[유비쿼터스 컴퓨팅 개론] 4강 - 디바이스 기술 - SoC/MEMS

💡해당 게시글은 방송통신대학교 정광식 교수님의 '유비쿼터스 컴퓨팅 개론' 강의를 개인 공부 목적으로 메모하였습니다.

학습 개요

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• 인간과 사물이 지능화되고 고도화되는 과정에서 여러 가지 세부 기술들이 결합되어 새로운 유비쿼터스 세상으로 발전하게 됨
• 유비쿼터스 컴퓨팅 환경의 디바이스에 가장 큰 영향을 주고 디바이스를 구성하는 주요 기술 요소인 SoC(System on Chip), 미세 전자기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 기술 등을 공부함

학습 목표

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• 소형화 지능화가 요구되는 미래 환경에 대응하기 위한 핵심 기술인 MEMS 기술의 개념과 MEMS 기술의 발달 과정을 이해할 수 있음
• 반도체 기술과 비교하여 MEMS 기술의 특징을 이해할 수 있음
• MEMS 기술의 다양한 응용 분야를 이해할 수 있음
• SoC 기술의 장담점과 기술개발 현황을 이해할 수 있음

강의록

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SoC

배경

• 많은 전자기기가 본래의 서비스 제공 영역을 넘어 다기능화 및 소형화되고 있으며, 서로 다른 서비스를 제공하던 전자기기 간에 융합 및 복합화가 일어나고 있는 상황에서, SoC는 이러한 변화의 중추적인 역할을 하고 있음

정의

• SoC (System-on-Chip) 기술
  • 칩(Chip) 자체가 하나의 시스템으로 기능할 수 있도록, 마이크로프로세서(CPU)와 디지털 신호 처리 장치(DSP), 메모리, 베이스밴드 칩, 임베디드 소프트웨어 등 다양한 기능 블록을 하나의 칩에 집적시킨 것
• PC는 메인 보드와 CPU, 메인 메모리, 그래픽 카드 등으로 구성되지만 이러한 모든 부품(또는 핵심 기능)을 하나의 칩 위에 구현하여 집적하는 기술
• 칩 자체가 하나의 시스템으로 기능할 수 있도록 정보통신 기기의 핵심 기능을 담당하는 메모리, 디지털 회로, 아날로그 회로, CPU, 센서, 안테나, 수동 소자 등을 하나의 반도체 칩에 집적하는 기술

• ex) Apple M1 칩 다이어그램

  

  • 구성 요소: CPU, GPU, DRAM, Neural Engine, 캐시 등
    • 5나노 공정, 160억 개 트랜지스터, 고성능/저전력 등

개요

• 각종 부품을 하나의 반도체 칩에 집적 시킴으로써, 향후 반도체 뿐만 아니라 개별 부품을 모두 하나의 칩으로 만들기 위한 기술
• 고성능 및 저전력 특성 때문에 휴대용 정보 단말기나 여러 임베디드 시스템에 적합
• 현재는 대규모 집적 회로(LSI)를 기반으로 마이크로프로세서와 메모리 등을 통합하는 데 초점을 맞추고 있으나, 향후에는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술과도 융합되어 발전할 것으로 전망 됨

SoC의 개념

• 예를 들면, 휴대폰 내에 통신 기능 칩과 컴퓨팅 기능 칩 2개가 필요하지만, SoC 기술을 이용하면 칩 하나가 이 두 기능을 모두 수행할 수 있음
• 적절한 SoC의 개발은 휴대폰의 소형화와 전력 효율 향상과 직결 됨
• 대표적인 적용 사례는 스마트폰의 AP (Application Processor)이며, 명령어 처리 및 연산을 위한 CPU, 멀티미디어 데이터 재생 및 처리를 위한 영상 연산 담당 GPU, 기억 장소를 제공하는 메모리 (RAM), 기본적인 음성 통화 기능 및 데이터 송수신 기능 부분 등이 하나의 칩으로 통합된 형태임
• 기능마다 별개의 칩을 구성하는 것에 비해 SoC는 비용과 부피 및 크기의 소형화에 이점이 있으며, 전력 소모 절감 등의 효과가 있음
• 스마트폰 뿐만 아니라 태블릿 PC, 비디오 게임 콘솔, 홈 서버, 노트북 등에서 광범위하게 사용되고 있음
• SoC를 사용하면
  • 급속한 정보 통신 기술의 변화와 경쟁에 대응하기에 유리함
  • 반도체 산업과 IT 산업 전반에 걸쳐 상당한 파급 효과를 가져 오고 있음

SoC의 발전 요소

• 초소형, 저전력화가 가능하도록 설계 기술 및 원가에서의 경쟁력 제고와 함께 생산 설비와 기술을 확보하는 것이 매우 중요함
• 나노 미터급 초미세 회로 공정 기술이 필수적이므로 대규모 투자와 기술 개발 능력의 확보가 필요함

