SoC란? 휴대폰 속 ‘시스템 온 칩’ 쉬운 설명

SoC는 system on a chip의 약자로, 시스템 온 칩이라 부른다. 전자 제품 하나에 필요한 여러 기능, 예를 들어 계산을 맡는 프로세서(CPU), 화면을 그리는 그래픽 처리 장치(GPU), 메모리를 관리하는 회로, 무선 통신, 카메라 사진을 처리하는 회로를 모두 칩 하나에 만들어 넣은 것이다. 휴대폰, 태블릿, 스마트워치에서 가장 중요한 칩은 대부분 SoC다. CPU는 SoC 안의 한 블록일 뿐이다.

칩 자체가 무엇인지는 ‘칩이란?’부터 읽어 보면 된다.

SoC 안에는 무엇이 있나?

SoC를 큰 빌딩이라고 생각하면 쉽다. 층마다 부서가 하나씩 있어 각자의 일을 하면서도 함께 일한다. 칩마다 구성은 다르지만, 휴대폰의 SoC에는 흔히 다음 블록이 있다.

• 프로세서(CPU): 프로그램에 따라 한 단계씩 계산하고 판단하는, 칩 전체의 지휘자다. 코어가 여러 개인 경우가 많은데, 코어란 각자 따로 일할 수 있는 프로세서 한 벌을 말한다.
• 그래픽 처리 장치(GPU): 화면을 그린다. 똑같은 작은 계산을 한꺼번에 많이 하는 데 뛰어나서, 게임을 하거나 화면을 부드럽게 움직일 때 이 블록이 쓰인다.
• AI용 회로: 흔히 NPU라 부르며, 얼굴 인식이나 음성 같은 AI 작업을 전담한다.
• 영상 처리: 흔히 ISP라 부르며, 카메라가 찍은 원본 데이터를 사진 한 장으로 정리한다.
• 무선 통신: 이동통신망과 그 밖의 무선 신호에 연결하는 회로다.
• 메모리 제어: 칩 바깥의 메모리에서 데이터를 가져오고 저장하는 일을 관리한다. 칩 안에도 아주 빠른 작은 메모리가 조금 있는데, 이를 캐시라 한다.

이 밖에 화면, 충전 단자 같은 바깥 장치와 연결하는 회로도 있다. 모두 합치면 휴대폰 SoC 하나에는 트랜지스터가 100억 개 넘게 들어 있다(트랜지스터란?).

SoC와 CPU는 무엇이 다른가?

한마디로 CPU는 빌딩 안의 한 부서이고, SoC는 빌딩 전체다.

전통적인 데스크톱 컴퓨터에서는 CPU가 칩 하나이고, 메모리, 그래픽 카드, 네트워크는 각각 다른 칩으로 회로 기판 위에 흩어져 기판의 배선으로 서로 연결된다. 휴대폰에는 그 많은 칩을 넣을 자리가 없어서, 대부분을 칩 하나에 넣었다. 그래서 사람들이 휴대폰의 ‘프로세서’라고 할 때는 대개 그 안의 CPU만이 아니라 SoC 전체를 가리킨다.

가전제품이나 리모컨에 흔히 들어가는 마이크로컨트롤러(MCU)도 프로세서, 약간의 메모리, 주변 회로를 칩 하나에 만든 것이다. SoC와 매우 비슷하지만 훨씬 작고 단순하다.

왜 칩 하나로 만드나?

• 작다: 원래 여러 개였던 칩과 그 사이의 배선이 칩 하나로 줄어든다. 회로 기판이 작아져야 휴대폰을 얇게 만들고 스마트워치를 손목에 찰 수 있다.
• 전력을 덜 쓴다: 신호가 칩 밖으로 나가려면 핀을 거쳐 회로 기판 위의 몇 센티미터짜리 배선을 지나야 한다. 이런 배선은 칩 속 배선보다 훨씬 ‘무거워서’, 데이터를 한 번 보낼 때마다 드는 전력도 몇 배나 많다. 신호가 칩 안에 머물면 이 전력을 아낄 수 있다. 배터리로 움직이는 기기가 이 점을 가장 중요하게 여긴다(칩의 전력이 어디에 쓰이는지는 ‘칩은 왜 전력을 쓸까?’ 참고).
• 빠르다: 칩 안의 경로는 짧고, 나란히 깔 수 있는 배선도 많아서 데이터가 빨리 오간다.
• 많이 만들면 싸다: 칩 하나가 여러 개를 대신하니 사고 솔더링할 부품이 줄어든다. 많이 팔수록 칩 하나가 나눠 지는 설계비도 줄어든다.

대가는 무엇인가?

설계가 크고 어렵다

100억 개가 넘는 트랜지스터와 완전히 다른 여러 종류의 회로를 한데 몰아넣어 동시에 동작시키면서도 서로 간섭하지 않게 해야 한다. 그래서 모든 블록을 처음부터 그리는 경우는 드물고, 예전에 설계해 검증해 둔 블록을 다시 쓰는 경우가 많다. 칩 전체가 하는 일이 모두 맞는지 확인하는 데만 시간의 큰 부분이 들어간다(설계가 무슨 일을 하는지는 ‘IC 설계(VLSI)와 팹 업무는 무엇이 다를까?’ 참고).

오래 걸리고 비싸다

설계를 시작해서 첫 칩이 나오기까지 몇 달에서 1년 넘게 걸리는 경우가 많다. 설계를 마치고 테이프아웃하면 먼저 포토마스크 한 세트를 만들어야 하는데, 층마다 패턴이 적어도 한 장씩 필요하고 세대가 새로울수록 비싸다. 테이프아웃 뒤에야 오류를 발견하면 설계를 고치고 포토마스크를 다시 만들어, 또 몇 달을 기다려야 한다.

