시스템 온칩 (SoC)의 혁신: 미래를 이끄는 기술의 핵심

시스템 온칩 (SoC)의 혁신: 미래를 이끄는 기술의 핵심

시스템 온 칩(System on Chip, SoC)에 대해 이야기 합니다. 이는 하나의 직접회로에 집적된 컴퓨터나 전자시스템 부품을 가리키는 용어입니다. 이는 전체 시스템을 하나의 칩으로 구현한 기술집약적인 반도체라고도 설명할 수 있습니다. 간단히 말하자면, 다양한 기능을 가진 기기들로 구성된 시스템을 하나의 칩으로 축소시키는 기술입니다.

 

저는 이 글에서 시스템 온 칩이라는 용어가 편하게 느껴져서, 이하에서는 이 용어를 계속 사용하겠습니다. 시스템 온 칩에는 디지털 신호, 아날로그 신호, 혼성 신호와 RF 기능들이 단일 칩에 구현되어 있습니다. 주로 임베디드 시스템 영역에서 사용됩니다.

 

특정 응용에서 시스템 온 칩을 구현하지 못할 경우, 단일 패키지에 여러 칩을 구성한 단일 패키지 시스템(SIP)를 사용할 수 있습니다. 시스템 온 칩은 단일 면적에 제조되는 소자의 수가 많아지고 패키지가 단순화되어 생산 비용이 크게 감소하게 되는 장점이 있습니다. 이는 임베디드 시스템의 특징 중 하나입니다.

 

시스템 온 칩(System on Chip, SoC) 이란 무엇인가?

일반적인 시스템 온 칩의 구성 요소로는 하나 이상의 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호 처리기 코어, ROM, RAM, EEPROM과 플래시 메모리 중 일부가 포함된 메모리 블록, 진동자와 위상 고정 루프를 포함한 타이밍 발생기, 카운터 타이머, 실시간 타이머와 전원 초기화 발생기를 포함한 주변장치 등이 있습니다.

 

또한 범용 직렬버스, 파이어와이어, 이더넷, 범용 비동기 송수신, 직렬 주변장치 인터페이스 버스같은 산업표준 외부 인터페이스와 아날로그-디지털 변환회로와 디지털-아날로그 변환회로가 내장된 아날로그 인터페이스, 전압 레귤레이터와 전원 관리 회로 등이 내장되어 있습니다.

 

따라서, 이러한 하드웨어와 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호 처리기 코어, 주변장치와 인터페이스를 제어하는 소프트웨어로 구성되어 있습니다. 대부분의 시스템 온 칩은 사전에 검증된 하드웨어 블록을 서로 연결하고 동작을 제어하는 소프트웨어 드라이버를 추가하여 개발됩니다. 이때 가장 중요한 것은 범용 직렬 버스처럼 산업표준 인터페이스를 제어하는 프로토콜 스택입니다.

 

하드웨어 블록은 컴퓨터 지원 설계 도구를 사용하여 서로 붙이고, 소프트웨어 모듈은 소프트웨어 개발 환경을 사용하여 집적시킵니다. 설계 흐름의 핵심 단계는 에뮬레이션입니다. 하드웨어는 SoC의 동작을 흉내내는 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)기반 에뮬레이션 플랫폼에 연결되고, 소프트웨어 모듈은 에뮬레이션 플랫폼의 메모리에 기록됩니다.

 

한번 프로그램이 되면, 에뮬레이션 플랫폼은 SoC의 하드웨어와 소프트웨어를 실제 동작 속도에서 테스트하고 디버그하는 것이 가능해집니다. SoC 흐름은 하드웨어를 에뮬레이션한 후에 제조하기 이전에 직접회로 설계의 배치 및 배선 단계를 거칩니다.

 

반도체 칩은 외주로 생산하기 이전에 논리적 정황성을 검증하는 검증 과정을 거칩니다. 이 검증 과정을 ASIC 검증이라고 부릅니다. 이 검증에 사용되는 대표적인 하드웨어 기술 언어로는 베릴로그와 VHDL이 있습니다. 반도체 칩의 다양성이 증가하면서 시스템 베릴로그, 시스템 C, e와 오픈 베라같은 하드웨어 기술 언어가 사용되기도 합니다.