SoC 기술 발전의 특수성

• 하나의 SoC에 동적 램(DRAM)이나 정적 램(SRAM)을 포함할 수 있지만, 물량이 많이 확보된 제품이나 비디오 게임기와 같이 특수한 응용 분야가 아니면 경제성 문제가 발생할 수 있음
• 플래시 메모리는 제조 공정이 너무 달라서 단일 칩으로 SoC화 하는 것 보다는 별도의 칩으로 분리하는 것이 더 바람직함
• 아날로그 방식은 디지털 방식에 비해 단일 칩으로 소화하기에는 규모의 효과가 훨씬 떨어지는 약점이 있음

MEMS

MEMS (Micro Electro Mechanical System) 개요

• 초소형 3차원 구조물 또는 이를 포함하는 시스템 구현을 의미함
• 소형화 및 지능화가 요구되는 분야에서 핵심 기술로 인식됨
• 반도체 제조 공정 기술을 이용한 실리콘 미세 가공 기술 및 집적 회로(IC) 공정 기술을 접목하여 탄생 함
• 미세 기계 제작 및 전자 회로와의 집적화를 가능하게 하는 기술

MEMS 기술의 정의

• MEMS
  • M(Micro)는 마이크로 스케일로 매우 작은 크기를 의미
  • EM(Electro Mechanical)은 전자와 기계적인 동작 영역
  • S(System)는 특정한 기능을 갖는 시스템을 의미
• 전자 기계 소자를 육안으로는 보이지 않을 정도로 작은 수 밀리미터에서 수 마이크로미터의 크기로 제작하는 기술
• 단순히 기존의 기계를 축소한다고 해서 마이크로 기계가 되는 것은 아님

• MEMS 기술로 만들어진 기계의 구성 요소

  

  • 뇌와 신경에 해당하는 논리 회로
  • 탐지 기능을 담당할 각종 센서
  • 팔과 다리 역할을 할 기계 장치
  • 유기적으로 움직이게 할 수 있는 구동 장치

MEMS (Micro Electro Mechanical System)

MEMS 기술의 특징

• 주변 환경을 인식하여 데이터를 수집, 처리하고, 이에 따라 적절한 동작을 취할 수 있는 일련의 통합 시스템이어야 함
• MEMS의 제작은 전통적인 기계 가공 방법으로는 곤란하므로 반도체 미세 가공 기술을 이용하여 제작 됨
• 대량 생산이 가능하고, 가격이 저렴하며, 소형이고 고밀도 집적화가 가능함
• 반도체 칩
  • 작고 좁은 면적에 수많은 전기 회로를 2차원적으로 집적
• MEMS
  • 3차원으로 공간을 마련해 회로를 배열하는 점이 다르며, 반도체 소자와는 차별화된 특수 첨단 제작 공정이 필요함

