[삼성 인베스터즈 포럼 특집] 삼성전자 반도체, 진정한 모바일 시대 앞당기다

삼성전자는 지난 16일(현지 시각) 싱가포르 리츠칼튼호텔에서 '2015 인베스터즈 포럼'을 열었습니다. 1년에 두 번 열리는 이 행사는 국내외 투자자와 애널리스트에게 삼성전자가 어떤 기술 혁신을 준비하고 있는지 공개하는 자립니다. 첫 편에선 삼성 녹스의 강력한 보안성에 관한 얘길 들려드렸는데요. 오늘은 홍규식 시스템LSI사업부 마케팅팀 상무가 '삼성전자 스마트폰 반도체가 변화시킬 새로운 모바일 시대'를 주제로 말씀 드립니다.

반도체, '호모 모빌리쿠스 시대' 열다

스마트폰은 이제 우리 삶과 도저히 떼 놓을 수 없는 핵심 도구가 됐습니다. 인터넷을 검색하고 게임을 즐기며 사진을 찍은 건 물론, 음악과 영화 같은 예술작품을 제작하는 데까지 쓰이고 있죠.

그뿐만이 아닙니다. 우리는 스마트폰을 통해 많은 소셜네트워크서비스(SNS)를 사용함으로써 사회와 연결돼 있습니다. 이젠 SNS 때문에 평범한 개인조차도 사회 전체에 영향을 줄 수 있게 됐는데요.

미국에서 진행한 연구에 따르면 이제 사람들은 TV 시청보다 디지털 미디어 감상에 더 많은 시간을 보내고 있습니다. 

이 모든 걸 감안할 때 인류는 이제 '호모 모빌리쿠스(Homo Mobilicus) 시대'에 접어들었다고 해도 과언이 아닙니다. 오늘날 스마트 기기들로 인해 우리의 사고방식과 행동 방식, 그리고 심지어 우리가 서로 교류하는 방식도 크게 달라졌습니다.

그런데 모바일 기기가 처음부터 대중적 영향력을 지녔던 건 아닙니다. 30년 전 휴대전화가 처음 출시됐을 때를 기억하시나요? 그땐 지금과 상당히 다른 모습이었습니다. 

이후 모바일 기기는 크게 진화했습니다. 모바일 기기와 관련된 기술들이 모든 측면에서 발전을 거듭했기 때문입니다. 두뇌에 해당하는 프로세서의 성능은 말할 것도 없고 디스플레이와 카메라 화소 관련 기술도 지난 20년간 비약적으로 발전했습니다. 그리고 그 혁신의 중심엔 항상 반도체가 있었습니다. 

1994년 IBM이 개발한 모바일 스시템온칩(SoC, System on Chip) 속도는 16MHz였지만 2015년 현재 삼성전자의 엑시노스 7420의 속도는 2.1GHz입니다. 약 130배나 빨라진 겁니다. 디스플레이 크기와 카메라 화소수 역시 엄청나게 발전했습니다. 

하지만 이런 혁신은 그냥 오지 않았습니다. 기술적으로 엄청난 도전에 부딪쳤습니다. 이른바 ‘스마트폰 진화의 역설’입니다.

사람들은 더 진화된 고성능의 CPU와 GPU, 그리고 더 큰 디스플레이를 원합니다. 하지만 역설적이게도 배터리 시간이 짧아지는 건 바라지 않습니다.

카메라에 대해서도 마찬가지입니다. 사람들은 더 높은 해상도와 더 밝은 이미지를 원합니다. 더 많은 빛을 담으려면 픽셀이 커져야 하는데요. 동시에 사람들은 아주 얇고 잘 빠진 디자인의 스마트폰을 원합니다. 픽셀의 크기를 키울 수가 없죠. 이 역시 역설적입니다. 

삼성전자는 그동안 부단한 기술 혁신을 통해 스마트폰의 전 영역에 걸쳐 이런 역설을 해결해왔습니다. 현재 우리는 여러분도 아시는 것처럼 △전력관리 IC △드라이브 IC △NFC △SIM 카드 △무선 연결 등 모바일 기기용 반도체 솔루션의 전체 패키지를 제공하고 있습니다.

그중 오늘은 삼성전자의 세 가지 제품군에 대해서 중점적으로 말씀 드리겠습니다. 

모바일의 두뇌, 시스템온칩

애플리케이션 프로세서(AP, Application Processor)라고도 불리는 모바일 시스템온칩은 스마트폰의 진정한 두뇌라고 할 수 있습니다. 이 칩은 스마트폰의 모든 기능을 제어하는 중앙제어장치입니다. 

