[세상을 바꾼 IT: 일상] 모바일 AP, 칩 안에 담긴 컴퓨터

• 매우 작은 컴퓨터인 스마트폰

intel i486SL 마이크로프로세서

회로기판, 집적회로, 마이크로프로세서 기술 등 컴퓨터 크기를 줄이는 수많은 기술이 발전하며 컴퓨터의 크기는 줄어들었습니다. 덕분에 1990년대는 들고다닐 수 있는 컴퓨터인 노트북이 가능해졌고 더 작은 컴퓨터인 PDA도 등장했습니다. 하지만 발전한 기술들은 전부 CPU, GPU 등 소자 각각의 크기를 줄인 것으로 PDA까지는 소자를 최대한 줄여 그 소자들을 집적 회로로 연결하는 것이 가능했습니다.

이 기능을 모두 할 수 있는 하나의 칩이 필요했다

문제는 전화 기능이 반드시 있어야 하는 스마트폰은 회로를 전부 소자들의 연결인 집적회로로 채우기에는 전화 기능을 할 회로를 넣을 공간이 부족했습니다. 그래서 스마트폰은 컴퓨터 기능을 하는 회로 자체를 매우 작게 해 다른 기능을 하는 회로가 들어갈 공간을 마련해야 했습니다. 그래서 공학자들은 마이크로프로세서가 CPU를 하나의 칩으로 만들었듯이 컴퓨터 집적회로 자체를 하나의 칩으로 만들자는 아이디어를 냈습니다. 새로운 칩은 컴퓨터가 수행하던 복잡한 일을 한 칩 안에서 모두 해결해야 하는 고난이도의 성능을 요구했습니다. 그럼에도 스마트폰의 발전을 위해서는 그런 칩이 필요했습니다.

 

 

 

• 칩 안에 컴퓨터를 넣어라

한 칩에 넣어야 하는 소자들 (출처: 퀄컴 공식 홈페이지)

스마트폰에 탑재할 컴퓨터는 상당히 많은 기능을 요구했습니다. CPU와 메모리는 당연히 들어가고 터치 스크린에 버튼과 이미지를 출력해야 하기 때문에 GPU가 필요하며 정전식 터치 스크린을 인식하는 회로, 카메라, GPS 등 많은 기능이 필요했습니다. 공학자들은 한 칩에 컴퓨터를 넣는 기술을 단일 칩 시스템System on Chip(SoC)라고 불렀고 스마트폰에 탑재할 SoC 칩은 Application Processor(AP)라고 불렀습니다.

AP 구조

공학자들은 각각의 소자를 최대한 줄인 뒤 그 소자들을 블록으로 미세하게 배치해 공간을 마련했습니다. 그리고 그 블록들을 연결해 하나의 작은 칩 안에 필요한 소자들을 모두 배치했습니다. 컴퓨터 소자들을 매우 미세한 크기로 집약한 AP는 서로 정보를 주고받을 소자들끼리의 거리가 매우 가까워 전력소모가 작아 스마트폰을 오래 사용할 수 있는 장점이 있었습니다. 하지만 특히 고사양의 그래픽을 처리할 때 GPU와 그래픽 담당 소자들이 전력을 대량으로 소모하며 칩 전체가 뜨거워지고 스마트폰의 발열이 심해진다는 단점이 생겼습니다. 허나 사람들이 오래 스마트폰을 이용하게 하기 위해서는 전력소모가 적어야 했고 스마트폰을 더 얇게 만들기 위해 작은 AP가 필수였습니다.

 

 

 

• AP에 뛰어든 기업이 스마트폰을 지배한다

APL0098

2007년 Apple은 iPhone을 출시해 전세계에 새로운 스마트폰의 표준을 제시했습니다. 그리고 그 스마트폰의 본체는 Apple Silicon이라는 것으로 iPhone과 iPod에 적용한 SoC였습니다. Apple이 처음 사용한 Apple Silicon은 APL0098로 최초의 모바일 AP인 만큼 고도의 설계와 공정 기술이 필요해 설계는 Apple에서 하고 공정은 삼성전자에서 했습니다. 이후로 Apple은 새로운 iPhone, iPod을 준비할 때마다 새 기기에 맞는 Apple Silicon을 설계하고 삼성전자에서 공정하며 새로운 Apple 제품을 출시했습니다. Apple과 삼성전자는 iPhone 용 AP를 위해 협력하는 관계였습니다.

