유비쿼터스 칩 기술 및 비즈니스 전망

유비쿼터스 칩 기술 및 비즈니스 전망
- 2003년 6월 IDEC newsletter 기고 -

 

이 근 호
geunholee@korea.com

I. 서론

IT 산업은 21세기의 대표적인 산업으로 산업경쟁력의 근간이 되고 있다. IT 산업은 그 동안 많은 기술적 진보와 새로운 서비스의 개발로 고 부가가치를 창출하여 왔다. 특히 우리나라 IT 산업은 2002년 기준 전체 수출의 37%를 차지하는 반도체산업에 그 기반을 두고 있다. 이러한 반도체 산업에 기반을 둔 세계일류의 메모리 칩, 모바일 폰 등은 우리나라를 세계적 정보화 선진국으로 만드는데 견인차 역할을 하였다. 그러나 현재 전세계적인 경제침체는 IT 산업에서 더욱 심하고 우리나라도 예외는 아니어서 많은 회사들이 수익을 만들어 내는데 어려움을 경험하고 있다.

최근에 이러한 경제 불황을 극복하기 위한 방안으로 유비쿼터스 컴퓨팅이란 키워드가 제시되고 있다. 유비쿼터스란 라틴어에서 유래한 것으로 언제 어디서나 존재한다는 뜻이며 물이나 공기처럼 우리 주변환경에 내재되어 모든 사물 및 사람이 보이지 않는 네트워크로 연결된 새로운 공간을 의미한다고 하고 있으며, 언제 어디서나 누구든지 정보시스템의 활용을 가능케 하는 것을 말한다. 이러한 유비쿼터스 컴퓨팅 개념은 새로운 경제적 수요를 창출, 제2의 IT부흥을 이끌어 낼 뿐만 아니라 정치 및 사회 전반에 걸쳐 유비쿼터스 혁명이라는 새로운 문명의 장을 마련 할 것으로 기되 되고 있다.

유비쿼터스 컴퓨팅의 주된 목적은 매일 우리가 생활에서 의식하지 않고 사용하게 되는 많은 작고 특화된 기기 및 사물에 컴퓨팅 기능을 임베디드 하는 것이다. 그것들은 오프라인과 온라인상태 모두에서 동작한다. 유비쿼터스 컴퓨팅은 어디에나 존재하고 매우 작고, 사용자나 환경을 인지할 수 있다. 이런 특징을 가진 물건과 제품들은 상호작용의 자유와 이동성의 완전한 자유를 제공한다. 그러나 마크 와이저가 십 수년 전에 유비쿼터스 컴퓨팅을 “컴퓨팅의 제3의 물결이고 지금 막 시작되고 있다” 라고 한 것처럼 유비쿼터스 컴퓨팅 개념은 완전히 새로운 것이 아니다.

하지만 왜 지금 유비쿼터스 컴퓨팅이 폭발적인 관심을 불러 일으키고 있는 것일까? 그
원인은 바로 유비쿼터스 컴퓨팅의 개념과 비전을 실질적으로 구현 가능하게 하는 기술의 혁신적 발전에 있다. 이러한 기술혁신 중에서도 프로세서는 매 18개월에서 2년마다 그 성능은 2배가 되는 반면에 가격과 전력소비는 급격하게 떨어진다는 무어의 법칙을 따른 반도체 기술이 가장 큰 원동력이 되고 있다 CMOS기술의 지속적인 소형화는 지난 20여 년에 걸쳐서 마이크로 전자공학과 컴퓨터의 성장에 주된 요인이었다. 점점 더 많은 집적회로들이 패키지화 됨에 따라 점점 처리속도가 빨라지고 전력의 소모는 점점 낮아진다. 무어의 법칙이 미래의 10년에서 15년까지 지속될 것이라는 견해가 있다(인텔의 연구 Micro 2011는 2011년에는 칩에 십억 개의 트랜지스터가 집적될 것으로 예측한다). 만일에 이렇게 된다면 2015년에는 분자 수준의 설계 작업을 해야 하고 제조방식을 기본적으로 바꾸게 할 것이다. 이러한 시대적 상황에 맞추어 본 논고에서는 유비쿼터스 시대의 시작을 가능케 하는 반도체 칩 기술 및 그에 따른 비즈니스 전망을 살펴 보도록 하겠다.


