반도체 분류 사전 목차
1편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (1) - 반도체는 Discrete와 IC로 나뉜다 (tistory.com)
2편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (2) - 메모리 반도체 (tistory.com)
3편 : [반도체] 반도체 분류 사전 (3) - 시스템 반도체 (tistory.com)
시스템 반도체는 정보의 연산, 변환, 신호 감지 등 특정 기능을 수행하기 위한 집적 회로를 의미한다고 하였다. 이는 '메모리 반도체'가 아닌 반도체라고 하여 '비메모리 반도체'라고도 한다.
시스템 반도체는 3개의 큰 줄기로 나뉜다. 마이크로컴포넌츠, 아날로그IC와 로직IC가 바로 그것이다.
ⓐ 마이크로컴포넌츠(Microcomponents) : 각종 전자제품 작동에 필요한 수많은 명령어를 담고 있는 시스템 반도체. MPU, MCU, DSP가 있다.
ⓑ 아날로그IC(Analog IC) : 소리, 온도 등과 같이 연속적으로 변화하는 아날로그 신호를 전기 신호로 바꾸는 역할을 하는 시스템 반도체.
ⓒ 로직IC(Logic IC) : AND, OR 등의 게이트 회로를 집적한 시스템 반도체.
마이크로컴포넌츠는 다시 MPU와 MCU, DSP로 나뉜다.
ⓐ MPU(Micro Processor Unit) : 줄여서 마이크로프로세서라고도 한다. 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU, Central Process Unit)를 LSI화(대규모 집적화, Large Scale Integration)한 것이다. CPU가 컴퓨터 등에서 기억, 해석, 연산, 제어의 4대 핵심 기능을 수행하는 대뇌 역할을 하는 중앙처리장치인데, 이를 집적화하여 작게(Micro) 만든 것이 이 MPU이다. 보통 개인용 컴퓨터나 워크스테이션 등에서 사용되는 중앙처리장치를 CPU라고 부르고 전자기기나 산업용 장비에 쓰이는 소형화된 CPU는 MPU라고 불렀으나, CPU란 용어 자체가 광범위하여 MPU와 CPU는 거의 같은 의미로 사용되기도 한다.
⑴ CPU : 상기하였음.
⑵ GPU : 컴퓨터 그래픽을 처리하는 장치. 부동소수점 실수 연산과 벡터 연산에서 CPU를 초월하는(10배 이상) 성능을 가지고 있다. 초기에는 DP(Display Processor), 그래픽 프로세서 등으로 불렸으며, CPU가 기록한 비디오 램의 데이터를 베이스로 화면을 출력하거나 직접 이미지 파일을 화면으로 그려내는 단순한 역할을 하는 데 그쳤으나, 거기서 발전하여 3D 지오메트리 연산과 조명 연산을 자체적으로 지원하며 필레이트(픽셀 채우기) 속도를 개선하고 조명, 텍스처링, 픽셸 셰이딩, 블렌딩, 안티에일리어싱 같은 후처리 렌더링 등 그래픽 연산을 전담하게 되면서 GPU라는 이름으로 불리게 되었다.
ⓑ MCU(Micro Controller Unit) : 줄여서 마이크로컨트롤러라고도 한다. MPU에 특정 목적의 기능을 수행하는 소프트웨어를 이식해 다양한 기능을 발휘할 수 있도록 한다. 즉, MPU(CPU)는 중앙처리장치를 하나의 칩 안에 담아놓은 것이라면, MCU는 CPU에 이어 ROM과 RAM까지 하나의 칩 안에 내장한 것으로, 사실상 하나의 컴퓨터를 소형화한 칩이라고 생각하면 된다. 이러한 특징 때문에 '원칩(One-chip) 컴퓨터' 혹은 '마이콤'이라 불리기도 한다.
ⓒ DSP(Digital Signal Processor) : 디지털 신호를 기계장치가 빠르게 처리할 수 있도록 하는 집적회로를 말한다. 주 프로세서를 대신하여 여러가지 복잡한 연산들을 진행하는 데 특화된 특수 프로세서를 의미한다. 비유하자면 DSP는 CPU 옆에서 CPU를 도와주는 계산, 연산에 특화된 사람이다. 하여 특수하게 빠른 연산이 필요한 곳에 모두 들어간다. 예를 들어 실시간으로 무언가를 처리해야 하는 기기 등. 일상생활에서 사용하는 기기는 물론 디지털 회로가 장착된 항공기, 유도탄, 레이더 등에도 반드시 들어가는 프로세서이다. DSP는 또한 아날로그IC를 통해 디지털 신호로 변환된 음성 신호를 가공하는 역할을 하기도 한다. 예를 들어 기타나 베이스 치는 사람들이 자주 사용하는 '이펙터'에 이 DSP가 들어간다.
