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SoC


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파일:전기전자공학의 반도체.gif 파일:Apple M2.jpg
SoC의 대표적 예시인 Apple Silicon M2.

1. 개요2. 설명3. 구조 및 기능
3.1. 구조3.2. 기능
4. 발열 문제 및 해결법
4.1. 발열4.2. 해결법
5. 학문과의 관계
5.1. 전자공학, 컴퓨터과학5.2. 생명 공학 & 의공학 & 생체 공학
6. 공정 및 설계와 생산
6.1. 공정6.2. 설계6.3. 생산
7. 고장 및 수리8. 목록9. 관련 문서

1. 개요

SoC(System on a Chip)[1]는 완전 구동이 가능한 제품과 시스템이 한 개의 칩에 들어 있는 것을 말한다. 즉, 하나의 칩 내에서 CPU, GPU, NPU, RAM, ROM, 컨트롤러 등의 다양한 역할을 구현하는 체제이다.

비유하자면 우리의 뇌와 같은 존재라고 생각하면 된다.
CPU= 전두엽
GPU= 후두엽
RAM 및 ROM= 해마

또는 간단하게 기존 조립식 컴퓨터에 쓰이는 부품들이 대부분 칩 하나로 통합되었다고 보면 쉽다.[2] 즉, 칩 한 개로 시스템을 이룰 수 있어야 한다. #

본래는 MCM 기술을 대체하는 기술로서 각광받았으나, 최근 미세공정의 어려움과 비용 증가로 여러 다이를 결합하는 SiP 방식으로 회귀하는 경우도 많아지고 있다. 물론 SoC를 위해 발전된 미세공정과 패키징 기술 덕에 SiP임에도 기존 SoC에 준하는 소형화와 전력소모를 가지는 편.

2. 설명

SoC는 주로 모바일 기기, 아두이노와 같은 전력 소비가 적은 즉 저전력 소비 디바이스에 효율적으로 사용된다. 주요 제조사는 퀄컴, Apple, 삼성, 미디어텍 등이 있는데 퀄컴은 퀄컴 스냅드래곤, Apple은 Apple Silicon, 삼성은 엑시노스 시리즈, 미디어텍은 미디어텍 Dimensity 시리즈, 미디어텍 Helio 시리즈 등이 있다.

이전에는 전원만 넣으면 작동하는 수준의 디바이스 원칩 솔루션을 의미했으나 그 의미가 상당히 바뀌어 주기억장치의 역할을 하는 RAM과 보조기억장치의 역할을 하는 NAND가 별도로 필요한 경우에도 SoC라고 통칭하는 경우가 많다. SoC는 시간이 지날 수록 사용량이 방대하게 증가한다.

자기완결성의 관점으로 보자면 SoC의 개념을 가장 잘 충족시키는 제품들은 내장 RAM과 프로그래밍 가능한 ROM이 보조기억장치와 주기억장치의 역할을 동시에 수행하는 작은 마이크로컨트롤러 계열의 제품들이다.

그러므로 SoC는 단일 칩셋만으로 자기완결성을 가졌는가에 의한 것이 아니라 주로 CPU와 연결된 시스템 버스[3]에 연동되는 주변 장치들이 단일 칩으로 통합되었는지 여부로 결정된다.

예를 들어 iPhone 12 Pro의 SoC인 A14 Bionic 혼자서 전원 장치 및 직류 전원을 처리하지 않고, 다른 IC 칩 등과 같은 칩셋들이 각자의 역할을 해내듯이 SoC가 꼭 단일 칩만으로 자기 완결성을 가진 것은 아니므로 앞서 서술 했듯이 시스템 버스에 연동되는 주변 장치들이 모두 SoC로 볼 수 있는 것이다. 거꾸로 말하면 시스템 버스에 주변 장치를 첨삭해야 할 경우 칩의 설계를 바꿔야 하는가 아니면 보드의 설계나 도터보드(daughterboard) 추가 여부만 변경 되는가에 따라 SoC의 여부를 판별할 수 있다.