II. 유비쿼터스 칩 개요

유비쿼터스 컴퓨팅의 핵심은 스마트한 상황인식과 장소에 구애 받지 않고 네트워킹을 가능케 하는 무선기술이다. 따라서 유비쿼터스 칩이란 상황 및 환경을 인식 및 감지하고 무선을 통해 네트워크에 연결하는 무선인식(RFID) 및 무선센서(Wireless Sensor) 칩을 말한다.

RFID는 1980년대에 처음 시현된 상대적으로 새로운 ID 기술이다. 무선주파수를 이용하는 RFID 시스템은 비 접촉 읽기를 허용하며 원거리에서 모니터링이나 트렌젝션을 할 때 인간의 개입 없이 인식 및 상호작용을 가능케 한다. 기본적인 RFID 시스템은 RF 태그라 불리는 고유 정보를 저장하는 트랜스폰더, 판독 및 해독 기능을 하는 송수신기(리더기), 호스트 컴퓨터와 응용의 세 부분으로 구성되어 있는데 IC 칩은 RF 태그를 구성하는 중요 요소이다. 태그용 칩은 동작형태(수동형, 능동적), 동작 메커니즘(상호 유도방식, 전자기적 방식), 사용주파수(135 KHz, 13.56 MHz, 433 MHz, 860-930 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz), 메모리 크기(25 비트 - 512 KB), 메모리 형태(읽기 전용, 읽고 쓰기가 가능한 형, 한번만 쓰며 여러 번 읽기가 가능한 형태), 메모리 종류(EEPROM, FRAM), 가격(수십 센트 - 수 달러)에 따라 다르다. 현재 가장 소형인 상용 RFID 태그용 칩은 Hitachi가 powder like IC 기술을 이용하여 개발한 2.45 GHz를 이용하는 "Meu chip"으로 그 크기는 0.4mm x 0.4mm x 0.06mm로 38 디지트의 저장능력과 128 bits ROM을 갖고 있으며 가격은 10 - 20 센트이다[그림 1 참조].


그림 1 Hitachi의 Meu-chip
한국전자통신연구원 발행의 센서 기술/시장 보고서에 의하면 센서란 ‘대상에 대한 정보를 인지하고, 이것을 물리적으로 떨어진 곳으로 전송하기 위해 신호로 변환하는 소자’라고 정의하고 있다. 센서는 크게 물리센서와 과학센서로 나눌 수 있다. 물리센서는 광, 전기, 자기, 열, 초음파, 역학에 관련된 물리량을 계측하는 것이고 과학센서는 온도, 가스, 이온, 유기화합물, 냄새, 맛 등의 화학 성분의 양을 계측한다. 센서는 일상 생활 및 산업 전반에 걸쳐 그 응용범위가 매우 넓어 2000년 기준 전체 센서 산업의 시장규모는 150 억 달러로 연간 6~7% 정도 성장하고 있다.