작은 블록 하나가 불량이면 칩 전체를 못 쓰는 경우가 많다

웨이퍼 한 장에는 눈에 보이지 않을 만큼 작은 결함이 늘 몇 개씩 떨어진다. 결함이 SoC의 어느 블록에 떨어지면 그 블록은 불량이 된다. 모든 기능이 같은 칩에 있으므로 블록 하나가 불량이면 칩 전체를 쓸 수 없는 경우가 많다. 칩이 클수록 결함에 맞기 쉽고, 수율은 낮아진다(뉴스에서 말하는 ‘수율’ 글에서 쿠키 굽기로 설명했다).

보완하는 방법도 있다. 프로세서 코어처럼 똑같은 부분이 여러 개 있으면, 하나가 불량일 때 그 부분을 꺼 버리고 사양이 조금 낮은 칩으로 쓴다. 하지만 하나뿐인 블록은 불량이 나면 대개 방법이 없다.

모든 블록을 같은 방식으로 만들어야 한다

칩 하나는 한 세대의 공정으로만 만들 수 있다. 계산을 맡는 블록은 최신 세대로 만들어야 가장 이득이다. 더 작고, 더 빠르고, 전력을 덜 쓴다. 그러나 바깥과 통신하거나 아날로그 신호를 처리하는 블록은 최신 세대로 만들어도 크게 작아지지 않으면서 값은 더 비싸다(새 세대가 왜 비싼지는 “뉴스에서 말하는 ‘2나노’는 무엇이 2나노일까?” 참고).

아예 넣을 수 없는 것도 있다. 휴대폰의 DRAM과 사진을 저장하는 플래시 메모리는 로직 칩과 만드는 방식이 아주 달라서, 보통 별도의 칩으로 만들고 때로는 SoC 위에 바로 쌓는다(메모리와 프로세서는 무엇이 다를까?). 휴대폰에서 무선 신호를 증폭하는 부품도 다른 반도체 재료로 만드는 경우가 많다(뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란?).

SoC, SiP, 칩렛은 무엇이 다른가?

SoC가 너무 크거나 비싸거나 넣을 수 없는 것이 있으면 방향을 바꾼다. 모두 칩 하나에 만들지 않고, 따로 만든 칩들을 함께 패키징하는 것이다. 자주 듣는 방식은 두 가지다.

• SiP(시스템 인 패키지): 칩과 저항, 커패시터 같은 작은 부품을 작은 기판 위에 실장해 작은 모듈 하나로 봉한다(SiP란?).
• 칩렛(chiplet): 큰 칩 하나를 여러 조각으로 나눠 각각 만들고 각각 테스트한 뒤, 나란히 놓거나 쌓아 촘촘하게 연결해 큰 칩 하나처럼 쓴다. 이를 조립하는 것이 뉴스에 나오는 첨단 패키징이다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?).

	SoC(시스템 온 칩)	SiP(시스템 인 패키지)	칩렛(chiplet)
한마디로	모든 기능을 칩 하나에	칩과 작은 부품을 작은 모듈 하나로 패키징	큰 칩 하나를 여러 조각으로 나눈 뒤 함께 패키징
각 부분을 만드는 방식	모두 같은 공정	칩마다 가장 알맞은 방식으로 만들 수 있음	조각마다 다른 세대의 방식을 쓸 수 있음
부분 사이의 경로	가장 짧음, 칩 안에 있음	칩 안보다 길고 회로 기판보다 짧음	칩 안보다 조금 길지만 아주 짧고 배선이 많음
한 부분이 불량이면	칩 전체를 못 쓰는 경우가 많음	모듈 전체를 못 쓰므로 칩마다 먼저 테스트	조각마다 먼저 테스트해 양품만 조립
흔히 쓰이는 곳	휴대폰, 태블릿, 스마트워치의 메인 칩	이어폰, 스마트워치, 보청기 같은 작은 기기	AI 칩 같은 아주 큰 칩

셋 중 하나를 고르는 문제가 아니다. 많은 SiP 안에는 SoC가 하나 들어 있고, 그 옆에 SoC에 필요한 작은 부품이 더해진다. 칩렛은 원래 하나로 만들 큰 칩을 나눠서 만드는 경우가 많다.

SoC는 어디에 들어 있나?

가장 흔한 것은 휴대폰, 태블릿, 스마트워치다. 공유기 같은 작은 기기에서도 SoC 하나가 주요 일을 맡는 경우가 많다. 공통점은 작아야 하고, 전력을 적게 써야 하며, 기능은 많아야 한다는 것이다.

fab24hr에서는

fab24hr의 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라간다. R&D 라인에서 시생산하고, 양산 팹에서 웨이퍼로 만든 뒤, 후공정 공장으로 간다. 게임에서는 Glowmere가 SoC인지, 안이 어떤 블록으로 나뉘는지 말하지 않는다. 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 라인장 수후이가 패키징 라인을 안내하며 이렇게 말한다. “Glowmere는 SiP 모듈에 들어가요. 작은 기판 위에 칩이 있고, 저항이랑 커패시터가 몇 개 있어요.”

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 패키징 공정 엔지니어를 찾으면, 기기의 시간에 따라 근무 하나가 배정된다. 네 근무 모두 이 패키징 라인에서 펼쳐지며, 오후 근무가 바로 챕터 11이다.

게임 속 회사, 칩, 인물은 모두 가상이며, SoC가 무엇이고 왜 이렇게 만드는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.