• 대규모 집적 회로(LSI)
  • 프로세서에 의한 신호 처리와 메모리에 의한 기억 기능을 수행하며, 인간의 두뇌라 할 수 있음
• MEMS
  • 외부 세계와의 인터페이스 역할이 추가된 시스템으로 인간의 눈, 귀, 피부 등에 해당한다고 할 수 있음
• 부품 자체의 가치보다 시스템 응용에서 더욱 가치를 발휘함
• 군사, 우주 항공, 자동차, 정보 통신, 바이오, 의료, 가전, 엔터테인먼트, 환경, 산업 프로세스 등 광범위한 응용 분야에 적용할 수 있음
• ex) MEMS 디바이스
  • 잉크젯 프린터 헤드, 압력 센서, 가속도 센서, 디스플레이 소자 등
• 입체 구조를 형성하는 기술로 제조 과정이 다양하고 복잡하여 표준화하기 어려움
• 설계와 제조가 직결되기 때문에 실리콘 제조 공정과 같은 형태를 채택하는 것이 어려움
• 주로 반도체 미세 가공 생산 기술을 기반으로 하므로 초소형이며, 고정도, 고품질의 부품으로 구성됨
• 입출력 대상의 다양성
  • MEMS는 하나의 기판에 센서와 신호 회로, 구동 장치 등으로 구성된 3차원 구조체이기 때문에, 다루어져야 하는 입출력 대상이 전기 신호, 전력 처리, 기계 변위, 물리적 제어 신호 등과 같이 다양함
• 효율적인 소형화
  • MEMS는 경박단소한 상품 개발을 가능하게 하는데, 협소한 공간에서 미세하고 정교한 기능을 발휘해야 함
  • MEMS를 통해 MEMS는 극히 제한적인 작업 공간 속이나 폐쇄된 초소형 공간에서 가동될 수도 있음
• 효율적인 고기능성
  • 휴대 기기나 복잡한 장치 내부의 보수 검사 시스템 등에 적합
  • 제한된 공간의 다양한 장소에서 똑같은 센서나 구동 장치 등을 설치하고 총괄적으로 가동함으로써 작업 공간 내에 효율적이고 효과적인 고기능, 고성능의 결과를 만들어냄
• 제작의 융합화
  • MEMS는 기계, 전기, 전자, 재료, 물리, 화학 등 거의 모든 분야의 기술을 필요로 함
  • 기술 간의 유기적인 결합 또는 융합에 의해 새로운 기능의 창출이 가능함
• 제작의 다양성
  • MEMS는 센서나 구동 장치, 신호 처리 등의 다양한 요소를 사용하기 때문에 기계, 전기, 빛, 재료 등의 제작 기술이 융합되고, 다양한 제작 공정과 설비가 필요하다는 점에서 복잡함
• 생산 공장의 복잡화
  • MEMS는 설계, 패키징, 테스트가 부품 별로 다르므로 각 부품에 대한 품종 별 설계 과정, 제작 설비 및 개발 장비를 개발해야 함
• 광범위한 산업 분야와 연계
  • MEMS는 자동차, 의료, 가전, 운수, 우주 항공, 군사 등 산업 전반의 광범위한 분야와 연관되어 시스템의 핵심 구성 요소로 자리 잡기 시작했으며, 앞으로는 더욱 더 많은 분야에서 더 큰 비중을 차지할 것으로 예상 됨
• 센서 기술과의 융합
  • MEMS 기술은 다양한 센서에서 응용 됨
  • 실리콘을 재료로 한 MEMS 센서의 종류로 물리 센서와 화학/바이오 센서가 있음
  • MEMS 기술은 센서에 그치지 않고 광 디바이스, 고주파 디바이스, 발전 디바이스, 유체 분석 디바이스 등에도 활용되고 있음
• 그 외의 특징
  • 핵심 부품으로 사용되는 경우가 많음
  • 부가 가치가 높음
  • 긴 제품 수명
  • 장기간에 걸쳐 투사를 회수하게 됨

MEMS의 응용 분야

• 응용 분야에 따라 구분
  1. 가속도, 자이로, 압력, 온도, 센서 등의 미래 자동차
  2. 극소 반사경, 초정밀 렌즈, 극소 레이저, 감광 소자, 광신호 분리기, 광 단속기, 정보 검출기, 초 정밀 조립기 등의 정보 통신
  3. 고 해상도 잉크젯 프린터 헤드, 고 해상도 마이크로 디스플레이 등의 컴퓨터/사무 자동화 기기
  4. 초 소형 박막 전지, 각종 제조 장비 및 시설용 센서, 가정용 전기 제품의 센서 및 자이로 센서 등의 전자, 가전 설비
  5. 일회용 분석기, 초소형 내시경, 혈압 센서 랩온어침(Lab-On-a-Chip)등의 의료 및 환경 분야
• 자동차 분야

  • 자동차의 각 부분에 가속도, 자이로스코프, 압력 및 온도 센서 등 초소형 고성능의 각종 감지 센서가 부착되어 운전자의 안전 운행을 도움

    

    

  • 자동차용 각종 센서 개발은 에어백용 가속도 센서, 차체 제어용 자이로 센서, 타이어 공기압 센서, 자동차 엔진에 부착되는 흡기관 압력 센서와 공기 유랑 센서 등에 집중 되고 있음
  • 예를 들면, 가속도 센서는 사고가 발생하는 순간의 가속도 차이를 감지해서 자동으로 에어백이 터지도록 함
  • 자동차용 초소형 센서들은 기존 센서의 성능 및 신뢰성을 향상 시키면서도 가격 경쟁력을 높임
  • 스마트 자동차의 자율 주행을 위해 필수적인 레이더, 라이다, 비디오 및 초음파 센서도 MEMS 기술을 기반으로 제작되고 있음
  • 자동차용 초소형 센서는 차량 내비게이션에도 포함돼 에어백 및 ESP 시스템을 제어하며 주행 안전, 편안함, 편의성 및 효율성을 향상 시키는 광범위한 보조 기능을 지원함
• 정보 통신 분야
  • 광 MEMS를 이용한 극소 반사경, 초정밀 렌즈, 극소 레이저, 감광 소자 등의 극소화 광학 요소를 마이크로 구동기와 결합함으로써 광신호 분리기, 광 단속기, 정보 검출기, 초정밀 조립기 등의 다양한 응용 제품에 적용하여 개발하고 있음
• 컴퓨터/사무 자동화 기기 분야
  • 컴퓨터/사무 자동화 기기 분야에서 MEMS의 응용은 고해상도 잉크젯 프린터 헤드, 고해상도의 마이크로 디스플레이, 하드 디스크 등 정보의 저장, 검출 시스템 개발에 집중 되어 있음
  • 하드 디스크, 광 디스크, 광 자기 디스크 등 정보 저장 시스템은 대용량, 고밀화, 고속화의 추세에 맞추어 MEMS가 주목 받고 있음
• 전자, 가전 및 설비 분야
  • 전자, 가전 및 설비 분야에서 MEMS는 초소형 박막 전지, 각종 제조 장비 및 시설용 센서와 가정용 전기 제품 등에 적용됨
  • 미국의 텍사스 인스트루먼츠사 및 국내 기업체에서 대화면 디스플레이용 극소 거울 배열을 개발한 바 있으며, 국내에서는 손떨림 방지를 위해 캠코더용 자이로 센서의 선행 개발이 이루어졌음
  • 스마트폰 압력 센서는 스마트폰의 고도를 수센티미터 내의 오차로 정확히 측정해 낼 수 있으며, 스마트폰 사용자가 조난 상태에 빠졌을 때 정확한 위치를 제공할 수 있음