소형화, 지능화 및 무선화는 센서 시장의 요구를 따르는 기술 개발 동향이다. 지능화는 컴퓨터 기술과의 결합에 의해서 센서기능을 대폭적으로 향상시킨 스마트 센서로 나타나고 있다. 소형화는 최근의 나노기술, 특히 MEMS(MicroElectroMechinical System) 기술의 발전과 더불어 기술 향상이 이루어지고 있다. MEMS는 전기적 요소를 기계적 요소와 결합한 IC 부품 및 시스템으로 그 공정과정은 크게 Bulk Micromachining, Surface Micromachining 및 LIGA로 나눌 수 있다: Bulk Micromachining은 membrane, beams, bridges, cavity등 3D 구조를 만들기 위하여 실리콘 기판의 많은 부분을 제거한다. Surface Micromachining은 기판 표면에 움직이는 요소를 적층 시킨다. LIGA는 X 선 리소그래피를 이용 깊숙한 3D 구조를 만들 수 있다. 센서의 무선화는 위치와 장소에 관계없이 센서를 설치 할 수 있고 가격도 유선망에 비하여 가격도 저렴하다는 장점을 지니고 있다. 특히 SAW(Surface Acoustic Wave) 기술을 이용한 IDT(InterDigital Transducer) 센서는 소형화와 무선화를 동시에 이룰 수 있다. 그림 2는 UCLA에서 개발한 MEMS 자계센서를 1센트 동전크기와 비교한 것으로 지하 30 미터 아래의 미세한 물체의 움직임도 감지 할 수 있다.


그림 2 MEMS 자계센서




III. 유비쿼터스 칩의 기술적 도전과제

1. 저가격

어디에나 무엇에든 존재할 수 있는 유비쿼터스 칩의 첫 번째 기술적 도전과제는 그 가격이 엄청나게 저렴하여야 한다는 것이다. RFID 칩의 경우, 가장 대표적인 칩 이용 프로젝트는 MIT Auto-ID 센터의 ‘The Internet of Things’ 이다. 이는 인터넷과 인터넷 비슷한 네트워크를 통하여 스마트 태그가 부착된 아이템을 원거리에서 실시간 감지하는 개념이다. 따라서 연간 수십 억 개 이상의 싸고 우수한 기능의 RFID 태그가 필요할 것이다. The Internet of Things를 궁극적으로 가능케 하려면 5센트 이하의 스마트 태그가 필요한데(바코드 가격이 1센트임을 감안) 전체 태그의 가격 중 IC 칩이 차지하는 비중은 60-80% 이다. 이러한 초저가의 태그를 구현하려면 IC 디자인, 통신 프로토콜, 리더기 디자인, 백-엔드 시스템 디자인 등을 망라하는 시스템 레벨의 기술혁신을 필요로 한다.

초저가의 IC 칩을 구현하기 위하여서는 다음과 같은 고려가 이루어져야 한다.

l 다이 크기를 줄이고 그에 따른 비용을 줄인다: 다이 크기가 점점 작아 짐에 따라 현재의 다이아몬드 절단기를 사용 하였을 때 커지는 스트리트의 폭을 줄일 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

l 다이 테스팅 비용을 줄인다: 전수 검사 보다는 실장과 병행하여 할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

l 다이 어셈블리시의 비용을 줄인다: Fluidic, Pick-And-Place, Vibratory, on-Wafer 어셈블리 등 다양한 대안을 검토한다.

l 대량생산에 따른 비용을 줄인다: 큰 볼륨의 생산에 따른 비용효율적인 방안이 개발 되어야 한다.

최근에는 이러한 실리콘기반의 반도체 칩의 가격한계를 극복하기 위한 여러 대안 기술의 개발이 활발하게 전개되고 있다. 그 대표적 예가 필립스 등에서 개발 중인 폴리머 반도체에 의한 플라스틱 트렌지스터 이다. 또 다른 예로, 미국 Inkoda는 최근 1센트 이하의 RFID 태그 기술을 개발 하였다. 이 기술은 종이나 플라스틱에 매우 얇은 금속 파이버를 내제하여 전파의 투과와 산란을 만들어 내어 고유한 식별을 가능케 한다(그림 3 참조). 하지만 이런 기술들은 메모리 칩이 없는 관계로 오직 제한적인 목적에만 쓰일 수 있다(상품의 유무 확인).

