스마트폰어플리케이션프로세서산업동향 최재훈책임 Systm LSI 마케팅팀삼성전자 jayden.choe@samsung.com 들어가며 최근각종방송 / 언론매체에서스마트폰에관한광고나스마트폰이가져다주는편리한삶에대해거의매일같이여러가지내용을다양하게소개하고있어, IT 업계종사자가아닌일반인에게도스마트폰은아주익숙한개념이되어가고있다. 그러나스마트폰과그것이제공하는기능에대한관심에비해그내부에있는핵심부품인어플리케이션프로세서 (Application Processor) 에대해서는정리된내용이그리많지않은것이사실이며, 본고에서는이러한스마트폰어플리케이션프로세서관련산업동향에관해다루기로한다. 스마트폰자체에대한내용은 Semiconductor Insight 2010 년 5월호에실린 스마트폰시장과모바일 OS 동향 기사 ( 제갈병직, 2010) 를참고하기바란다. 스마트폰셋트구성요소 < 그림 1> 은최신하이엔드스마트폰제품의블록다이어그램이다. 일반적인로우엔드피처폰제품에비해전체적으로어플리케이션프로세서가중심이되어시스템을컨트롤하는모양새가됨을알수있다. 각주요컴포넌트에대한간단한기술은다음과같다. Modem : GSM, UMTS, WCDMA, TD-SCDMA 등의셀룰러망기지국에연결하여음성통화및데이터통화와관련된송수신처리를진행한다. 인피니온, 퀄컴등이대표적인공급업체이다. WiFi, Bluetooth : WiFi 및 Bluetooth와같은근거리통신프로토콜을지원하는컴포넌트로최근에는 802.11b/g/n, Bluetooth 2.1 EDR, FM 등의기능들을한번에지원하는콤보제품으로 RF와베이스밴드가하나로통합되어있는제품들이주로공급되고있다. Broadcom, TI 등이주요공급업체이다. Modem WiFi, Bluetooth GPS Mobile TV MCP OneDram LPDDR1 OneNAND Application Processor Touch Screen Controller ISP Audio Codec < 그림 1> 스마트폰셋트블록다이어그램 Battery PMIC AMOLED LCD Panel Camera Module 2 Semiconductor Insight
GPS : GPS 신호를수신처리하는부품으로 Broadcom, Atheros 등이주공급자이다. 최근에는역시 RF 와베이스밴드가통합된원칩제품이공급된다. Mobile TV : DVB-H/T( 유럽 ), T-DMB( 한국 ), ISDB- T( 일본 ), ATSC-M/H( 미국 ), CMMB( 중국 ) 등각나라에서시행중인 Mobile TV 방송표준을수신하는컴포넌트로대부분표준별로제품이따로존재하나, 드물게삼성전자와 Siano 등이 DVB-H/T, T-DMB, ISDB-T 를동시지원하는제품을내놓고있다. Touch Screen Controller : Panel부에내장된센서로부터펜 / 손가락입력을받아어플리케이션프로세서로전달하는역할을한다. 최근에는 ios, 안드로이드, 윈도우폰7 등대부분의스마트폰 OS가손가락을이용한터치컨트롤을기본으로하면서많은스마트폰이정전식센서를사용하고있다. ISP(Image Signal Processor) : 카메라모듈에내장된 CIS(CMOS Image Sensor) 로부터입력되는빛신호를보정처리하여디지털데이터로변환된결과를어플리케이션프로세서에전달한다. Audio Codec : 어플리케이션프로세서 / 마이크등으로부터들어온데이터를 ADC/DAC/EQ 처리하고그결과를스피커 / 헤드셋 / 어플리케이션프로세서로출력한다. Wolfsen, TI, Cirrus Logic 제품이많이알려져있다. PMIC : 어플리케이션프로세서의상태에따라어플리케이션프로세서에인가되는전력을조절하는등스마트폰시스템전반에걸쳐저전력을구현하는데필수적인구성요소이다. 맥심, TI 등이시장의주류를이루고있다. 메모리와 MCP : 스마트폰의경우협소한공간이라는설계제약사항이늘존재하므로, 어플리케이션프로세서와더불어여러가지메모리제품을 MCP ( 삼성전자, 2010) 로단일패키지화하여셋트업체에공급하는경우가많다. 