위 내용을 다시 iPhone 12 Pro에 비유해보자면, 적절한 비유는 아니지만 A14 Bionic 칩셋을 CPU, GPU, RAM, ROM 등의 역할에서 직류 전원 공급장치로 바꾸려면 A14 Bionic 칩셋의 설계 자체를 바꾸거나 메인보드의 기판 회로들의 구조와 설계를 바꿔야 하는 것이다.[4]

3. 구조 및 기능

3.1. 구조

SoC는 주로 모바일 장치에 탑재되는 경우가 많으며, 흔히 ' CPU'로 알고 있는 것들(퀄컴, 엑시노스 등)을 중심으로 구성된다. 아래는 SoC의 구성 요소(구조)를 서술한 것. 사진으로 보는게 이해가 더 빠르다.
파일:SoC의 구조 예시.png 파일:SoC의 구조 예시 2.png
위 두 사진은 SoC의 구조인데 SoC는 이렇게 하나의 칩에 여러가지 기능을 동작할 수 있는 칩셋이 구성 되어 있다.

위 사진은 아래의 서술된 내용과는 몇개 제외하곤 관련이 있으니 참고하길 바란다.

* 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서 등과 같은 디지털 신호 처리기 코어 탑재
* RAM, ROM 등과 같은 플래시 메모리 칩셋이 내장되어 있다.
* GPS, 진동자와 같은 위치 및 위성 시스템이 탑재되어 있다.
* CPU, GPU와 같은 연산 및 시뮬레이션 구현을 위한 칩셋이 내장되어 있다.
* 모뎀, 전력 관리 소켓이 내장되어 있고 전화, SMS를 이용하기 위해 연동된 시스템 칩셋이다.

3.2. 기능

하나의 시스템을 칩으로 구현하였기 때문에 원하는 시스템마다 구현할 기능 블록들이 다르다.
스마트폰을 기준으로 다음과 같은 기능 블록이 탑재되어 있다.

4. 발열 문제 및 해결법

이 문단을 읽기전 참고 해야 할 사항은 해당 정보들은 스마트폰에 탑재된 AP들을 기준으로 서술하니 다른 PCB 및 BGA와는 다소 차이가 있을 수도 있으니 그 점을 감안해야 한다.

4.1. 발열

초창기에는 단순하게 말 그대로 정보 통신만 수신, 송신 정도로 할 수있는 데에 그쳐 단순하게 그래픽 디스플레이와 비교적 단순한 SoC를 사용하였지만, 점점 시대가 지남에 따라 응용 프로그램들의 발전과 그래픽 시뮬레이션들의 업그레이드로 인해 좀 더 복잡한 방정식을 해결해야 할 필요성이 생기기에 SoC가 급격하게 발전한 것이고, 그렇게 되어 오늘날 현재 우리가 사용하고 있는 스마트폰의 끊김 없는 다이나믹한 컴퓨팅을 즐길 수 있는 것이다. 하지만 그에 따른 더 복잡한 응용 프로그램의 난제를 해결 하기 위해 요구 사양이 증가 됨과 함께 발열도 함께 증가 되었다.

사람으로 비유하자면 고강도 운동을 빡세게 할수록 체온이 올라 가듯이 얘네도 마찬가지로 복잡한 응용 프로그램을 구동하면 당연히 온도가 올라갈 수밖에 없다. 그 이유는 열역학법칙과 에너지 보존 법칙 때문.

4.2. 해결법

인간의 쿨링 시스템 메커니즘은 체온이 올라가면 체내에 있는 수분을 배출시켜 열을 식히는 쿨링 시스템으로 이루어져 있는 반면 이들은 생물이 아니기에 스스로 쿨링 시스템을 구축할 수 없다.

즉 SoC는 동물이 아니기에 직접 하드웨어적, 소프트웨어적 방법으로 쿨링 시스템을 탑재해야 한다. 그래서 2015년 후반부터 SoC의 발열을 해결하기 위해서 여러 방안들이 나오고 있다.

