 AP에 통합했습니다. 이러한 설계 구조는 제조사마다 조금씩 다르지만, 스마트폰의 핵심 기능은 공통적으로 포함되어 있습니다. 이러한 기능들은 모두 작은 기기 안에 적은 전력으로 동작하도록 설계되어 있습니다. 이를 통해, 사용자는 스마트폰을 편리하게 사용하면서도 전력 소모를 최소화할 수 있습니다.

 

'엑시노스 2100' 기반 모바일 AP의 핵심 기능은 무엇일까요?

먼저, 모바일 AP에는 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)가 있어 컴퓨터의 CPU와 동일한 역할을 수행합니다. 이는 운영체제와 각 종 어플리케이션을 실행하고, 스마트폰의 모든 데이터 처리 등 주요 기능을 담당합니다.

또한 5G 모뎀은 5G 네트워크와 LTE 등 다양한 통신 환경을 폭넓게 지원하기 때문에 프로세서 안에 모뎀 기능을 함께 넣어 칩 면적을 줄이고 전력 효율을 높일 수 있습니다. 이 외에도 GPU(Graphics Processing Unit), ISP(Image Signal Processor), Display, Multimedia 블록들은 이미지, 영상과 관련된 역할을 수행합니다. GPU는 3D 게임, 그래픽 사용자 인터페이스(UI, User Interface) 등의 그래픽 데이터를 처리하며, Camera 영역은 스마트폰 카메라 이미지 센서에서 온 빛의 정보를 사진이나 동영상으로 만들어주는 역할을 합니다. Video 블록은 영상을 인코딩 또는 디코딩하여 녹화, 압축 또는 재생하는 역할을 하며, Audio 블록은 입력, 출력되는 오디오 신호를 처리합니다. 마지막으로 Display 블록은 모바일 기기의 화면 또는 TV, 모니터 등 외부 화면에 이미지와 영상 신호를 송출하는 역할을 합니다.

모바일 AP에는 또한 인공지능과 딥러닝에 최적화되어 있는 신경망 처리장치(NPU)와 디지털 신호 처리장치(DSP, Digital Signal Processor)도 내장되어 있습니다. 이들은 빠르고 효율적인 온디바이스(On-device) AI를 위해 활용되며, NPU와 DSP가 있기 때문에 얼굴, 사물인식이나 목소리 인식 등이 가능합니다. 이 외에도 시큐리티(Security) 블록은 개인 정보, 보안과 관련된 데이터를 처리하는 역할을 하며, 저장장치, 센서, 디스플레이, 커넥티비티(와이파이) 등의 기능과 프로세서의 연결을 돕는 인터페이스(Interface) 블록 등이 모바일 AP 안에 내장되어 있습니다.

 

2. 비밀스러운 이미지 센서

각종 전자 기기에서 눈의 역할을 하는 반도체 제품 중 하나가 이미지 센서로 모바일, 차량, 보안 시스템 등에서 사용됩니다.

이미지 센서 신기술 발표 기사에서 눈에 띄는 숫자들이 있습니다. 이 숫자들은 무엇을 의미하는 것일까요?

메가픽셀(Megapixel, Mp)은 100만(10의 6 제곱)에 해당하는 '메가(Mega)'와 화소를 의미하는 '픽셀(pixel)'이 합쳐진 것으로, 디지털 카메라나 스마트폰 등에서 이미지를 촬영할 때 중요한 역할을 합니다. 메가픽셀 수가 높을수록 이미지의 해상도가 더욱 상세하게 나타나며, 색감이나 명암 대비 등의 성능도 더욱 우수해집니다.

스마트폰을 구매할 때, 우리는 메가픽셀 수를 중요시 여깁니다. 이는 스마트폰으로 촬영한 사진이나 영상이 얼마나 선명하고 자세하게 나타나느냐를 결정하는 중요한 요소 중 하나입니다. 예를 들어, 108Mp는 1억 8백만 화소, 50Mp는 5천만 화소를 뜻하는데, 픽셀(화소)은 이미지를 구성하는 최소 단위입니다. 화소수가 많을수록 이미지가 더욱 상세하고 정밀해집니다. 이것을 '고화소' 또는 '고해상도'라고 표현하며, 고화소일수록 고해상도의 이미지 촬영이 가능합니다.

삼성전자는 최근 출시한 '아이소셀 HM3' 제품에서 픽셀 크기를 0.8 마이크로미터로 설정했습니다. 이는 10만 분의 8 센티미터 또는 1000만 분의 8미터에 해당하는 매우 작은 크기입니다. 그러나 픽셀 크기가 작다고 해서 무조건 나쁜 것은 아닙니다. 오히려 작은 픽셀 크기는 더 많은 픽셀을 담을 수 있어서 고화소의 이미지를 촬영할 수 있는 장점이 있습니다. 물론, 픽셀 크기가 작을수록 노이즈와 같은 문제가 발생할 가능성도 있으므로, 여러 요인을 고려해서 최적의 픽셀 크기를 선택하는 것이 중요합니다.