* 중간 요약
마이크로컴포넌츠는 각종 전자제품 작동에 필요한 수많은 명령어를 담고 있는 시스템 반도체로, MPU, MCU, DSP가 있다.
ⓐMPU : CPU를 LSI화한 집적 회로. 소형화된 중앙처리장치. 오늘날엔 CPU와 거의 같은 의미로 쓰인다.
⑴ CPU : 일반적인 중앙처리장치. 기억, 해석, 연산, 제어의 4대 기능을 수행
⑵ GPU : 필레이트, 렌더링 등 그래픽 연산 전담.
ⓑMCU : CPU에 RAM, ROM까지 하나의 칩에 내장하여 칩 하나가 하나의 컴퓨터 역할을 하는 반도체 집적 회로.
ⓒDSP : 계산에 특화된 집적 회로.
아날로그IC는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 시스템 반도체라고 하였다. 아날로그IC는 무엇을 변환하느냐에 따라 다음과 같이 나뉜다.
ⓐ PMIC(Power Management IC) : 전력반도체. 전력을 변환·처리·제어하는 반도체. 여러 IC의 전압과 화면 상태 등을 복합적으로 제어하는 집적 회로. 모바일기기나 배터리로 동작해야하는 장비들에서 최소한의 전력으로 구동할 수 있도록 함으로써 배터리 구동시간을 늘리기 위해 많이 사용한다. 전자제품(과 그 안의 주요 칩)에 흐르는 전력을 총괄한다. 95%를 수입에 의존한다.
ⓑ Image Sensor : 이미지센서. 촬상소자라고도 한다. 카메라 렌즈로 들어온 빛을 디지털 신호로 변환해 이미지로 보여주는 반도체. 포토다이오드를 집적시켜서 만든다. 스마트폰용 카메라뿐 아니라 스마트TV, 의학용 소형 촬영장비, 보안시스템 등에도 쓰이며, 여기서 더 나아가 자율주행차, 사물인터넷(IoT)에도 쓰이는 아주 중요한 반도체이다. 이는 포토다이오드 신호 전송 방식에 의하여 CIS와 CCD로 나뉜다.
⑴ CIS(CMOS Image Sensor) : CMOS(Complementary Metal Oxide, 상보성 금속산화막 반도체) 구조를 가진 저전력 촬상 소자로, 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 이미지 센서다. 빛 에너지를 전기 에너지로 변환해 영상으로 만드는데, 카메라 필름과 같은 역할을 한다. 집적도가 높고 전력 소비량이 적어 배터리 수명이 중요한 스마트기기 시장에서 선호되고 있다.
⑵ CCD(Charge-Coupled Device) : 전하결합소자. 엄밀하게 말하면 CCD는 전하를 이동시키는 소자를 말하고, 이 소자를 엄청 많이 박아서 빛을 전하로 전환시키고 그 전하를 다시 디지털화하여 디지털 이미지를 얻을 수 있게 하는 센서를 CCD 센서라고 하나, CCD 기술로 CCD 센서를 주로 만들고 CCD 센서가 산업적 활용도가 무척 높다보니 이제 CCD 센서가 CCD를 대표하는 용어가 되어버렸다. 빛을 전하로 변환시켜 이미지를 얻어내는 센서이며, 디지털 카메라, 스캐너, 캠코더와 같은 영상 장치에 많이 사용되었으나, 2010년 이후의 촬영장비엔 CCD보다 CIS를 촬상 소자로 더 많이 사용한다.
* 포토다이오드(Photodiode) : 반도체의 P-N 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로, 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서의 한 종류다. 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)와 다른 점은, 발광다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 바꾸지만 포토다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 변환한다.
* CIS와 CCD의 차이점
- CCD : 센서가 빛에 반응해서 빛에 상응하는 전류를 흘리는 이미지 센서. 각 화소에 빛이 조사돼 발생한 전하를 그대로 CCD의 전송 기능을 이용해 증폭기에 불러 그곳에서 처음 신호로 취급하여 증폭.
ⓐ 장점 : 색상 표현력이 뛰어나다. 노이즈가 적다.
ⓑ 단점 : 전력 소모가 크다. 디지털 데이터를 얻기 위해 부가회로가 필요하다. 하여 생산단가가 CMOS에 비해 상대적으로 비싸다.