이를 해결하기 위해 앞서 서술한 두 가지 방법이 있는데 그중 첫 번째 방법으로는 하드웨어적 방열 솔루션을 설치하는 것이다. 실제로 대부분의 스마트폰 제조사에선 히트 파이프를 설치하여 발열을 감소시키고 또 방열 패드 및 방열 스티커와 열 전도 극대화를 위한 써멀을 도포 후 쿨링 시스템 체계를 만든다.[6] 그래서 Vulkan API가 본격적으로 탑재된 2016년부터[7] 대부분의 스마트폰 제조사에서 히트파이프를 도입하기 시작했다.[8]

두 번째 방법으로는 소프트웨어 제어를 통해 발열을 줄이는 것이다. 소프트웨어 최적화를 통해 사용되는 리소스를 줄여 발열을 줄이는 방법이 있으나, 과거 2010년 초중반에만 효과가 있었지 시간이 지날수록 소프트웨어를 최적화하여 발열을 줄이는 방법은 절대적인 데이터의 양이 증가하는 상황에서 한계를 드러내고 있다.[9] 그래서 2016년에서 대부분의 제조사에서 히트파이프를 도입한 것. 물론 제일 효과적인 방법은 커널 단에서의 스로틀링이다. 발열로 인해 하드웨어 문제가 생기는 걸 막기 위해 일정 온도에 다다르면 칩의 성능을 강제로 떨어뜨려서 발열을 낮춘다. 스로틀링은 일반적으로 음성 피드백 형식으로 이뤄지며, 최근 논란이 된 삼성 갤럭시의 GOS처럼 특정 과부하 앱이 실행된 것 자체로 칩 성능에 컷을 걸어버리는 형태도 존재한다.

기종마다 다르지만 공정에 문제가 있거나 제조사가 설계를 이상하게 하면 위 두 가지의 쿨링 시스템을 적용하더라도 디바이스가 고온의 온도로 유지될 것이다. 그 이유는 시간이 지나면 지날수록 점점 프로그램들의 요구 사양이 높아지고 또 프로그램들의 퍼포먼스가 증가함에 따라 그만큼 SoC가 감당해야 할 정보들도 많아지는 것이기 때문인데 만약 프로그램 자체에서 해결할 수 있는 선이면 애초에 히트 파이프가 설치 되는 경우는 거의 없었을 것이다. 다른 경우는 해당 제조사의 전자공학자들이 이상하게 설계를 해서 그런 걸 수도

5. 학문과의 관계

5.1. 전자공학, 컴퓨터과학

SoC를 설계 및 공정을 하기 위해서 학부에서 배우는 기초이자 기본이자 핵심 과목들이다. 그래서 SoC 설계와 공정에 직접적인 상관이 있는 것만 기재했고 굵게 표시된 것은 특히 더 중요하단 의미.

반도체 칩에 대해 이야기 할 때 관련 학과로는 보통 전기전자공학과를 많이 떠올리지만, 프로세서 아키텍처[10] 연구개발은 컴퓨터 과학자들이 주도한다.
1학년
  • 미분적분학 Ⅰ · Ⅱ[11]
  • 일반 화학[12]
  • 일반 물리학[13]
  • 디지털논리설계[14]
  • 전문 학술 영어
2학년
  • 공업수학 Ⅰ · Ⅱ [15]
  • 선형대수학
  • 전자기학(심화)[16]
  • 고체전자물리학개론
  • 자료구조론[17]
  • 회로이론 I[18]
  • 수치해석[19]
  • 신호와 시스템[20]
  • 마이크로 프로세서 [21]
  • 반도체 소자[22]
3학년
  • 디지털신호처리1
  • 전자회로1
  • 컴퓨터구조
  • 랜덤 프로세스
  • 마이크로파회로설계
  • 운영체제
  • 제어시스템개론
  • 집적회로소자
  • 디지털신호처리2
  • 전자회로2
  • VLSI공학
  • 광전자공학
  • 안테나공학
  • 알고리즘
  • 정보디스플레이공학개론
  • 컴퓨터네트워크
  • 통신시스템
4학년
  • 디스플레이설계및공정
  • 디지털통신
  • 무선네트워크
  • 반도체회로공정
  • 부호이론
  • 영상처리
  • 융합전자공학종합설계1
  • 융합전자설계입문
  • 임베디드시스템설계
  • 인공지능개론
  • 전파시스템
  • 객체지향 프로그래밍
  • SoC설계
  • 컴파일러
  • 디스플레이구동회로
  • 무선통신공학
  • 아날로그회로설계
  • 융합멀티미디어시스템
  • 융합전자공학종합설계2
  • 이동통신단말시스템설계