 

보통 사람의 머리카락은 40~70 마이크로미터 두께입니다. 08 마이크로미터 픽셀이 얼마나 작은지 상상해 볼 수 있을까요?

해상도와 수광 면적(빛을 받아들이는 면적)을 결정하는 픽셀이 같은 크기의 이미지 센서일 때, 픽셀 크기가 작을수록 더 많은 픽셀을 담을 수 있습니다. 이는 이미지의 세부 정보를 더욱 자세히 담을 수 있게 하며, 깊이와 세부성을 높입니다. 또한, 같은 크기의 이미지 센서라면 픽셀이 작을수록 더 높은 해상도를 구현할 수 있습니다. 이는 이미지의 품질을 높이며, 더욱 선명하고 섬세한 이미지를 제공합니다.

같은 픽셀 숫자를 가진 이미지 센서의 경우, 픽셀 크기에 따라 센서 크기가 다르게 결정됩니다. 즉, 픽셀이 크다는 것은 빛을 받아들이는 면적(수광 면적)이 넓어진다는 의미입니다. 이는 이미지를 더욱 밝고 선명하게 만들어주며, 노이즈를 최소화하여 고화질 이미지를 제공합니다. 따라서, 수광 면적이 커지면 노이즈가 적은 고화질 이미지를 촬영할 수 있기 때문에, 해상도와 수광 면적을 모두 최적화할 수 있는 픽셀 크기의 결정이 중요합니다.

이미지 센서를 선택할 때, 픽셀 크기와 수광 면적을 고려하여 최적의 조합을 찾는 것이 중요합니다. 이를 통해 더욱 섬세하고 선명한 이미지를 제공할 수 있습니다.

이미지 센서의 크기를 언급할 때 보통 1/1XX와 같이 분수로 표현된 수치를 볼 수 있습니다. 이는 이미지 센서의 실제 대각선 길이가 아닌 빛이 하는 영역을 나타내는 Optical format이라는 개념입니다. 카메라 모듈을 만들 때 이미지 센서를 이용하고 거기에 렌즈를 연결합니다. 이때, 카메라 외부에 있는 렌즈가 상호작용할 수 있는 영역의 지름을 Optical format이라고 합니다.

이미지 센서에 대한 이전의 설명은 이미 충분했지만, 추가적으로 이미지 센서를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 요인이 있습니다. 예를 들어, 이미지 센서의 기능성, 성능, 가격 등이 있습니다. 이를 고려하여 최적의 이미지 센서를 선택할 수 있습니다. 또한, 이미지 센서에 대한 다양한 기술 발전과 함께, 더욱 발전된 센서 기술을 기대할 수 있습니다. 이러한 발전은 이미지 촬영 분야에서 더욱 많은 가능성을 제공할 것입니다.

 

왜 이미지 센서 대각선 길이보다 Optical format이 길 까요?

그 이유는 렌즈가 이미지 센서를 완전히 덮지 않으면 어두운 모서리가 생길 뿐만 아니라, 이미지의 주변부 빛이 줄어들어 비네팅(Vignetting) 현상이 발생하기 때문입니다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 Optical format의 최소 길이를 도출해야 하는데, 이를 위해서는 사용하는 수식이 있습니다. 이 값은 일반적으로 이미지 센서 대각선 길이의 약 1.5배에 해당합니다. 예를 들어, 6.4mm x 4.8mm 센서가 1/2인 칩(12.7mm)이라고 할 때, 해당 센서에 맞는 Optical format의 값은 이미지 센서 대각선의 약 1.5배인 12mm와 유사한 수치입니다.

또한, 이러한 비네팅(Vignetting) 현상을 방지하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 렌즈의 광학적 품질을 높이는 것도 중요하지만, 렌즈의 디자인과 제작 방법도 영향을 끼칩니다. 렌즈의 디자인과 제작 방법을 최적화하여 비네팅(Vignetting) 현상을 최소화할 수 있습니다. 또한, 디지털 후처리 기술을 사용하여 Vignetting 현상을 보정할 수도 있습니다. 이를 통해 더욱 선명하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

 

3. 반도체가 제조되는 곳 "Fab"

반도체를 생산하는 시설을 '팹(Fab)'이라고 부릅니다.

Fab은 제조(Fabrication)를 의미하는 말로, 반도체 제조 시설을 가리킵니다. 반도체 생산 라인 내부는 클린룸(Cleanroom)으로 구성되며, 반도체 제조 공정에서는 아주 작은 먼지 입자 하나라도 들어가면 반도체 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문에 외부 환경과는 다른 매우 높은 수준의 청정도를 유지해야 합니다.

공간의 청정도를 나타내는 척도는 클래스(Class)인데, 클래스는 가로, 세로, 높이가 각각 1피트(foot)인 입방피트(cubic feet) 안에 0.5 마이크로미터 이상 크기의 입자 수가 얼마나 되는지를 나타냅니다. 예를 들어, 클린룸의 클래스가 1,000이라면, 0.5 마이크로미터 이상 크기의 입자가 1,000개 이하인 공간이라고 할 수 있습니다.