- CIS : 화소에서 신호전자가 바로 전압으로 변환되는 이미지 센서. 각 화소에 전하를 축적한 후 화소 자체에 신호로써 취급하여 증폭한다.
ⓐ 장점 : 집적화가 쉽고 관리가 쉽다. 전력소모가 작다. 반응 속도가 매우 빠르다.
ⓑ 단점 : 색 표현력이 떨어진다. 노이즈가 상대적으로 크다. -> 시대가 바뀌고 CMOS 기술이 발전하면서 이 단점도 옛말이 되고 있다.
ⓒ Touch Controller : 스마트폰 액정에 적용된 터치 스크린 기술을 생각하면 빠르다. 감압식(물리적인 압력을 감지), 정전식(전기 신호의 변화), 적외선식 등이 있다.
* 중간 요약
아날로그IC는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 시스템 반도체이다.
ⓐ PMIC : 전력반도체. 전력을 변환·처리·제어한다.
ⓑ Image Sensor : 촬상소자. 렌즈로 들어온 빛을 디지털 신호로 변환한다. 포토다이오드 신호 전송 방식에 의해 아래와 같이 구분된다.
⑴ CIS : CMOS 구조를 가진 촬상 소자. 화소에서 신호전자가 바로 전압으로 변환한다. 현대에 와서 가장 많이 쓰이는 센서.
⑵ CCD : 전하결합소자. 각 화소에 빛이 조사돼 발생한 전하를 증폭기로 불러서 그곳에서 증폭하여 변환한다.
ⓒ Touch Controller : 터치 스크린 기술. 감압식, 정전식, 적외선식 등이 있다.
로직IC는 AND, OR 등의 게이트 회로를 집적한 시스템 반도체라고 하였다.
로직IC는 범용(Standard) 로직IC와 전용(Special) 로직IC로 나뉘는데, 범용 로직IC에 속하는 것들은 아래와 같다.
ⓐ DDI(Display Driver IC) : 디스플레이를 구성하는 수많은 화소들을 조정해 다양한 색을 구현토록 하는 '디스플레이 구동칩'이다. CPU 등에서 전달받은 디지털 신호를 RGB 아날로그 값으로 전환하여 스마트폰, 태블릿PC, TV용 디스플레이 패널 등에 전달해 영상을 구현한다.
ⓑ T-CON(Timing Controller) : 디스플레이 구동칩이 디스플레이 패널을 구동할 수 있도록 각종 제어신호 및 데이터를 생성하는 IC이다. 디스플레이의 CPU라고 보면 될 것이다. 'CPU → DDI → T-CON → 영상 구현'이라고 보면 된다.
ⓒ Media IC : 각종 미디어를 구현토록 하는 칩이다.
ⓓ FPLDs(Field Programmable Logic Device) : 반도체 제조업체가 아닌 현장에서 엔지니어 등이 직접 디바이스를 프로그래밍하여 설계한 회로를 반도체 칩 상에 구현할 수 있도록 만든 칩이다. CPLD(Complex Programmable Logic Device)라는 말도 참고하면 좋다. CPLD도 프로그램을 써넣을 수 있는 논리 소자를 의미한다.
전용 IC에는 AP와 같은 것들이 있다.
ⓐ AP(Application Processor) : 스마트폰, 디지털 TV 등에 사용되는 시스템 반도체로, 일반 컴퓨터의 CPU와 같은 역할을 한다. 스마트폰 반도체 중 가장 기술집약적인 부품이며, 가로·세로 각각 14mm, 두께 1.4mm에 불과한 AP 칩에 SP, 모바일D램, 플래시메모리 등이 탑재되어있다.
* 이외에 IVI(In-Vehicle Infotainment, 차량용 인포테인먼트)에 쓰이는 반도체도 차량 '전용 IC'로 분류할 수 있겠다.
* 중간 요약
로직IC는 AND, OR 등의 게이트 회로를 집적한 시스템 반도체이다.
(1) 범용 로직IC
ⓐ DDI : 디스플레이 구동칩. 디지털 신호를 RGB 아날로그 값으로 전환하여 디스플레이 패널에 전달해 영상 구현.
ⓑ T-CON : DDI가 디스플레이 패널을 구동할 수 있도록 각종 제어신호 및 데이터를 생성하는 집적 회로.
ⓒ Media IC : 각종 미디어 구현 칩
ⓓ FPLDs : 현장에서 엔지니어가 프로그래밍할 수 있는 논리 소자
(2) 전용 로직IC
ⓐ AP : 스마트폰, 디지털TV의 CPU 역할을 하는 시스템 반도체.
ⓑ 기타 : IVI 등.
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