5.2. 생명 공학 & 의공학 & 생체 공학

SoC는 의외로 생체 분야에서도 많이 사용된다. 대표적인 게 일상적으로 사용 되는 인바디가 그렇다. 전류 임피던스에 따른 저항값 변화를[23] SoC가 처리하기 때문이다.

6. 공정 및 설계와 생산

6.1. 공정

요즘엔 대부분 SoC의 설계 공정이 거의 한계치에 이르렀다. 2022년 기준 불과 12년 전인 2010년에는 대부분의 스마트폰에 탑재된 AP들은 45nm 공정에 CPU 코어 수도 듀얼 코어에 그쳤지만, 2022년 현재는 4nm 공정에 8코어까지[24] 설계 공정이 대폭 발전하였다.

불과 10년 전에는 연 평균 6~7nm 씩 생산 공정이 좋아지는 반면 근년 들어서 생산 공정의 단위가 대폭 감소 되어서 대부분의 기업들은 코어수를 늘리는 것과 공정의 규격을 줄이는 것 보단 병렬성과 안정성에 초점을 두고 있다. 하지만 아무리 기술 발전의 한계가 있더라도 언젠간 pm(피코 미터)에 도달할 것이다.

6.2. 설계

공장에서 생산을 하기 전, 가장 먼저 설계를 한다. 집을 지을 때도 단순히 뚝딱 만드는 것이 아닌, 미리 도면을 그려 여러 역학을 사용 후 설계를 하듯이 SoC도 마찬가지로 먼저 칩의 구조를 설계한다. 먼저 시장조사를 통해 완성할 칩의 성능과 기능을 결정하고 여기에 맞는 IP들을 직접 설계하거나 사오게 된다. 이를 RTL에서 합친 후 기능을 검증하게 된다. SW의 설계와 다르게 하드웨어는 수정이 불가능하기 때문에 설계 단계의 대부분은 검증이 차지하게 된다. 일반적인 버그 이외에도 Corner case까지 모두 검증해 최종 출시되는 칩에 기능상의 문제가 없도록 한다.

설계는 보통 EDA를 사용한다. 보통 Cadence나 Synopsys의 소프트웨어를 사용한다. 이때 SoC의 설계는 트랜지스터나 스키메틱 기반이 아니라 HDL을 활용한다. HDL은 Verilog, VHDL과 같은 반도체 전자 회로 설계를 하기 위해 사용 되는 언어들로 이 언어들을 사용하여 RTL에서 설계하게 된다. RTL은 Register Transfer Level의 약자로 Register와 그 사이의 Combinational Logic을 기능단위로 정의하고 설계하는 단계이다. EDA는 일종의 CAD 전자공학 버전이며 EDA는 반도체 설계를 위해 개발된 소프트웨어들을 묶은 것이다.
​
예를 들어, Verilog HDL을 통해 애플의 A칩을 설계했다고 하자. 제일 먼저 Verilog 문서를 작성한 후 EDA 툴로 기능 검증 시뮬레이션을 돌린다. EDA Tool은 문법상의 오류, 합성과정의 오류를 전부 체크하고 문제가 없을 경우 검증 엔지니어가 정의한 검증 코드를 바탕으로 수없이 많은 시뮬레이션을 진행해 기능이 정상적으로 작동하는지 체크하게 된다. 앞서 언급한 것처럼, Corner case를 전부 검증해야 하기 때문에 매우 많은 시간이 소요되게 된다.기능 검증 시뮬레이션은 단순히 기능만을 검증할 뿐, 칩의 동작을 보증하지 않는다. CMOS는 스위칭에 따른 딜레이가 존재하기 때문에 레지스터와 레지스터 사이를 주어진 클럭 안에 통과해야 한다. 이때, 통과 시간과 클럭의 차이를 Slack이라고 한다. Static Timing Analysis는 이 Slack을 전부 계산해 설계자에게 정보를 제공한다. Slack이 전부 양수가 되면(Timing Closure) 이 단계를 통과하게 된다. 위 검증 과정을 모두 마치면, EDA Tool을 이용해 P&R과정을 거치게 된다. 설계된 블럭들을 실제 칩의 레이아웃으로 바꾸고 트랜지스터들이 어떻게 배치되어 있는지 전부 결정하게 된다.