모바일 시스템온칩에 가장 높은 성능을 요구하는 건 바로 엔터테인먼트와 관련된 애플리케이션(이하 '앱')입니다. SNS와 인터넷이 그 뒤를 따릅니다.

스마트폰 사용자의 59%가 동영상·게임·음악 등 엔터테인먼트 앱을 사용합니다. 엔터테인먼트 앱들은 가장 고성능의 두뇌를 필요로 하죠.

초고화질 동영상과 뛰어난 그래픽의 게임을 실행하려면 최고의 성능은 필수입니다. 최근 스마트폰 트렌드를 보시죠. 사람들은 큰 화면을 원하고 있습니다. 대부분 최신 스마트폰은 5형 이상의 화면을 탑재하고 있습니다. 더 선명한 화질을 구현하려면 더 높은 해상도가 필요하죠.

카메라 역시 마찬가지입니다. 사람들은 더욱 선명한 고화질의 사진을 찍고 싶어하기 때문에 높은 해상도를 원합니다. 또한 어두운 곳에서도 선명하고 밝은 사진을 찍고 싶어합니다. 사람들은 스마트폰을 사용해 4K 해상도로 동영상을 촬영할 수 있길 원합니다. 또한 실시간 클라우드 기반의 서비스 이용이 활발해졌기 때문에 빠른 속도로 데이터를 받아 실시간으로 처리, 원활하게 스트리밍될 수 있도록 하는 것도 중요합니다. 

고성능을 원하는 동시에 우리는 원하는 대로 스마트폰을 오래 사용하길 바랍니다. 이 문제는 '성능'과 '전력'이란 두 마리 토끼를 모두 잡아야 해결할 수 있죠. 이전 휴대전화가 '통화용'으로만 쓰일 땐 (휴대전화를 사용하지 않는) 대기 시간에 전력이 유출되지 않는 데 주로 신경을 써야 했습니다. 하지만 현재는 스마트폰을 실제로 사용할 때 성능을 극대화하는 동시에 전력을 적게 사용하는 게 중요합니다. 

우리는 이런 역설을 해결하기 위해 설계와 공정에서 모두 혁신을 거듭했습니다. 아래 제품은 지난주 발표된 엑시노스 8입니다. 우리가 개발한 또 하나의 혁신적 제품이죠.

올해 초 세계 최초로 양산을 개시한 14나노 1세대 제품 '엑시노스 7 옥타'는 모바일 AP 단품이지만 이번에 발표한 2세대 제품은 모바일 AP와 최고 사양의 모뎀을 하나의 칩으로 통합한 게 특징입니다.

특히 기존 64비트 CPU 코어에 삼성전자의 커스텀 코어(Custom core)를 처음 적용, 기존 1세대에 비해 성능은 30% 이상 높이면서 소비 전력은 10%가량 절감하는 등 국내 시스템 반도체 기술을 한 단계 발전시킨 혁신을 달성했죠. 

또한, 엑시노스 8 옥타는 최상의 성능을 제공하기 위해 최적화된 '빅리틀 멀티프로세싱(big·LITTLE Multi-Processing)' 기술을 적용한 8개의 코어(옥타)와 고성능 LTE 모뎀을 내장한 프리미엄급 첫 통합 원칩(One Chip, AP+Modem) 솔루션이죠.

원칩 솔루션은 스마트폰에 탑재되는 칩 면적을 줄임으로써 스마트폰 내부 공간을 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 해 글로벌 스마트폰 제조사에 뛰어난 디자인 편의성을 제공합니다. 

특히 엑시노스 8 옥타는 최대 600Mbps(Cat.12)의 다운로드 속도와 150Mbps(Cat.13)의 업로드 속도를 지원하는 최고 사양의 LTE 모뎀을 내장, 고화질 영상 스트리밍과 실시간 공유 서비스를 지원하죠. 

이 같은 통합은 모두 삼성전자의 2세대 첨단 14나노 FinFET(3차원 입체 구조 반도체) 기술에 기반하고 있습니다.

인생의 결정적 순간을 포착할 이미지센서 

사진을 뜻하는 영단어 '포토그래프(photograph)'는 '빛(photo)'과 '그림(graph)'이 합쳐진 형태입니다. '빛을 포착한다' 또는 '빛을 재창조한다'는 뜻을 가졌죠. 

일상을 기록하고 이를 다른 사람과 공유하는 건 사실 뿌리 깊은 인간의 욕구입니다. 2만 년 전 사람들도 힘든 방식으로 자신들의 일상적 삶을 기록하고 다른 사람들과 공유하고자 노력했습니다. 

