SoC 기술동향 및 시장 전망
1. 개요
휴대폰을 비롯한 PDA, 디지털TV, 스마트폰 등 각종 디지털 정보기기들이 인터넷 접속이나 컴퓨팅 기능을 원활하게 구현하기 위해 마이크로프로세서, 네트워킹 칩, 메모리 등의 많은 반도체 칩을 필요로 하고 있다. 또한 정보기기의 양상이 점차 복합 다양화되는 추세를 보이고 있는 가운데, 제품간의 융합은 더욱 진전될 것으로 전망됨에 따라 하나의 정보기기 안에는 보다 많은 반도체 칩이 필요하게 될 것이다.
이처럼 각종 부품을 하나의 반도체 칩에 집적시킴으로써 향후 반도체뿐만 아니라 개별 부품을 모두 원칩화하기 위한 기술로 등장한 것이 SoC(System on Chip)로서 주로 연산소자와 I/O, 로직, 메모리 등으로 구성된다. 컴팩트하고 통합도가 높은 SoC는 고성능, 저소비전력 등을 특징으로 하기 때문에 핸드헬드 정보단말이나 민생기기용에 적합한 솔루션으로 주목받고 있다. 현재는 LSI 기반으로 마이크로프로세서와 메모리 등을 통합하는 데 초점이 맞춰지고 있으나 궁극적으로 초정밀가공기계기술(MEMS)과 합쳐질 전망이다.
SoC는 마이크로프로세서와 DSP(Digital Signal Processor), 메모리, 베이스밴드 칩, 소프트웨어 등을 하나의 칩 안에 집적시켜 칩 자체가 하나의 시스템으로 기능할 수 있도록 한 것으로 디지털기기의 확산에 따라 높은 성장이 예상된다. 최근 인텔이 발표한 GSM/GPRS 통합칩 솔루션은 베이스밴드 칩과 DSP, 애플리케이션 구동용 마이크로프로세서, 플래시메모리를 하나로 통합한 것으로서 개별 칩에 의한 구성에 비해 저렴한 가격과 휴대폰 크기의 축소, 연장된 배터리 수명 등을 특징으로 하고 있다. 이 같은 장점 때문에 휴대폰 뿐 아니라 PDA, 휴대용 미디어 단말기, 홈 네트워크 서버 등 앞으로 수요가 크게 늘어날 각종 디지털 기기에서 SoC의 채택은 더욱 확대될 것으로 예상되고 있다.
반도체 산업은 물론 IT산업 전반에 걸쳐 상당한 파급효과를 가져올 것으로 기대되고 있는 SoC는 시스템 구성에 필요한 메모리와 비메모리를 하나로 집적시킴에 따라 칩 제조업체들간의 기존 영역 구분을 허물고 있으며 기술 및 시장확보에 더욱 치열한 경쟁 양상을 나타낼 것으로 보인다. 특히 SoC개발을 위해서는 나노미터(nm)급 초미세 회로공정 기술 확보가 필수적이므로 대규모 투자와 기술개발 능력이 필요하며, 종래 반도체 제조공정 위주의 생산 방식에서 벗어나 앞으로는 IP(Intellectual Property) 확보와 소프트웨어 개발이 중심이 되는 SoC설계분야에 대한 투자가 쟁점이 되고 있다.
2. SoC 기술 및 산업동향
가. SoC 설계기술
SoC 개발을 위해서는 장기적인 설계기간과 다양한 기능이 요구되는데, 표준화된 기능 블록을 확보함으로써 적은 개발비용으로 대규모 회로를 용이하게 개발할 수 있는 IP가 필수적이다.
IP는 SoC 설계에서 공동으로 재사용할 수 있는 지적재산 기능 모듈로서, 개발된 상태에 따라 soft IP, firm IP, hard IP로 구분된다. IP 활용시의 설계 효율성이 미활용시보다 5~10배의 차이를 보이므로 대단위 SoC에 대한 신속한 개발을 위해서는 IP 활용여부가 주요한 관건이 되고 있다.
현재 반도체 업계에서는 향후 10년 내에 50nm, 1V 이하에서 동작하는 40억 개 이상의 트랜지스터가 내장된 10GHz대 SoC의 상용화를 예측하고 있는 가운데, 다양한 종류의 SoC가 IT산업 전반에 걸쳐 개발, 응용되고 있으나 동시에 이에 따른 효율적인 설계방법이나 검증에 어려움을 겪고 있다.