이 과정을 마치면 최종적으로 생성된 데이터를 파운드리 업체로 넘기게 된다. 파운드리 업체와 함께 사용할 공정에 맞게 Mask를 제작하고 공장에 넣어 실제 칩이 정상적으로 동작하는지 파악하게 된다.

이러한 설계 과정만을 담당하는 업체를 팹리스(Fabless)라고 부르며, Apple, NVIDIA, AMD, 퀄컴이 대표적 팹리스다.

6.3. 생산

설계를 했으면 이제 생산을 하는데 설계할 때 새운 각종 방정식들과 조직들을 계획 및 수립해서 실제로 생산한다. 먼저 규소를 녹여서 액체 상태로 만든 후 비스무트, 주석 등과 같은 곳에 섞어서 쓴다. 그리고 실리콘 등이 소재로 사용된다. 화학적 소재를 이용한 생산 공정은 반도체 문서 참고. 또 이런 물질과 섬유의 연구와 개발을 담당하는 학문이 바로 재료공학 또는 신소재공학이다. 재료공학은 전자공학과 많은 교류를 한다. 전자 회로를 설계하는데 그 전자 회로에 어떤 섬유를 사용하면 전기 전도성의 저항이 적어 CPU의 동작 처리 속도가 빨라지는 역할을 해주는 것이 재료 공학의 의의다.

7. 고장 및 수리

자세한 건 BGA 문서 참고.

일단 간단하게 서술하자면 땜 스테이션으로 SoC에 접점 된 볼들을 분리 후 해당 SoC에 플럭스를 도포 후 가열 된 인두기에 열선을 들인다. 여기서 납선을 인두기로 녹여서 볼들을 다시 채우는 과정으로 수리를 한다. 하지만 애초에 SoC가 고장나면 대부분 SoC가 탑재된 마더보드를 통째로 교체하는 게 일반적이다. 이유는 기존 PCB 기판에 입력된 정보들이 손실될 확률이 크며, 애초에 SoC는 보통 2중, 3중 구조로 제작 되어서 납 볼을 잘못 건들이면 사실상 칩 수리는 불가능하다는 얘기이며 이건 SoC의 큰 단점 중 하나이기도 하다.[25]

더군다나 모든 파츠가 SMT돼서 하나의 보드를 이루는 특성상 어느 파츠가 불량인지 알아내는 것조차 회로 해석 전문가가 아닌 이상 매우 어렵다.

