[시스템반도체] "시스템반도체 용어 총정리"

4차 산업혁명이 도래하면서 5G, 자율주행 등 시스템반도체의 비중이 점점 커지고 있습니다. 시스템반도체는 우선 그 종류가 매우 다양합니다. 오늘 국내 기업에서 다루는 시스템반도체 제품들을 간략하게 다루어보는 시간이 되겠습니다.

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[질문 1]. 시스템반도체의 정의가 무엇인가요.

시스템반도체는 정보를 저장하는 메모리반도체와 달리 중앙처리장치 CPU 처럼 데이터를 연산, 제어, 처리하는 비메모리 반도체입니다. CPU처럼 특수한 기능을 하기 때문에 고도의 회로설계 기술이 요구됩니다. 시스템반도체는 중앙처리장치, 멀티미디어 반도체, 주문형반도체, 복합형 반도체, 전력반도체, 개별소자, 마이크로프로세서 등 메모리 이외의 모든 반도체를 시스템반도체로 칭합니다. 시스템반도체는 종류가 매우 다양하며, 제품별로 기술집약적인 요소가 강해 소량생산 함에도 불구하고 많은 이익을 남길 수 있는 비즈니스입니다. 향후 5G, 자율주행차, 사물인터넷 등 4차 산업혁명이 본격화 되면서 보다 새로운 수요가 늘어날 것으로 전망됩니다.

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[질문 2]. 시스템반도체의 종류에 대해서 말씀해주세요.

시스템반도체는 Micro components 마이크로 컴포넌츠, Analog IC, Logic IC 크게 세 개로 분류할 수 있습니다. 마이크로 컴포넌츠는 각종 전자기기 작동에 필요한 수많은 명령어를 담고 있는 시스템반도체, MPU, MCU, DSP가 있습니다. Analog IC는 소리나 온도 등과 같이 연속적으로 변화하는 아날로그 신호를 전기신호로 변환하는 시스템 반도체입니다. Logic IC는 AND, OR 등 로직 게이트 회로를 집적한 시스템 반도체입니다.

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[꼬리 2.1] Mirco Processor Unit, MPU에 대해서 설명해주세요.

MPU는 Micro Processer Unit으로 컴퓨터의 중앙처리장치 Central Process Unit, CPU를 대규모 집적화 (Large Scale Integration, LSI)한 것입니다. CPU는 컴퓨터나 전자기기에서 기억, 해석, 연산, 제어 등의 4대 핵심 기능을 수행합니다. 그리고 전자기기나 산업용으로 소형화된 CPU를 Micro Processer Unit, MPU라고 부릅니다. 

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[꼬리 2.2] Graphic Processor Unit, GPU에 대해서 설명해주세요.

GPU는 컴퓨터 그래픽을 처리하는 시스템반도체입니다. 부동소수점 실수 연산과 벡터연산에서 CPU를 초월하는 10배 이상의 성능을 가집니다. 초기에는 Display Processer, DP, 그래픽 프로세서로 불렸으나 CPU가 기록한 비디오 램의 데이터를 베이스로 화면을 출력하거나 직접 이미지 파일을 화면으로 출력하는 단순한 기능이어씅나, 현재는 3D 지오메트리 연산과 조명 연산을 자체적으로 지원하면서 펠리에티 속도를 개선하고 조명, 텍스처링, 픽셀 셰이딩, 블렌딩, 안티에일리어싱 같은 후처리 등 그래픽 연산을 전담하게 되면서 GPU로 불리게 되었습니다. 

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[꼬리 2.3] Micro Controller Unit, MCU에 대해서 설명해주세요.

MCU는 CPU에 이어 ROM과 RAM까지 하나의 칩 안에 내장한 것으로 하나의 컴퓨터라고 볼 수 있습니다. CPU나 MPU는 특정 목적의 기능을 수행하는 소프트웨어를 이식해서 다양한 기능을 구현할 수 있습니다. 즉, 중앙처리장치를 하나의 칩으로 구현한 것입니다. MCU는 메모리반도체까지 칩 안에 내장 시킴으로써 MCU 칩 자체가 하나의 컴퓨터 기능을 수행한다고 볼 수 있습니다. 그래서 One-Chip 컴퓨터, 혹은 마이콤이라 불리기도 합니다. 

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[꼬리 2.4] Digital Signal Processor, DSP에 대해서 설명해주세요.

디지털 신호를 장치가 빠르게 처리할 수 있도록 지원하는 반도체를 DSP라고 합니다. 메인 프로세서를 대신해 여러 복잡한 연산들을 진행하는 데 있어 특화된 프로세서입니다. 간략하게 설명하자면, DSP는 CPU 옆에서 연산을 도와주는 장치로 계산에 특화되어 있습니다. 그래서 특수하게 빠른 연산이 요구되는 모든 곳에 DSP가 탑재됩니다. 예를 들면 실시간 처리, 항공기, 유도탄, 레이더 등 디지털 회로가 장착된 시스템에 들어가는 프로세서입니다. DSP는 Analog IC를 통해 디지털 신호로 변환된 음성 신호를 가공하는 기능도 수행합니다.

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[질문 3]. Analog IC의 종류에 대해서 설명해주세요.