최근 들어 종래의 SoC 설계방식이 안고 있는 문제점을 감소시키는 새로운 방법의 플랫폼 베이스 설계기술은 설계 코스트와 기간의 절감, co-verification 등의 측면에서 높은 융통성과 PnP(plug and play)방식 등으로 앞으로의 SoC설계방법에 기본수단이 될 것으로 전망되고 있으며, 다양한 ASDP(Application-Specific Design Platform)가 나타날 것으로 보인다.
○ 플랫폼 베이스 설계기술
- General-Purpose Platform(GPP)
플랫폼 베이스 설계는 플랫폼에 custom-IP, 코어(core)에 OS를 상주시켜 애플리케이션 프로그램을 쉽게 올릴 수 있고, 모든 설계레벨의 IP를 재사용할 수 있다는 점과 테스트가 용이하다는 등의 장점이 있으나 플랫폼 자체가 scalable하지 않다는 단점이 있다.
PC를 예로 들면 H/W 플랫폼이 마더보드(motherboard)이고 S/W 플랫폼은 BIOS가 되며, 표준화된 내부 및 외부 버스, 그리고 직병렬 포트 등으로 구성된다. 또 다른 것으로 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 들 수 있는데, FPGA는 표준화된 로직블럭으로 규칙적인 구조를 가지며 프로그래머블한 점에서 플랫폼이 될 수 있다. 그러나 사용효율이 다소 낮고 동작속도도 ASIC(Application-Specific IC)보다 낮지만 재사용이 가능하고 개발기간이 대단히 짧다는 장점이 있다.
- Application-Specific Design Platform(ASDP)
특정용도의 SoC 플랫폼은 개발 방향에 부합되도록 제품군의 개발계획이나 로드맵에 따라서 제작되어야 하고 제품의 아키텍처 구성이 잘 이루어져야 한다. 또한 기본적으로 완전한 IP검증 전략과 설계 기준이 필요하며, 완벽한 S/W 개발환경이 지원되어야 한다. 현재 소개된 ASDP로는 STMicro의 포켓 멀티미디어 플랫폼, Tality의 블루투스(Bluetooth) 플랫폼 등 몇가지 상용화 제품들이 있다.
ASDP 개발을 위한 하드웨어로는 CPU에 ARM/MIPS, DSP, CPU+DSP가, 버스로는 RamBus, AMBA 등이, 인터페이스로는 PCI, UART, PCMCIA, 802.11 그리고 메모리에는 Flash, DRAM, SRAM 등을 선택할 수 있다. 특히 미래의 개발모델을 대비해서 플랫폼 자체가 scalable 해야 사용자에게 설계 적응도가 높아진다. (그림2)는 플랫폼으로 SoC를 설계할 때 H/W 및 S/W IP가 모여서 co-design되는 모양을 보여준다.
앞으로 IP 재사용 설계는 플랫폼 베이스 설계로 방향을 전환하고 있으며, 이에 따라 플랫폼 자체에 새로운 IP를 추가하고 확장성을 제고해야 하며, 표준 플랫폼 보다는 특정용도의 SoC에 맞는 ASDP가 선호될 것으로 보인다.
나. 국내외 SoC 산업동향
컴퓨터ㆍ통신ㆍ방송의 융합으로 진전되고 있는 IT 산업에 있어서 각종 시스템이나 기기들이 복합적이며 다양한 기능향상에 따라 단순기능의 ASIC에서 복합 고성능의 SoC로 진화되고 있다. 또한 경박단소화 및 고기능화에 따른 IT 제품의 경쟁력은 핵심 기술이 집약된 SoC 채용여부에 크게 좌우되고 있다. 특히 제품의 적기 출시를 위해서는 SoC 하드웨어가 객체화된 IP를 조합하여 결합하는 형태로 설계방식이 변화하고 있고, 칩에 내장되는 임베디드 S/W의 중요성 또한 크게 부각되고 있다.
전세계적으로 지속되는 경기침체와 더불어 반도체 경기의 회복 속도가 완만하게 진행되는 가운데, 메모리 및 비메모리의 구분없이 새로운 영역으로 등장한 SoC 분야에 있어서 세계 유수의 반도체 경쟁사들의 제품개발과 시장전략이 급속하게 진전되고 있는 실정이다.
인텔이나 Texas Instrument, 퀄컴과 같은 비메모리 분야의 대표주자들은 CPU와 DSP 등의 주력 기술을 내세워 메모리까지 통합한 차세대 모바일 SoC를 잇따라 출시하고 있으며, 부족한 기술력은 대규모 인수 합병이나 강자들간의 기술제휴로 해결하고 있다.