이때사용되는메모리제품은그형태와용량이상당히다양하며, 셋트업체의필요에따라그조합은크게달라질수있다. 플래시메모리 : NOR, NAND 중현재는용량대비용측면에서대부분 NAND를사용하며, OneNAND ( 삼성전자, 2010), Flex-OneNAND ( 삼성전자 ), movinand/ emmc ( 삼성전자, 2010) 등의퓨전메모리를사용하는경우도자주볼수있다. 퓨전메모리중 OneNAND 는로직 (NOR 인터페이스및 ECC) 과 SRAM을내장하여억세스속도가일반 NAND 대비훨씬빠른플래시메모리이며, Flex-OneNAND 는플래시메모리셀중 SLC(Single Level Cell-속도에우위 ) 와 MLC(Multi Level Cell-저장용량에우위 ) 비율을소프트웨어를통해셋트업체에서임의로조정할수있다. movi- NAND는 MMC(MultiMediaCard) 컨트롤러를내장하여비용과개발기간을절감할수있는장점이있다. RAM : 용량, 전력소모, 사용용도에따라 DDR1/ DDR2, LPDDR1/LPDDR, OneDRAM 등여러가지로나뉜다. LPDDR1/2 는기존 DDR1/2 대비전력소모량을획기적으로절감시킨제품 ( 삼성전자, 2010) 이며, OneDRAM은하나의메모리를 2개구역으로나누어모뎀과어플리케이션프로세서가각각사용할수있도록하여 BOM 개수감소및공유영역을통한데이터전송성능향상을꾀할수있도록하는제품 ( 삼성전자, 2010) 이다. 어플리케이션프로세서 : 고사양의 OS와어플리케이션을구동하며스마트폰전체를관장하는브레인역할을한다. 이에대해서는아래에서조금더자세히기술하도록하겠다. 스마트폰어플리케이션프로세서 스마트폰을위한어플리케이션프로세서는크게 CPU core의성능보다는멀티미디어기능에주안점을둔멀티미디어프로세서계열과고성능 CPU core를바탕으로멀티미디어등관련된기능을통합해놓은어플리케이션프로세서계열로나눌수있다 (Gartner, 2010). 전자의경우스탠드얼론형태로 PMP, MP3 셋트등에메인어플리케이션프로세서로사용되거나, 스마트폰셋트상에기존어플리케이션프로세서혹은모뎀을보조하는멀티미디어코프로세서로사용되는데, 현재는다양한앱 (APP) 을구동하기위하여고성능 CPU가기본적으로필요한관계로점차후자쪽에무게가실리고있다. < 그림 2> 는삼성전자에서 2009년말에발표한 S5PC 110 제품 ( 삼성전자, 2009) 의블럭다이어그램이다. 이제품은스마트폰을위해설계된 45nm 저전력스마트폰어플리케이션프로세서제품으로, 현재갤럭시시리즈등 2010년에출시되는각종최신스마트폰 / 태블릿에채용되 Sep-Oct 2010 3
< 그림 2> 삼성전자스마트폰어플리케이션프로세서 S5PC110 블록다이어그램 어폭넓게양산되고있다. < 그림 2> 의내용을바탕으로하여스마트폰어플리케이션프로세서에서중요한기능몇가지를대략아래와같이기술해보았다. CPU 코어 : 기본적인연산의주축이되는코어로 ARM, MIPS, x86 계열의코어들이있으며최근스마트폰어플리케이션프로세서시장에는저전력을강점으로하는 ARM 코어가주류를이루고있다. 인텔아톰계열의프로세서또한강력한프로세싱파워를바탕으로저전력기능을강화하면서스마트폰시장에진입을노리고있다. 차세대 ARM 코어이글을적용한제품과차세대인텔플랫폼인메드필드 (medfield) 를적용한제품은모두대략 2012년경에발표될전망이다. 삼성전자는 ARM Cortex A8을기반으로하여 45nm 저전력공정으로는최초로 1Ghz 성능을내는 CPU 코어 Hummingbird 를개발 ( 삼성전자, 2009) 하여 S5PC110 제품에적용한바있다. CPU 코어는하 드코어게임을포함하여컴퓨팅파워를많이필요로하는다양한앱 (APP) 을구동해야하는까닭에성능이항상중요한이슈로대두되고있다. A/V Codec : S5PC110 에내장된 MFC(Multi Format Codec) 는 MPEG-2, MPEG-4, H.264, H.263, DiVx/ Xvid, VC-1 등대부분의코덱과더불어 1080p 30프레임인코딩 / 디코딩을지원한다. 