더작게·더싸게·더오래
씨모스,휴대전화용집적회로칩으로급부상…초고주파칩셋만들면단일칩실현가능
우리나라휴대전화사용자는현재약2300만명에이른다.
휴대전화는이제더이상신기한물건이아니라,평범한소지품이됐다.
하지만작은휴대전화안에심어야할기술은갈수록늘고있다.
일반소비자들의요구가점차까다로워지고있기때문이다.


무게50~60g안팎의자그마한단말기는예쁘장한겉모습과는달리,안을들여다보면복잡하기그지없다.
씨모스(CMOS:상보성금속산화물반도체)로된큼직한디지털칩들이몇개있고,약간작은초고주파(RF:RadioFrequency)칩들,굵직한필터들,그리고좁쌀만한수많은부품들이좁은보드앞뒤를가득메우고있다.
단말기는 대략 400~600여개의 부품들로 구성돼 있다.
이 가운데 초고주파 부분과 관련돼 있는 것들이 전체부품의 50% 정도인 250여개 안팎을 차지한다.
정교하게 연결돼 있는 초고주파 부품들은 공중에 날아다니는 수많은 초고주파 신호 가운데 가입자가 원하는 신호만을 낚아채는 역할을 한다.
아주 미약한 신호까지 잡아내 오류율(FER) 약 0.5% 이하의 정보로 복원해내는 것이다.
때문에 초고주파 부품은 단말기의 핵심 성능인 감도와 선택도(selectivity)를 우수하게 유지하는 관건이라고 할 수 있다.
한정된 주파수 자원으로 많은 가입자가 사용하려면 감도와 선택도가 뛰어나야 한다.
초고주파 부품은 감도·선택도가 중요 각각의 초고주파 칩들이 갖춰야 할 성능 또한 까다롭다.
특히 코드분할다중접속(CDMA) 방식의 단말기들은 규격이 더욱 엄격하다.
따라서 이런 규격을 만족시키기 위해선 값이 좀 비싸더라도 초고주파 성능이 뛰어난 소자를 우선적으로 택할 수밖에 없다.
이런 이유로 지금까지 초고주파 집적회로(RF IC)들은 대부분 화합물 반도체와 같은, 값이 비싼 특수 반도체 소자를 사용해왔다.
최근 들어 초고주파 집접회로 칩들을 씨모스 따위처럼 값싼 실리콘 초고주파 기술로 대체하려는 움직임이 빠르게 일고 있다.
그동안 기존 씨모스 소자는 느리고 잡음이 많이 들어가 감도를 떨어뜨리는 것으로 여겼다.
또한 소비전류가 많아 휴대전화용 초고주파 부품으로 사용하는 기술로 채택하기 어려웠다.
하지만 연구자들은 고집적화를 위해 씨모스 소자를 꾸준히 소형화해왔다.
덕분에 최소 선폭 0.18m인 씨모스 소자는 최대 동작 주파수가 벌써 60GHz를 웃돌고 있다.
일반적으로 초고주파 설계자들은 소자 주파수 성능의 10분의 1 수준을 회로설계에 적용한다.
산술적으로 따져보면 씨모스는 약 6GHz용 초고주파 부품에까지 응용이 가능한 것이다.
물론 여러가지 기술적 문제를 아직 완벽하게 해결한 것은 아니지만 많은 연구개발과 씨모스 소자의 성능 향상으로 그동안 지적돼온 문제점들이 조금씩 나아지고 있다.
외국에선 이런 기술적 추세를 일찌감치 내다보고 90년대 초부터 씨모스 소자의 연구개발에 매달려왔다.
미국 버클리대학교(UCB) 폴 그레이 교수와 UCLA 아비디 교수 연구팀은 각각 ‘초고주파 씨모스 집적회로’ 기술 연구의 선두 주자들이다.
두 그룹의 노력이 불씨가 돼 미국과 일본, 유럽 대부분의 연구소와 회사들도 연구개발을 시작하게 된다.
90년 말부터 현재까지 세계의 내로라하는 논문을 분석해보면 ‘초고주파 씨모스 집적회로’와 관련한 보고들이 쏟아져나오는 것을 알 수 있다.
무선통신 집적회로 설계 분야는 ‘초고주파 씨모스 열병’에 휩싸여 있다고 해도 지나치지 않는다.
초고주파 씨모스 열풍이 분 것은 무엇보다 반도체 기술 중 가장 싸면서도 보편화된 씨모스 소자를 이용해 초고주파 집접회로를 제작할 수 있다는 매력 때문이다.
단말기의 중요한 부품들인 기저대역 모뎀이나 아날로그 칩, 메모리 따위는 모두 씨모스 기술로 구성돼 있다.
마지막 남은 초고주파 기능까지 씨모스 기술로 구현할 수 있다면, 단말기의 모든 기능이 하나의 칩 안에 집적되는 ‘단일칩’(System On a Chip)을 실현하는 것이다.
한국전자통신연구원(ETRI)에서도 96년부터 ‘초고주파 씨모스 집적회로’ 기술개발을 시작해 지난 99년 8월, CDMA 단말기용 송수신 초고주파 직접회로를 개발했다.