8. 목록

9. 관련 문서


[1] SoC의 원어인 System on a Chip에서 관사 'a'를 빼먹고 쓰는 경우가 많다. Apple M1 칩 공개 기사나 삼성전자가 운영하는 페이지에서도 관사를 빼먹고 있다. [2] 물론 완전히 모든 걸 통합한 건 아니고 회사마다 다 다르다. 가령 Apple Silicon은 자체적인 모뎀이 없어 별도의 칩이 따로 있지만 퀄컴은 모뎀까지 합쳐져 있다. 반대로 램의 경우 M1은 칩에 내장되어 있지만 퀄컴 칩셋들은 SoC 위에 램이 얹어진, 램이 메인보드와 연결된 구조이다. [3] ARM 사의 AMBA가 대표적인 시스템 버스이다. [4] PMIC를 칩셋에 내장시키면 궁극적인 SoC가 나오긴 하지만, 이로 인해 칩셋 내부에서 전원을 통합적으로 관리할 수 있다는 장점이 두께/크기 증가, 발열 증가라는 단점보다 크지 않으므로 이뤄지지 않고 있다. [5] 아직 흔하지는 않고, 사용자 입장에서도 이게 수행하는 역할을 체감하기 어렵다. 탑재 추세가 늘어나고는 있지만 현재 이를 가장 적극적으로 써먹고 있는 회사는 Apple이다. [6] Ahamed, M.S., Saito, Y., Mashiko, K. et al. Characterization of a high performance ultra-thin heat pipe cooling module for mobile hand held electronic devices. Heat Mass Transfer 53, 3241–3247 (2017). https://doi.org/10.1007/s00231-017-2022-7 [7] Vulkan API가 정확한 원인은 아니고 이전 해에 출시된 Snapdragon 808/810 시리즈의 엄청난 발열이 원인이라 볼 수 있다. [8] 예외로 Apple의 iPhone 시리즈에는 히트파이프가 여전히 도입되지 않고 방열 패드만으로 하드웨어적 방열을 수행한다. 이는 Apple Silicon의 (타사 SoC 대비) 뛰어난 전성비가 뒷받침된 결정으로, 히트파이프 채택 시 원가가 상승하고 부피와 무게도 증가하기 때문이다. 소비자 입장에서는 배터리나 무게에서 타협이 크게 필요한 것이 아니라면 있는 것이 좋지만. [9] 소프트웨어 최적화를 안 하는 것은 아니고, 모바일 개발환경이 어느 정도 자리잡으며 이에 걸맞은 프로그래밍을 프로그래머도 할 줄 알고, 개발 소프트웨어에서도 자체적으로 최적화를 해주게 되며 상향평준화가 되었다. [10] MIPS, RISC-V, ARM(CPU)등. [11] 참고로 문제 수준 자체로만 보면 수능 수학이 훨씬 더 어렵지만, 애초에 대학 미분적분학 Ⅰ · Ⅱ는 '문제 수준'을 기준으로 하기보다는 얼마나 더 '심화됐는지'인즉 지식의 깊이를 요구할 뿐이므로 겁낼 필요는 없다. 지식은 생각보다 금방 쌓이는 편이며 방대한 분량이 애로사항일 뿐이다. [12] 반도체의 소자 및 재료, 원자 붕괴에 따른 자유전자 이동 등을 배운다. 대학원 진학 할 때 SoC 공정 과정에서 많이 씀 [13] 여기서도 전자기학을 배운다. 다만 다른 역학(ex: 양자역학, 열역학, 유체역학 등)도 배우는데 양자역학이 전자공학에서 물리 중 전자기학 다음으로 많이 사용된다. [14] 후에 서술할 HDL, Verillog에 대해 다룬다. [15] 앞으로 쓰일 미분 방정식, 가우스 적분 등에 대해 깊이 다룬다. [16] 맥스웰 방정식, 델 연산자 등을 좀 더 깊이 다룬다. [17] 알고리즘 전자공학 에디션이라고 생각하면 된다. [18] 전자공학 회로 구조에 대해 배운다. or, Not 연산자 등 [19] 전자공학에서 어떤 결과 값 및 대조 값과 근삿값을 해석하는 것에 대해 다룬다. [20] PCB에서 송출 된 신호를 구조 역학적으로 어떤 시스템 체계로 이루어지는지 배운다. [21] 전문 교과이다. SoC와 관련이 있다. [22] 전문 교과이다. 1학년 때 배운 일반 화학이 쓰인다. 또 SoC와 관련이 있다. [23] 전류는 근육을 지날 땐 느려지는 특성이 있다. 반면 체지방을 지날 땐 전류의 흐름 속도는 빨라 진다. [24] Mediatek에는 10코어 제품까지 있었지만 효율을 이유로 8코어로 선회했다. [25] 실제로 M1 맥들도 칩에 문제가 생기면 그냥 마더보드를 통째로 교체한다. 칩에 달려있는 램조차 교체가 매우 힘들다고 할 정도인데 SoC라면 더더욱… [26] 아톰 시리즈는 베이트레일, 체리트레일부턴 4코어

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