또한 최근 수 년간 IC 설계에 있어서 높은 기술력과 확고한 경제적 베이스를 지닌 대만기업의 SoC개발분야 참여도 괄목할 만한 성장을 보이고 있다. 민생기기나 인터넷 정보기기 제품용이 주류인 SoC 솔루션은 PC 관련 제품과 비교할 때 아직은 세력이 약하지만 대만기업들은 유연성이 풍부한 SoC 솔루션 개발 프로세스에 많은 경험을 갖고 있다.
발전도상의 대만 SoC 반도체 산업계에 세계 IP 및 코어 솔루션 벤더로부터의 파트너 요청이 지속되고 있다. 작년에 대만에 오피스를 개설한 미국의 밉스 테크놀러지사는 TSMC, UMC 등의 대만기업과 8개의 라이센스 계약을 체결하였으며, 현재 대만 벤더들에게 가장 대표적인 애플리케이션으로는 무선LAN과 네트워킹 제품들이 중심이 되고 있다.
그밖에 싱글칩 솔루션을 저가이며 고기능의 DVD 기기용이나 LCD 모니터 애플리케이션용으로 제품화하고 있으며, 박형 TV, 차량 PC용, 포터블 단말용 등이 제안되고 있다.
한편, 국내 반도체 산업계에서도 D램산업에서 쌓아올린 설계, 공정, 재료 기술을 바탕으로 300mm웨이퍼시대를 열었으며, 90nm급 초미세회로공정 기술도 확보해 놓고 있다. 삼성전자는 D램과 플래시메모리 등에서 쌓은 미세회로설계 및 공정기술을 바탕으로 PDA에 적용할 수 있는 모바일용 SoC를 개발, MS사로부터 전략적 제휴 업체로 선정되었으며, LG 전자는 홈네트워크 시대를 미리 예견하고 1990년대 중반부터 디지털 TV용 SoC 개발에 힘을 쏟아 높은 수준의 기술력을 확보하고 있다. 이오넥스 같은 벤처기업에서도 퀄컴에 도전할 3세대 휴대폰용 베이스밴드칩을 내놓고 차세대 단말기 개발을 진행중이다. 그밖에LCD구동 드라이버IC, 카메라폰용 애플리케이션 IC 등은 국내 벤처기업이 개발한 제품으로 우수한 성능을 보이고 있다.
3. SoC 시장 현황 및 전망
가. 전세계 SoC 시장 현황
SoC가 1997년 ITRS(국제반도체기술로드맵)에서 기술지표로 소개된 이래, 많은 반도체 벤더들에게 있어서 SoC 애플리케이션 개발이 사업의 중핵으로 등장하고 있다.
시장조사회사인 Dataquest 등에 따르면 2002년 세계 IC시장 총 생산액은 1,400억 달러로서 이 가운데 SoC 솔루션이 전체의 16.8%에 상당하는 127억 달러를 차지하고 있는 것으로 분석하고 있다. 시장분석에 의하면 2003년 세계 SoC 솔루션 시장의 생산액은 298억 달러(반도체시장 점유율은 19.1%)에 달할 것으로 보이며, 2004년 및 2005년에는 각각 391억 달러(21%), 460 억 달러(24.6%) 규모에 달해 순조로운 시장 확대가 진행될 것으로 예측하고 있다.
나. SLI/SoC 제조업체 현황
SLI(System-level Integration)/SoC 제품 생산을 리드하고 있는 업체들은 이미 오래 전부터 칩 설계 방법, 셀 라이브러리 및 코어제품, 핵심 제조 공정, 고효율의 핀 패키지, 지식 시스템, 트랙 기록, 서비스, 디자인 통합 툴 등 다양한 분야에서 꾸준하게 투자를 지속시켜 오고 있다. LSI Logic, VLSI Technology 그리고 IBM 등과 같은 회사들은 일찍부터 고유의 설계 기술을 사용하여 차별화된 제품을 출시해 왔다.
<표 1>에 매출액에 따른 SLI/SoC 주요 공급업체 현황을 나타내었으며, 표에서 나타난 바와 같이 극히 일부 업체들만 ASIC과 ASSP(Application-Specific Standard Product)분야에 모두 들어 있다. 그러나 앞으로는 이 분야 주요 공급업체들이 양쪽에 대한 중요성을 인식하기 시작함에 따라 ASIC/ASSP 모두에 참여하게 될 것으로 보인다.
다. 향후 전망
Gartner에서는 SLI/SoC가 2001년의 210억 달러에서 2006년까지 500억 달러 이상의 성장을 보이는 반도체 시장의 한 부문이 될 것으로 전망하고 있으며, 마이크로프로세서 코어가 SLI/SoC 시장 발전의 핵심 역할을 할 것으로 보고 있다.