2만 년이 지난 오늘날, 우리 인간은 필요하다면 언제라도 빛을 포착할 수 있습니다. 그리고 원한다면 빛을 만들어낼 수도 있습니다. 

현재 세계적으로 20억 명 이상이 스마트폰을 이용한다고 합니다. 그들에게 "어떤 용도로 스마트폰을 사용하냐"고 물어본다면 지역과 연령대, 그리고 어떤 사회에 속해 있는지와 관계없이 "사진을 찍고 공유한다"는 대답이 항상 제일 많습니다. 

스마트폰 사용자 중 92%가 자신의 스마트폰을 '사진 촬영용'으로 쓰고 있습니다. 스마트폰에서 사진은 그만큼 중요하죠.

어떨 땐 스마트폰에 대해 '사진도 찍을 수 있는 휴대전화'가 아니라 '통화 기능을 갖춘 스마트 카메라'라고 불러야 하지 않나, 싶기도 합니다. 스마트폰 카메라의 해상도를 보면 이미 기존 디지털 카메라의 해상도를 추월했습니다. 해상도뿐만 아니라 스마트폰 카메라 품질은 모든 면에서 비약적으로 향상했습니다. 

스마트폰 사진은 우리가 다른 사람들과 소통하는 방식에도 영향을 줬습니다. 바로 사진을 통한 소통입니다. 오늘날 인터넷엔 8080억 개 이상의 사진이 업로드돼 있다고 합니다. 페이스북만 하더라도 매년 2500억 개 이상의 사진이 업로드되고 있습니다. 

하지만 스마트폰은 점점 얇아지고 있습니다. 5년 전만 하더라도 스마트폰 두께는 약 1센티미터였습니다. 현재는 5밀리미터 두께의 스마트폰을 쉽게 볼 수 있습니다. 이는 우리에게 큰 도전이었습니다. 

우리는 결과적으로 픽셀을 가능한 작게 만들어야 했습니다. 픽셀을 작게 만들수록 빛을 더 적게 포착할 수밖에 없는데요. 그래서 어느 정도는 화질을 포기해야 합니다. 하지만 소비자들은 그런 타협을 원하지 않습니다. 최소한 같은 화질을 유지하면서 픽셀의 크기를 줄여야 했죠.

이 말도 안 되는 요구를 우리는 아이소셀(ISOCELL) 기술로 해결했습니다. 기본적으로 이 기술은 이미지와 픽셀을 구성하는 방식을 혁명적으로 바꾼 겁니다. 픽셀 크기가 줄어들면 인접한 셀들 사이에 간섭 현상이 발생합니다. 빨간색 셀로 들어간 빛이 파란색 셀에서 전자를 생성할 수 있게 되는 거죠. 그러면 이 전자들은 파란색 신호로 수집됩니다. 우리는 가능한 가장 이상적으로 이를 처리할 수 있는 방법을 찾아야 했습니다. 그럼 '아예 각 셀을 분리해 버리자' 이게 바로 아이소셀을 만들어낸 아이디어입니다. 

우리는 파란색 셀로 가는 모든 빛을 최대한 파란색 셀 안에 가둘 수 있도록 작은 셀 사이에 벽을 설치했습니다. 이는 삼성전자가 자체적으로 개발한 최첨단 공정 기술을 통해서만 가능한 건데요.

삼성전자는 이 아이소셀 기술을 이용해 다양한 기술적 혁신을 달성했습니다.

우선 '크기'를 줄였습니다. 이전 버전의 픽셀 크기는 1.12미크론이었습니다. 우리는 아이소셀 기술을 통해 크기를 1.0미크론까지 줄일 수 있었습니다. 16메가 픽셀의 카메라가 1.12미크론 픽셀 대신 1.0미크론 픽셀을 적용한다면 전체 모듈의 두께를 6밀리미터에서 5밀리미터로 20% 가까이 줄일 수 있습니다. 이 같은 두께의 축소는 현재 점점 얇아지는 스마트폰 추세와도 딱 들어맞죠. 

다음은 ‘브라이트 셀(BRITECELL)'입니다. 브라이트 셀은 기존 RGB에서 녹색의 픽셀 값을 흰색 픽셀 값으로 대체하는 기술의 상표명입니다. 녹색 픽셀 값을 흰색 픽셀 값으로 대체하는 작업을 통해 심지어는 조명이 어두운 환경에서도 훨씬 밝은 사진을 찍을 수 있습니다. 이렇듯 픽셀들 사이의 명확한 구분이 없다면 많은 간섭 현상이 발생해서 원하는 녹색 신호를 재구성할 수 없을 겁니다.