연구원에선 세계 최초로 통화시험에 성공해 관련 기술을 하이닉스반도체(옛 현대전자산업)에 기술이전을 했으며, 현재는 PCS용 초고주파 씨모스 칩셋 개발을 위해 공동연구를 펼치고 있다.
단일칩은 현재의 단말기와 비교할 때 가격과 크기, 소비전력 면에서 근본적 혁신을 가져올 수 있다.
초고주파칩 설계에서는, 칩 외부의 부품과 임피던스 정합(Impedance Matching)을 일일이 고려해 설계해야 한다.
따라서 부가적으로 소모되는 전력이 상당히 크다.
하지만 이들을 집적화해 외부 부품을 최소화하면 소비전력도 함께 줄어드는 효과를 가져올 수 있다.
초고주파 씨모스 자체만을 이야기할 때는 저전력 칩이라고 내세울 형편이 못되지만 통합칩화하는 과정에서 전체적으로 소비전력을 줄일 수 있는 것이다.
미·유럽, 초고주파 씨모스 기술 연구 활발 단말기 시스템을 통합하는 데 가장 적합하고 유일한 기술이 씨모스인만큼, 초고주파 씨모스 집적회로 실현은 그만큼 중요한 의미가 있다.
바로 이러한 이유로 미국의 커넥선트, 아날로그디바이스, 내셔날세미컨덕터, 브로드컴, 그리고 유럽의 필립스, 인피니언, 에릭슨, 일본의 히타치, 대만의 TSMC, UMC 등 선진 반도체 회사 대부분이 초고주파 씨모스 기술개발에 온 힘을 기울이고 있다.
더욱이 앞으로는 휴대단말기에 불루투스 기능을 추가하는 식으로 하나의 단말기만으로 다양한 서비스를 펼쳐야 한다.
또한 다양한 주파수대역을 하나의 단말기로 수용할 수 있어야 한다.
때문에 단말기 부품에 대한 시장의 단일칩 압력은 갈수록 거세질 것이 분명하다.
유럽에선 벌써 900MHz, 1800MHz와 PCS 등 3중 주파수 대역을 수용하는 단말기를 생산하고 있다.
미국 시장조사기관인 데이터퀘스트는 97년부터 2004년까지 셀룰러전화나 PCS 단말기 시장이 약 20% 이상 고도 성장할 것으로 내다본다.
단말기 생산은 2004년께 약 10억대 이상으로 늘어나고, 디지털 단말기용 반도체도 약 350억달러 규모로 시장이 커질 것이다.
초고주파 부품이 차지하는 금액이 약 20~30%임을 감안하면 2004년께 초고주파 부품의 시장규모는 대략 70억~105억달러로 추정된다.
휴대전화 사용이 늘면서 소비자들은 점차 다양한 서비스를 요구할 것이다.
소비자들은 단말기가 단순한 음성기기로 남아 있는 것을 바라지 않는다.
데이터나 영상 송수신, 위치추적은 물론 다양한 멀티미디어 기능을 함께 요구하는 것이다.
단말기 가격을 내리라는 압력도 거세질 것이다.
2005년께는 단말기 가격이 약 100달러 수준까지 낮아질 것이라고 전문가들은 내다본다.
현재 약 38달러 수준인 단말기용 반도체 가격도 동반하락할 수밖에 없는 것이다.
이런 상황에서 초고주파 씨모스 집적회로를 통한 단일칩 구현은 단말기의 기능과 가격, 크기를 동시에 만족시킬 수 있는 유일한 대안이다.
씨모스의 고집적화 능력은 이제 초고주파 영역까지 확대됐다.
조그마한 메모리 칩에 백과사전의 정보를 넣을 수 있다고 떠들던 때가 바로 엊그제 같다.
그런데 이제 몇센티의 조그마한 반도체칩에 단말기의 모든 기능이 녹아 들어갈 것이다.
남은 거라곤 스피커, 안테나, 디스플레이 정도뿐이다.

씨모스(CMOS:complementary metal-oxide semiconductor:상보성 금속산화물 반도체) 씨모스는 대부분의 컴퓨터 마이크로칩 안에 집적되어 있는, 트랜지스터들에 사용하는 반도체 기술이라고 보면 된다. 반도체는 실리콘과 게르마늄과 같은 반도체성 물질로 만든다. 불순물을 더해 음전기로 충전된 여분의 전자들(N형 트랜지스터) 또는 양전기로 충전된 캐리어(P형 트랜지스터) 둘 중 하나의 전도체를 만드는 것이다. 씨모스 트랜지스터들은 사용하지 않을 때에는 전력을 거의 소모하지 않는다. 하지만 사용중엔 전류 방향이 빨리 바뀌는 특성이 있어 쉽게 뜨거워지며, 그만큼 전력소모가 많은 단점이 있다. 임피던스 정합(Impedance Matching) 임피던스란 교류회로에서 전압(Voltage)을 전류(Current)로 나눈 값으로, 교류전류가 흐를 때 걸리는 저항값이라고 보면 된다. 임피던스를 맞추지 않으면 불필요한 반사나 반향 때문에 음성을 알아들을 수 없거나 데이터가 깨지게 된다.