SLI(System Level Integration)는 Gartner에서 정의하는 개념으로서 SoC에 S/W설계까지 포함한 넓은 의미로 사용하고 있으며, 연산엔진(마이크로프로세서 코어, DSP 코어, MPEG 코어, 그래픽 코어 등), 메모리, 로직 등을 하나의 칩에 포함하고 있는 특정 애플리케이션 전용으로 사용되는 IC를 뜻한다. SLI의 두가지 유형에는 ASIC과 ASSP가 있다.
(그림 4)에서 보이는 바와 같이 SLI/SoC 시장을 주도하는 애플리케이션은 셀룰러 폰 부문으로서 2001년의 하락세에서 2002년부터 회복세를 보이기 시작하고 있다. 셀룰러 폰 시장이 이처럼 SLI/SoC 기기를 주도하고 있는 것은 최대 볼륨의 애플리케이션이면서 모든 셀룰러 폰에 온 칩 마이크로프로세서 코어와 DSP 코어가 내장되기 때문이다. 그밖의 SLI/SoC 수요처로는 비디오 게임, 스토리지 그리고 셋톱 박스 등이 있다.
SLI/SoC 시장의 절반 이상은 ASSP가 차지하고 있으며, 2006년에 이르러서는 전체의 3분의 2정도로 확대될 것으로 보인다. 각각의 애플리케이션 시장은 ASIC 시장으로 시작해서 표준들이 나옴으로써 ASSP로 이동하는 양상을 보이고 있다. 특히 디지털 셀룰러 폰 부문의 경우 각 세트마다 온 칩 프로세서 코어가 내장되는 특성 때문에 2001년 전체 SLI/SoC 시장의 4분의1에 가까운 가장 큰 규모를 차지하였는데 2006년에는 이 같은 양상이 더욱 두드러질 것으로 예상되고 있다.
한편, 임베디드 프로세서 코어들이 앞으로 ASIC/SoC을 비롯한 전체 반도체 산업에 주요한 영향을 미치게 될 것으로 예상되고 있다. 최근 10년 안에 ASIC 시장은 프로세서 코어가 내장된 설계가 3분의 1 이상에 달하고 있는 추세로서 이 같은 양상은 시작 단계에 불과하며, 2010년까지는 전체 ASIC 설계의 3분의 2가 프로세서 코어를 갖게 될 것으로 전망하고 있다. 칩당 단일 프로세서 코어에서 다중 프로세서 코어로 옮겨가면서 새로운 애플리케이션들이 부상하고 있는 가운데, 여전히 단일 프로세서 코어의 ASIC이 남아있기는 하겠지만 다중 프로세서 코어 설계의 증가와 더불어 반도체 산업도 하나의 칩상에서 구현되는 다중 시스템으로 이동되어가면서 퍼포먼스도 증대될 것으로 기대되고 있다.
그밖에 임베디드 프로세서 코어를 적용시킨 제품으로는 PLD(Programmable Logic Device) /FPGA(Field Programmable Gate Array)가 있으며, 2002년 처음으로 프로세서 코어가 내장된 PLD/FPGA가 출하되었다. 프로세서 코어가 내장된 PLD는 가격구조나 설계에 있어 ASIC이나 ASSP과 다른 양상을 보이고 있는데, PLD/FPGA 설계가 낮은 위험도와 시간절감 등의 장점 때문에 ASIC이나 ASSP에 비해 한걸음 앞서 가고 있으며, 이는 프로세서 코어 PLD가 프로세서 코어 기술 대량화를 가능하게 할 수 있다는 것을 의미한다. 2010년까지 프로세서 코어가 임베디드된 PLD가 전체 PLD 시장의 25%를 차지할 것으로 보인다.
4. 결론 및 시사점
메모리와 시스템 LSI(비메모리), 아날로그와 디지털 부품, H/W와 S/W 등 모든 기능을 하나의 칩에 담아 하나의 시스템으로 기능하는 SoC의 등장은 DRAM 반도체 이후의 대안으로 부각되기 시작하면서 반도체 산업은 물론 전세계 IT산업에 커다란 영향을 미치고 있다.
이는 SoC가 기존의 반도체 기술에서 한걸음 더 나아가 현재 거론되고 있는 각종 IT기술의 총체로 인식되고 있기 때문이다. 최첨단 기술인 나노기술은 물론 초정밀가공기계기술(MEMS), 300㎜웨이퍼 기술 등이 모두 SoC에 통합될 수 있으며, 이를 바탕으로 통신과 컴퓨팅의 융화를 한층 가속화시켜 일상생활이나 사무환경에 커다란 변화를 불러올 것으로 전망되고 있다.