Intel Atom 로고

반도체의 오랜 강자였던 Intel 역시 AP 산업에 뛰어들었습니다. 반도체 설계와 공정에서 우수한 기술력을 보유한 Intel은 2008년 Intel Atom이라는 SoC를 개발했습니다. Intel은 Intel Atom을 스마트폰 뿐만 아니라 노트북과 기타 사물 인터넷에 범용적으로 탑재할 수 있는 AP로 개발했습니다. 그래서 Intel은 노트북과 태블릿 PC, 전자기기에 Intel Atom을 탑재해 바뀐 시장을 장악할 수 있었습니다. 다만 스마트폰 시장은 Intel Atom이 큰 주목을 받지는 못했습니다.

Qualcomm QSD8250

한편 미국의 대표적인 무선 통신 기업으로 부상한 Qualcomm은 무선 통신 사업에 이어 스마트폰 사업에도 뛰어들었습니다. Qualcomm은 스마트폰에 탑재할 AP 기술 확보에 투자했고 Qualcomm Snapdragon이라는 AP 제품을 연구하고 발전시켰습니다. 2007년 Qualcomm은 QSD8250이라는 AP를 개발했고 계속 향상된 성능을 가진 AP를 개발하며 스마트폰 AP의 강자로 부상했습니다.

 

 

 

• 부상한 반도체 파운드리 기업

세계적인 파운드리 기업으로 부상한 TSMC

AP 공정기술은 미세한 소자를 블록으로 배치해 연결하는 매우 집약적인 기술이었기 때문에 더 정밀한 제조력이 곧 세계적인 가치를 가진 기술력이 되었습니다. 그리고 시대의 흐름을 잘 읽은 타이완은 1980년 UMC를 설립하고 1987년 반도체를 위탁생산하는 사업을 하는 공기업 台積電을 설립했습니다. 台積電은 전세계에 TSMC로 알려졌고 미국과 일본의 반도체를 위탁 생산하며 기술력을 확보해갔고 신용을 얻었습니다. UMC와 TSMC는 타이완의 경제를 책임지는 대표 기업으로 성장했고 PSMC와 VIS도 파운드리 기업으로 등장하며 타이완은 전세계에서 가장 우수한 반도체 공정 기술을 보유하게 되었습니다.

삼성전자

삼성전자 역시 우수한 반도체 공정 기술력을 보유했고 2005년 반도체 공정을 집중적으로 하는 파운드리 산업에 뛰어들었습니다. 삼성전자는 Apple의 Apple Silicon을 위탁생산하며 AP 제조 기술력을 보유했고 그 기술력을 바탕으로 스마트폰 산업에 뛰어들 준비를 했습니다. 이는 삼성전자가 세계적인 기업으로 인정받는 기업으로 성장하기 위한 발판이 되었습니다.

Global Foundries

미국 역시 파운드리 기업이 설립되었습니다. Intel은 독자적인 반도체 공정 기술을 보유해 intel 반도체를 자체생산했으므로 파운드리 산업에 적극적이지 않았습니다. 대신 intel의 반도체 공정 중 일부를 위탁받아 생산하던 AMD가 파운드리 산업에 손을 뻗다 2009년 AMD 자회사에서 분리시킨 Global Foundries가 미국의 대표적인 파운드리 기업이 되었습니다. Global Foundries는 IBM, 삼성전자와 힘을 합쳐 반도체 공정 기술을 발전시켰고 미국을 대표하는 거대 파운드리 기업으로 자리잡았습니다. 그리고 IBM 역시 파운드리 산업에 뛰어들어 미국의 또다른 파운드리 기업으로 성장했습니다.

SMIC

한편 2008년 이후 부활을 전세계에 알린 중국 역시 반도체 기술에 국가적인 지원을 가했고 타이완, 대한민국, 미국의 반도체 기술을 따라잡기 위해 파운드리 산업을 적극적으로 추진했습니다. 2000년 중국 공산당은 中芯国际 기업을 국영기업으로 상장해 전세계에 SMIC이라는 이름으로 알렸습니다. 중국 본토는 반도체 파운드리 산업에 집중투자하며 반도체 기술력을 빠르게 성장시켰습니다.