Analog IC는 빛, 소리, 온도와 같이 연속적인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 반도체입니다. 아날로그 반도체는 어떤 신호를 디지털 신호로 변환하냐에 따라서 분류됩니다. 전력을 변환하는 전력반도체, 카메로 렌즈로 들어온 영상정보가 담긴 빛을 변환하면 이미지 센서, 스마트폰 액정에 적용된 물리적 압력을 변환하는 Touch Controller 등이 있습니다. 

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[꼬리 3.1] Power Management IC, PMIC 전력반도체에 대해서 설명해주세요.

전력반도체는 전력을 변환, 처리, 제어하는 반도체 IC입니다. 여러 IC의 전압과 화면 상태 등을 복합적으로 제어하는 시스템반도체로 베터리로 동작하는 모든 장비들이 최소한의 전력으로 구동할 수 있게 함으로써 전력을 효율적으로 분배하고 관리하여 배터리 구동 시간을 늘리기 위해 많이 사용됩니다. 즉, 전자기기 내 주요 칩에 사용되는 전력을 총괄하는 반도체라고 할 수 있습니다.

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[꼬리 3.2] Image Sensor, 이미지센서에 대해서 설명해주세요.

이미지 센서는 영상정보가 담긴 빛이 카메라 렌즈로 들어오면, 빛을 디지털 신호로 변환하여 이미지로 출력하는 반도체입니다. 이미지 센서는 포토다이오드를 집적시킴으로써 제작합니다. 스마트폰용 카메라 뿐 아니라 스마트 TV, 촬영장비, 보안시스템 등에서 많이 사용되고 최근에는 자율주행차, 사물인터넷에서 수요가 급증하고 있는 핵심 반도체입니다. 이미지 센서는 포토다이오드의 신호 전송 방식에 따라 CIS와 CCD로 구분됩니다.

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[꼬리 3.2] CMOS Image Sensor, CIS에 대해서 설명해주세요.

CMOS Image sensor는 CMOS 구조를 가진 저전력 이미지 센서로 영상정보를 포함한 빛이 센서로 들어오게 되면, 픽셀에서 자체에서 '바로' 전압으로 변환하여 신호를 증폭시킴으로써 이미지를 출력합니다. CIS는 집적도가 높고 CMOS의 장점인 전력소비량이 적어 베터리 수명이 중요한 스마트기기 시장에서 수요가 많습니다. 또한 병렬방식의 데이터 전송으로 영상처리속도가 매우 빠릅니다. 색 표현이 떨어지고 노이즈가 상대적으로 크다는 단점이 있었지만, CMOS 기술의 발달로 상당부분 개선된 것으로 알고 있습니다. 

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[꼬리 3.3] Charged Coupled Device, CCD에 대해서 설명해주세요.

CCD는 이미지 센서는 빛에너지로 발생된 전하를 '축적'한 후에 전송 최종단에서 전하가 전기적 신호로 증폭되어 전환됩니다. 포톤에 의해 각 셀 내의 자유전하량의 변화를 전기적 신호로 변환하는 구조입니다. CCD 내부에 Photo diode가 photon을 count하고 전하로 바꾸어주는 역할을 수행합니다. CCD는 선명한 화질과 섬세한 색상 구분이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 noise가 적고 칩 크기가 작습니다. 하지만 CMOS 대비 소비전력이 높고 회로가 복잡하여 고가입니다. 그리고 각 셀의 Photo active 영역에 축적된 전하가 shift register에서 차례대로 전송되기 때문에 영상처리속도가 느리다는 단점이 있습니다.

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[질문 4]. Logic IC의 종류에 대해서 설명해주세요.

Logic IC는 AND, OR 같은 게이트 회로를 집적한 반도체입니다. 로직 IC는 범용(Standard) IC와 전용(Special) IC로 분류됩니다.  범용 IC에는 DDI, T-CON, Media IC, FPLDs가 대표적입니다. DDI는 Display Driver IC로 디스플레이를 구동하는 수많은 픽셀들을 조정하여 다양한 색을 구현하는 디스플레이 구동칩입니다. 전달받은 신호를 RGB 아날로그 값으로 전환하여 디스플레이 패널에 전달해 영상을 구현합니다. T-CON은 Timing Controller 입니다. DDI가 디스플레이 패널을 구동할 수 있도록 각종 제어신호 및 데이터를 생성하는 IC입니다. 디스플레이의 CPU라고 볼 수 있습니다. 그리고 각종 미디어를 구현하는 Media IC, 직접 디바이스를 프로그래밍 함으로써 설계한 회로를 반도체 칩 상에 구현할 수 있는 Field Programmable Logic Device, FPLDs 등이 있습니다. 전용 IC는 스마트폰이나 디지털 TV의 CPU 역할을 하는 Application Processor, AP 반도체가 있습니다. 스마트폰 반도체 중 가장 기술집약적인 반도체입니다. 이외에 차량용 반도체를 전용 IC로 분류할 수 있습니다. 

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시스템반도체에서 주로 사용되는 용어에 대해서 정리해보았습니다. 앞으로 공부하시는데 참고하시길 바라겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
From 교관 홍딴딴