삼성전자 반도체 클린룸 내부에는 천장의 먼지를 걸러주는 고성능 필터가 있으며, 바닥에는 격자 모양의 미세한 구멍이 있어서 위에서 아래로 공기가 순환하는 구조를 통해 청정한 환경이 유지됩니다. 생산 환경에 최적화된 라인 내부로 들어가기 위해서는 근무자 역시 특별한 복장인 '방진복'을 착용해야 하는데, 방진복은 먼지 등 미세한 입자들이 빠져나가지 않게 하는 기능은 물론, 반도체 집적회로에 영향을 줄 수 있는 정전기를 방지하는 기능도 갖추고 있습니다.

반도체는 3주 이상의 기간 동안 8대 공정으로 대표되는 단계들을 수백 차례 진행하면서 만들어집니다. 이 과정에서 웨이퍼가 넓은 Fab 안에 있는 다양한 설비들로 효율적으로 이동할 수 있도록 해주는 것이 FOUR(Front Opening Unified Pod/Front Opening Universal Pod)과 OHT(Overhead Hoist Transport)입니다.

FOUP 웨이퍼를 보관하거나 안전하게 이동할 수 있게 고안된 용기로 웨이퍼 배송 전용 상자이고, 이 상자를 필요한 곳으로 이동시켜 주는 배송 차량이 바로 OHT입니다. OHT는 Fab 천장에 도로처럼 설치된 레일을 따라 웨이퍼가 담긴 FOUP를 필요한 설비로 빠르게 자동으로 운송하는 역할을 합니다. OHT 시스템은 자율 주행 시스템과 유사한데, 이동 시 기기 간 충돌을 방지하고 장애물을 감지할 수 있는 센서가 탑재돼 있어 위험이 발생할 경우 자동으로 감속해 안전한 이동이 가능합니다. 반도체 라인의 생산 효율성은 OHT를 통해 크게 향상시킬 수 있기 때문에 반도체에서는 중요한 역할을 합니다.

 

4. 전력 효율 최고 "저전력 반도체"

전력 소모 및 열 발생이 적어 데이터 센터 전체의 전력 효율을 최적화할 수 있는 방법이 바로 '저전력 반도체'입니다.

현재 5G, 인공지능, 사물인터넷 등의 기술이 급속도로 발전하고 있습니다. 이러한 발전에 따라 유튜브나 OTT 등의 영상 플랫폼 사용이 일상화되면서 엄청난 양의 영상과 사진들이 데이터 센터에 저장됩니다. 이러한 데이터의 양은 더욱 빠르게 증가하고 있으며, 이를 처리, 저장하고, 소비자들에게 끊김 없이 제공하기 위해서는 데이터 센터가 24시간 가동되어야 합니다. 그리고 데이터 센터의 가동을 위해서는 많은 양의 전력이 필요합니다. 이러한 전력은 데이터 센터의 전체 전력 중 상당 부분을 차지하고 있으며, 이는 전 세계적으로 해결해야 하는 문제로 대두되고 있습니다.

데이터 센터의 전력 소모를 최대한 줄이는 것이 전 세계적으로 해결해야 하는 문제로 대두되고 있습니다. 데이터 센터의 전력 폭증을 해결할 수 있는 방법으로 주목받고 있는 것이 바로 '저전력 반도체'입니다. 전력을 덜 소모하고 열 발생이 적어 데이터 센터 전체의 전력 효율을 최적화할 수 있기 때문입니다.

기존에는 데이터 센터 서버에서 주로 HDD(Hard Disk Drive)를 사용했는데, 2000년대에 등장한 SSD(Solid State Drive)는 HDD보다 성능은 뛰어나면서도 소비 전력과 발열이 적은 장점 때문에 HDD를 대신하는 최적의 데이터 센터 솔루션으로 자리 잡고 있습니다. 하지만 인류가 만들어내는 데이터의 양은 엄청난 속도로 증가해 2025년에 축적되는 데이터가 2018년까지 쌓인 데이터 대비 5.3배나 증가한 175ZB(제타바이트)에 달할 것으로 예상되고 있습니다. 이에 따라 데이터 센터 전력 효율의 중요성은 계속해서 커지고 있습니다.

삼성전자 반도체는 SSD의 전력 효율을 최대로 끌어올리고 자 SSD가 작동할 때 불필요하게 소모되는 '잉여 전력' 요소를 찾아내고, 온도가 어떻게 변화하는지도 모니터링해 최대한 발열을 줄일 수 있는 기술도 개발하고 있습니다. 이처럼 저전력 반도체를 사용하면 에너지를 큰 폭으로 절약할 수 있고, 그에 따라 온실 가스 배출량도 저감 할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 데이터 센터의 전력 효율을 높이기 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있습니다. 예를 들어, 인공지능 기술을 활용해 데이터 센터의 전력 사용량을 최적화하는 방법이 연구되고 있으며, 냉각 시스템 기술 개발도 이루어지고 있습니다. 이처럼 데이터 센터 전력 소모를 최소화하기 위한 기술적인 노력이 계속해서 이루어지고 있습니다.