그림 3 미국 Inkoda의 1센트 이하 RFID 태그 기술.
저가격 무선 칩 기술로는 UWB(Ultra Wideband) 무선 라디오 및 Zigbee 무선 라디오 등을 이용하여 구현가능 하다. 특히 UWB 시스템은 기저대역에서의 직접 변환에 의한 호모다인 방식을 사용하므로 협대역 통신 방식과 달리 캐리어가 없어 구조가 간단하고 Reference oscillator, PLL synthesizer, mixer, power amplifier가 필요하지 않아 재료비와 조립 비용을 감소 시킬 수 있을 뿐 아니라 저 비용의 사용을 용이하게 한다. 그림 4는 미국 Aetherwire & Location의 UWB 라디오 칩을 보여준다.

그림 4 Aetherwire & Location의 UWB 라디오 칩.

2. 소형화

소형화는 나노기술에 의한 반도체 칩의 개발로 가능하다. 하나의 칩에 센서, CPU, 메모리, RFIC, DSP회로를 넣어 1×1mm2 정도 크기까지 실현될 것으로 예상 되고 있다. MEMS 센서, 무선 칩, RFID, 심지어는 안테나를 실리콘 IC와 하나의 칩에 제작하는(SoC) 반도체융합기술이 가능 할 것이다. 즉 나노기술, 전자공학, 정보기술이 하나가 되는 소위 ‘nanoinfotronics’ 라는 새로운 기술분야가 탄생 될 것이다.

현재 세계적 시장조사기관인 IDC가 미래 9대 핵심 기술로 선정한 UC 버클리대학의 ‘스마트더스트’는 센서, 통신 장치, 컴퓨터 능력 등을 포토리소그래픽 기법의 MEMS 기술을 사용하여 5×5mm2 로 구현 하였다. 또 피츠버그 대학의 연구팀은 antenna on a chip 기술을 개발,’PENI Tag’ 라고 불리는 2×2mm2 크기의 초소형 RFID 태그를 구현하였다(그림 5 참조).


그림 5 1센트 동전크기와 비교한’PENI Tag’.


3. 저전력 소비

유비쿼터스 칩은 모든 사물에 임베디드 되어 항상 사용을 보장해야 하므로 한번의 충전으로 1년 이상 유지하는 저전력 소비로 동작하여야 한다. 이러한 초 저전력 동작의 ‘Power Aware’ 칩을 구현하려면 모든 IC 요소에 있어서 혁신적인 디자인기술을 필요로 한다. 다른 한편으로는 탄소나노튜브, 스핀소자, 양자소자 등 저전력소모의 새로운 나노소자 개발도 이루어 져야 한다.

초 저전력 동작의 IC 칩을 구현하기 위하여서는 다음과 같은 고려가 이루어져야 한다.

l 저전력소비 CMOS 디자인: 낮은 문턱전압에서 나타나는 CMOS의 초과 누설전류에 대한 대책 개발, S-MOSFET, SOI.
l 저전력 소비 메모리 디자인: FRAM, 임베디드 DRAM.
l 저전력 소비 디지털 및 아날로그 디자인: 변환 입력전력, 다중 입력전력, 저전력 SRAM, 저전력 Flip-Flop, 저전력 클럭, 저전력 ADC, 에너지 효율적 링크.
l 시스템 레벨의 SW/HW 디자인: 프로토콜, 파워 컨트롤, 리컨피규러블 아키텍처.

IV. 유비쿼터스 칩 비즈니스 전망

아래와 같이 최근 반도체 관련 신문을 통하여 나오는 기사는 유비쿼터스 칩 비즈니스 의 밝은 전망을 알 수 있게 한다.

‘산업자원부는 유비쿼터스 컴퓨팅 분야 시장 규모가 2008년까지 세계적으로 4664억 달러에 이르고 국내시장도 30조원 규모로 성장할 것으로 예상하여 5년 동안 정부·민간자금을 합쳐 모두 280 억원을 투입, 스마트 더스트 칩, 저전력 무선통신 프레임워크, 관련 아키텍처 및 미들웨어, 각종 홈 오토메이션 프로토콜 등 유비쿼터스 지향형 어플라이언스 솔루션 기술 개발사업을 추진 중에 있다. 특히 스마트 더스트 칩은 10㎣ 이하의 크기로 100㎼ 이하 저전력에서 동작하여 완전히 자율적인 센싱과 통신 능력을 갖춘 초소형 컴퓨팅 시스템으로 개발 한다는 계획이다.’