    • 로옴 압력 센서

      

• 의료 및 환경 분야

  • 의료 기기 분야에서 최초의 MEMS 적용은 1980년대 초에 등장한 일회용 혈압 센서임

    

  • 이후 의료용 초소형 진단 분석기 개발에 많은 관심을 두게 됨

  • 의료 기기 중 많은 연구가 이루어지고 잇는 것은 휴대용 및 일회용 분석기인데, 이들 시스템은 압력 센서, 마이크로 펌프, 마이크로 밸브, 화학 센서 등으로 이루어져 있음

    

  • 마이크로 니들은 인체 내에 약물을 전달하거나 건강 진단을 위한 검체 채취에 사용되는 미세 바늘임
  • MEMS 기술을 기반으로 나노미터 수준으로 제작되는 마이크로 니들은 적재적소에 접근할 수 있어 효과적으로 약물 전달을 가능하게 하는 장점이 있으면서도, 최소의 고통과 감염 위험이 적은 특징이 있음

  • 마이크로 니들을 활용한 화장품을 만들면 직접 피부에 바르는 것보다 침투가 훨씬 빨라서 효과적임

    

  • 피부 안으로 유효 약물을 전달하는 마스크 팩이나 패치, 채혈이 필요 없는 혈당 측정기나 효과적인 백신 투약과 같은 응용 분야에서의 연구, 개발이 진행되고 있음

정리 하기

• SoC는 여러 부품을 하나의 칩에 집적 시킬 수 있는 기술임
• MEMS는 전자 기계 소자를 육안으로는 보이지 않을 정도로 작게 제작하는 기술임

연습 문제

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1. SoC의 특징이 아닌 것은 무엇인가?

   a. 기능마다 별개의 칩으로 구성된다.

   • SoC의 특징
     • 칩 자체가 하나의 시스템으로 기능을 수행할 수 있음
     • 마이크로 프로세서, 디지털 신호 처리 장치, 메모리 등을 직접 시킨 칩
     • 부품의 개수와 부피를 줄일 수 있음

2. SoC 제작 과정중에서 펌 웨어등의 개발이 관여 되는 과정은 무엇인가 ?

   a. 시제품 제작 및 테스트 단계

3. 다음 중 MEMS 기술의 특징이 아닌 것은 무엇인가 ? 

   a. 생산 공정의 단순화

   • MEMS 기술의 특징
     • 입출력 대상의 다양성
     • 효율적인 소형화
     • 제작의 융합화
     • 생산 공정의 복잡화

정리 하기

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• SoC 기술
  • 칩 자체가 하나의 시스템으로 기능할 수 있도록 정보 통신 기기의 핵심 기능을 담당하는 메모리, 디지털 회로, 아날로그 회로, CPU, 센서, 안테나, 수동 소자 등을 하나의 반도체 칩에 집적하는 기술
• SoC의 장점
  • 급속한 정보 통신 기술의 변화와 경쟁에 대응하기 유리함
  • 비용과 부피 및 크기의 소형화 가능
  • 전력 소모 등의 효과
• 미세 전자기계 시스템(MEMS)
  • 유비쿼터스 네트워크나 초소형 휴먼 인터페이스 분야의 핵심 요소인 3차원 미소 구조물, 센서 및 구동 장치 등을 소형화 및 고정밀화하고 복합화를 가능
• MEMS 기술의 특징
  • 입출력 대상의 다양성
  • 효율적인 소형화
  • 제작의 융합화
  • 생산 공정의 복잡화
  • 광범위한 산업 분야와 연계
  • 센서 기술과의 융합