'스마트 WDR' 역시 빼놓을 수 없죠. 사진을 찍을 때 어두운 부분과 매우 밝은 부분이 동시에 있는 경우가 있습니다. 그럴 때 사진의 초점을 어두운 쪽에 맞추면 밝은 쪽은 너무 심하게 밝아집니다. 물론 반대의 경우도 있을 텐데요. 아이소셀 기술 덕분에 우리는 한 픽셀과 바로 그 옆에 있는 픽셀에 대해서 서로 다른 노출 시간을 제공하도록 제어할 수 있습니다. 그래서 전반적으로 노출이 균일한 사진을 얻을 수 있게 됩니다.

마지막으로 '초고속 자동 초점' 기능입니다. 매우 빠르게 움직이는 물체의 사진을 찍을 경우 초점 잡기가 힘들죠? 하지만 기존 이미지 명암 대비 값을 활용해 거리를 산출, 초점을 맞추는 기술론 시간이 걸립니다. 삼성전자는 PDAF 기술을 개발해 이런 한계를 넘어섰습니다. 인접한 픽셀을 서로 비교해서 빠르게 초점을 잡는 이 기술 역시 아이소셀 기술 때문에 가능했습니다.

흔히 사진은 결정적인 순간을 포착하는 작업이라고 표현합니다. 삼성전자가 이제 막 소개한 이 모든 기술들을 통해 더 좋은 화질로 여러분 인생의 결정적인 순간을 포착할 수 있으실 거라고 확신합니다.

무한한 가능성, 바이오 센서

요즘 모두가 '웨어러블'을 말합니다. 일종의 유행어죠. 삼성전자는 앞으로 2년간 웨어러블 기기의 수가 급격히 팽창할 거라고 예상합니다. 물론 기술적 혁신이 전제됐을 때 말입니다. 

웨어러블 시장 규모는 2014년 2000만 대 수준에서 2019년 1억2600만 대까지 급격히 팽창할 것으로 예상됩니다. 그중에서도 '건강' 관련 기능 비중이 가장 큰데요.

사람들에게 "웨어러블 기기로 무엇을 하고 싶냐"고 질문하면 항상 "건강 유지와 피트니스"란 답변이 돌아옵니다. 건강은 언제나 사람들의 최고 관심사죠. 여러분도 "웨어러블 기기가 갖춰야 할 최우선적 기능은 건강과 피트니스"란 데 이견이 없으실 겁니다.

그런데 웨어러블 기기는 작습니다. 부품들도 작아야 하고, 배터리도 작아야 합니다. 부품을 작게 만드는 것과 전력을 적게 소모하는 것, 어느 것 하나도 빼놓을 수 없습니다.

그래서 최근 삼성전자는 (아마도) 업계 최초로 고집적 바이오 프로세서를 도입했습니다. 다양한 기능을 하나의 단일 칩에 통합한 겁니다. 하나의 칩이 △심박수 △심전도 △비만도 △전류 피부 반응 △피부 온도 등을 모두 측정, 점검할 수 있습니다. 신체적 상태뿐 아니라 감정적 상태도 전류 피부 반응을 통해 측정할 수 있습니다. 

다양한 센서를 하나의 바이오 프로세서로 통합하면 크기와 전력 소모를 크게 줄일 수 있습니다.

이런 기능들이 모두 다른 부품으로 제작됐을 경우와 비교할 때 우리는 부품 크기를 80% 축소할 수 있었는데요. 전력 소비도 50%나 낮췄죠. 이 바이오 센서를 필요로 하는 곳은 단지 건강 또는 피트니스뿐만이 아닙니다. 저희가 전혀 예상치도 못한 요청도 일부 있었습니다. 예를 들어 게임 업계는 바이오 센서에 큰 관심을 보였는데요. "이런 센서를 우리가 개발 중인 차기 게임에 통합하면 생체 피드백 중 일부를 게임 시나리오에 포함시킬 수 있다"는 이유에서였습니다. 자동차 업계도 이런 종류의 바이오 센서에 매우 큰 관심을 보였습니다. 운전자의 신체·정신적 상태에 대한 모니터링이 자동차 업계에서도 매우 중요하기 때문입니다. 바이오 센서 시장은 이제 막 열리기 시작했으며 삼성전자는 바이오 센서가 가져다줄 무한한 가능성에 매우 고무돼 있습니다. 

삼성전자는 반도체 분야의 지속적 혁신을 통해 인류의 삶을 풍요롭게 하고자 합니다. 저희의 흥미로운 여행에 여러분을 초대하고 싶습니다.