‘일본의 경우 정부가 주도적으로 스마트 태그 표준을 마련해 상용화하는 한편 이를 국제 표준으로 자리잡게 하려는 노력을 보이고 있고 미국도 877개 관련 기업을 회원으로 둔 MIT AutoID 센터를 중심으로 스마트 태그 기술 개발에 적극 나서, 월마트·등의 대형 유통업체와 질레트 등 생활용품 업체들 중심으로 활발한 기술 적용이 이루어지고 있다.’

‘소니, 도시바, IBM은 연구개발비 4억달러를 들여 차세대 칩인 ‘셀(Cell)’을 개발해 왔다. 셀은 ‘유비쿼터스 컴퓨팅 칩’ 또는 ‘슈퍼컴퓨터 온칩’ 등으로 불리며 주목 받고 있는 차세대 칩이다. 이는 초당 1조번의 부동소수점 연산이 가능하고 전력소모가 매우 적게 설계되고 있다.’
또 최근의 세계적인 시장조사 기관들의 연이은 유비쿼터스 칩 관련 전망도 향후 이 분야의 전망을 예견하게 한다.

‘현재, RFID 도입 과정에 있어서 어떠한 독점도 존재 하지는 않지만, RFID의 채택에 따른 시장의 전체적인 성장이 있을 것으로 예측된다. 이러한 RFID의 채택은 통신, 금융, 교통, 전자상거래 등 여러 분야에서 다용도로 활용되고 있고, 인터넷 사용의 급증과 정보통신 환경 변화에 따라 급속한 성장세를 보이고 있다. VDC는 가까운 시기(2004년 전후)에 물류 등의 응용에 따라 시장이 폭발적으로 성장할 것으로 예측하고 있다.

‘노무라총합연구소는 가장시장 평가법을 이용하여 유비쿼터스 서비스가 창출할 시장 규모가 일본에서 만 십조 앤 이상에 이를 것으로 예상하고 있다.’

이와 같이 유비쿼터스 컴퓨팅에 의한 새로운 시장창조의 비전은 유비쿼터스 칩 비즈니스 더 나아가서 전반적인 반도체 산업 전체의 밝은 전망을 예측하게 한다.

V. 결론

본 논고에서는 유비쿼터스 컴퓨팅이 주는 새로운 패러다임에서 유비쿼터스 반도체 칩 기술개요, 기술적 도전과제, 비즈니스 전망을 살펴 보았다. 본문에서도 밝혔듯이 최근의 경제 불황을 극복하기 위한 방안으로 유비쿼터스 컴퓨팅이란 키워드가 제시되고 있는 시점에서 세계일류의 메모리 칩, 모바일 폰 산업국의 긍지를 살려 유비쿼터스 시대에도 세계 반도체 시장을 선점하고 이끌어 나가는 세계일류의 대한민국을 만드는 비전을 갖추어야 할 시기이다. 그러기 위하여서는 유비쿼터스 칩 더 나아가서는 전체적인 반도체 산업에서의 기술 및 비즈니스에 관한 스마트한 전략과 실행계획을 조속히 마련하여야 하겠다.


- 저자 소개 –



이근호 박사는 현재 IT 신기술 관련 전략기획 및 비즈니스 개발 컨설턴트로 연세대학교 전자공학과 겸임교수로 제직 중이다. 주요경력으로는 (주)한국무선네트워크 전문위원, (주)미션텔레콤 CTO, 광운대학교 정보통신연구원 교수, 정보통신부 연구관, University of Mass. at Amherst, Georgia Institute of Technology, Auburn University 전자공학과 Visiting Scholar를 역임했으며 Johns Hopkins University 에서 Ph.D.를 받았다