어느 한 업체나 기술의 영역으로 구분짓기 어려운 SoC 시장에서의 경쟁구도는 더욱 복잡해질 전망이다. 무엇보다도 초소형 및 저전력 소비의 설계 기술 확보와 원가경쟁력의 유지가 시장경쟁에서 중요한 관건이 되고 있다. 새로운 애플리케이션들은 저렴한 소재와 저전력, 소형 및 높고 성능을 요구하고 있기 때문에 SoC 반도체 세트 제조업체들의 경쟁이 갈수록 치열해지고 있으며, 공정 기술 발달과 고집적화로 반도체 칩 수도 대폭 줄어들고 있다
앞으로 SoC 기술은 IT산업 전반에 걸쳐 지대한 영향을 미치게 됨으로써 IT 산업의 주요 기술 중 하나가 될 것으로 예상되고 있다. 주요 시장조사기관에 따르면 SoC 시장은 2004년까지 13억 개의 출하량과 2~3년 내에 200억 달러의 매출액을 달성할 것으로 보고 있다.
SoC의 중요성이 부각되면서 LSI로직, 인텔 등 많은 기업들이 SoC 기술 개발에 부심하고 있다. 일례로 SD급 디지털TV의 경우 디지털 방송 송수신 및 데이터 처리와 관련된 기능이 하나의 칩에서 구현되었으며, 단위 당 원가가 50달러 이상 절감된 것으로 알려져 있다. 반면 반도체 칩 하나를 개발하는 데 막대한 비용과 시간이 소요되는 만큼 위험요소들도 많다. 우선 SoC가 사용되는 정보기기는 아직 시장 초기단계이며 대중화까지는 다소간의 시일이 소요될 것으로 보인다. 뿐만 아니라 정보기기 분야의 빠른 기술 변화 주기는 제품 진화방향의 정확한 파악없이 상품화할 경우, 개발 완료 순간 시장에서의 경쟁력을 상실할 수 도 있다.
이미 성숙기에 들어서 전세계 메모리 반도체 시장에서 우위를 지켜나가고 있는 국내 반도체 산업은 오래전부터 SoC 등 비메모리 분야로의 육성에 대한 방향전환이 대두되어 왔다. 특히 IT 분야에서의 국가 경쟁력 확보를 위해서는 SoC 분야의 지원은 필수적인 것으로 인식되고 있다.
현재 국내 SoC 관련 경쟁력은 여러가지 측면에서 취약한 양상을 보이고 있는데, 특히 핵심적이라고 할 수 있는 IP 설계분야의 전문인력 부족과 함께 SoC 공정기술 확대를 위한 정보시스템 구축의 미비 등에 대한 개선책이 요구되고 있다. 또한, SoC 기술을 구현하기 위해서는 플랫폼 기반 칩 설계, HW/SW 공동 디자인, IP 재설계와 같은 설계 방법론적인 문제와 알고리즘, 실시간 OS 등 임베디드 S/W기술, 생산 및 테스트 엔지니어링 패키징 기술과 같은 구현 기술, IP 코어와 공정 기술 등 총체적인 기술력이 필요한 실정이다. 단기간내에 모든 기술력을 확보할 수는 없겠지만 IP 코어, S/W 디자인 하우스 등 세트 제조업체들과 반도체 벤더들간의 긴밀한 협력 관계가 강조되고 있다.
장기적인 SoC 산업의 육성방향은 시스템과 하드웨어, 소프트웨어를 커버할 수 있는 핵심 설계기술 인력 양성과 함께 시스템 중심의 대기업과 반도체 임베디드SW개발 중소업체들간의 협업이 가능하도록 전문교육과 산업 인프라를 얼마나 효율적으로 구축하는가에 달려 있다. SoC 산업을 앞세운 IT 분야에서의 경쟁력 확보를 위해서는 어느 때보다 더욱 대학, 기업, 연구소, 정부 등의 적극적인 협동체제가 필요한 시점이라고 할 수 있다.
<참 고 문 헌>
[1] ASIC/SOC : Rebuilding After the Storm, Gartner, 2002. 11.
[2] Microprocessor Cores Shape Future SLI/SOC Market, Gartner, 2002. 7.
[3] Platform-based SoC 설계방법, SIPAC Vol 2. No.5, 2002. 10.
[4] “臺灣の SoC産業,” 電波新聞. 2003. 5.
[5] System-on-Chip Seminar, Cadence Design Systems, 2001. 10.
[6] ETRI IT SoC지원센터, http://www.asic.net/
[7] 전자신문, http://www.etimesi.com