 

검증 단계에서 발견된 버그는 설계자에게 보고됩니다. 그리고 SoC는 표준 셀과 FPGA에 의하여 제조될 수 있습니다. AP라고도 불리는 애플리케이션 프로세서는 스마트폰, 태블릿에서 명령 해석, 연산, 제어 등 사람의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품(반도체)입니다.

 

명령해석, 연산, 제어 등을 하면서 PC나 컴퓨터와 달리 CPU(중앙처리장치)라고 부르지 않는 이유는 CPU의 기능 외에도 GPU와 설계에 따라 통신 칩(3G, 블루투스, 와이파이 등)과 USB와 같은 부가기능까지 하나의 칩에 포함시켜 놓는 칩셋의 형태로 구성되었기 때문입니다.

 

칩셋은 SoC(System on chip)이라고도 불리며, CPU와 GPU 등 칩 하나에 여러 기능을 집적시켜 모든 애플리케이션 구동과 시스템 장치 여러 인터페이스 장치 등을 제어하고 관리하는 장치입니다. 기존의 컴퓨터에 사용되는 칩 보다 부피를 줄이고 전력소모를 최소화 할 수 있게 되어, 한 손에 들고 다닐 수 있는 초소형의 컴퓨터 (스마트폰이나 태블릿)를 만들 수 있게 되었다고 합니다.

시스템 온 칩 구조

시스템 온 칩(System on Chip, SoC) 장점 

시스템 온 칩의 특징으로는, SoC는 일반적으로 멀티칩 시스템보다 소비전력이 적고 생산단가가 저렴하며 높은 신뢰성을 갖습니다. 또한 여러 패키지를 사용하는 시스템보다 조립비용이 크게 감소합니다. 따라서 기존 시스템을 대체함으로써 얻게 되는 이익이 많습니다.

 

그러나 대부분의 VLSI 설계에서는 동일한 기능을 지닌 다수의 칩보다 소자 테스트 비용과 초기 개발비가 더 비싸기 때문에 단일 칩이 더 비쌉니다. 그리고 SoC가 탑제된 소프트웨어에 따라 다르긴 하지만, 대부분 발열이 매우 심하다는 단점이 있습니다.

 

게임 또는 그래픽 시뮬레이션과 같이 모바일로 고사양 프로그램을 실행 시키게 된다면, 디바이스에 매우 심한 발열이 발생합니다. 사실 반도체 자체에서 발열이 심하게 발생하는 것은 매우 심각한 문제입니다. 고온의 발열이 지속될 경우에는 SoC 칩 자체에서 냉납이 발생하게 됩니다. 그렇게 되면 SoC가 재기능을 하지 못하게 되어 결국 메인보드 자체가 고장나게 됩니다.

 

이를 해결하기 위해서 실제로 대부분의 스마트폰 제조사들은 히트 파이프를 설치하여 발열을 감소 시키기도 하고, 소프트웨어의 최적화를 통하여 발열을 감소시키기도 합니다. 하지만 그럼에도 불구하고 발열이 심한 디바이스가 아직 많다고 합니다. 시간이 지나면 지날 수록 점점 프로그램들의 요구 사양이 높아지고, 프로그램들의 퍼포먼스가 증가하는데에 따라 그만큼 SoC도 부담이 됩니다

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그래도 요즘에는 제조사가 아닌 다른 업체에서 자체적으로 만드는 쿨링 시스템이 도입되어 있으며, 벌써 외부에서 장착하는 쿨러들도 출시되었다고 합니다. SoC는 이렇게 여러 기능을 가진 반도체가 하나의 칩으로 통합되어 칩을 탑재하는 공간이 크게 줄어들어 제품 소형화가 가능하고, 여러 개의 반도체를 별도로 만드는 것 대비 제조비용이 감소하는 등 여러 장점들이 있습니다.

 

매번 SoC연구실에서 느끼는 점은, 정말 작은 칩 안에 시스템이 들어가서 두뇌의 역할을 한다는 것이 너무 신기하다는 것입니다. 앞으로 SoC의 발전에 따라 얼마나 발전된 전자기기들이나 단순한 기기나 자동차에도 시스템을 넣어 발전할 것이라고 생각하니, 앞으로 더 기대가 되는 분야인 것 같습니다.