지원해상도와관련하여아직까지는스마트폰셋트업체들이보통 720p 까지만을사용해왔으나, 2010 년말이후제품부터는본격적으로 1080p 를채용할것으로보여지며, 이에따라 2010 년이후출시되는스마트폰어플리케이션프로세서에는대부분 1080p 30프레임이상의인코딩 / 디코딩기능이내장될것으로예상된다. GPU : GPU(Graphics Processing Unit) 는 3D/2D 관련각종연산에대해가속기능을수행한다. 이와관련된 IP를제공하는회사는 Imagination Technologies, ARM 등이있으며각각 SGX 시리즈와 Mali 시리즈 IP를여러스마트폰칩셋업체에공급하고있 4 Semiconductor Insight
다. Qualcomm 및 NVidia는예외적으로자사 GPU 인 Adreno와 GeForce 를각각직접설계하여사용한다. 이러한 GPU 사이의성능을비교하는잣대로는 poly/s( 혹은 tri/s, 초당그릴수있는최대폴리곤수 ) 와 pixel/s(pixel fill rate, 초당그릴수있는최대픽셀수 ) 의두가지가흔히사용된다. 예를들어 Imagination Technologies SGX 시리즈중최신버전의 IP 인 SGX545의성능은 40M poly/s 와 1G pixel/s fill rate로나타낼수있다 (Imagination Technologies, 2010). 물론이러한값들은이론치이며실제성능은칩셋설계구현및실제구동시발생하는각종보틀넥에영향을받아이론치와는다르게나타나게된다. 삼성전자 S5PC110 제품에는 GPU IP 중 SGX540 이내장되어있다. (Imagination Technologies, 2010) 기타여기기술하지않은기능들에관해서는 < 그림 2> 의내용및 S5PC110 제품소개홈페이지 ( 삼성전자, 2010) 에서더확인할수있다. 스마트폰어플리케이션프로세서트렌드 스마트폰어플리케이션프로세서셋트아키텍처 < 그림 3> 은현재스마트폰아키텍처의두가지큰방향인 Integrated 아키텍처와 Discrete 아키텍처를나타낸다. Integrated 아키텍처는기존의모뎀베이스밴드칩셋에고성능어플리케이션프로세서기능을추가하여통합된하나의칩 (Fat Modem) 을중심으로셋트를구성하는것을의미하며, Discrete 아키텍처는모뎀은모뎀본연의 기능만하고기타주요한작업은모두어플리케이션프로세서에서통합처리하는구조를나타낸다. 이러한두접근방법에는 trade-off 가있는데, 대략다음 < 표 1> 과같이정리해볼수있다. (Emblaze Consulting LLC, 2009) 현재 Discrete 전략을취하고있는업체는삼성전자, TI, 인텔등이있으며, Integrated 전략을취하고있는업체로는 Qualcomm, ST-Ericsson, MediaTek 등을들수있다. Discrete 전략업체의공통점은모뎀베이스밴드기 < 표 1> Discrete vs. Integrated 비교표 항목 Discrete Integrated Target Market 하이엔드스마트폰시장에강점 미드 - 로우엔드스마트폰시장 ( 볼륨마켓 ) 에강점 대체부품유연성우수보통 성능극대화 플랫폼재사용 우수 (AP 만고성능화 / 공정마이그레이션상대적용이 ) 우수 (AP 플랫폼재사용용이 ) 보통 보통 BOM 코스트보통우수 SW Integration 보통 (AP 와모뎀을따로작업 ) 우수 Time to Market 우수보통 PCB Footprint 보통우수 PCB 컴포넌트개수보통우수 B/T MIC SPK B/T MIC SPK Camera Audio codec USB Fat Modem Key Pad Motor Multimedia Processor Thin Modem Audio codec USB Powerful Standalone AP Key Pad Motor LCD Memory Memory LCD Integrated(Fat Modem) Discrete(Thin Modem) < 그림 3> Integrated vs. Discrete 아키텍처 Sep-Oct 2010 5
술이없다는것인데 (TI의경우 3G 모뎀기술이없기도하지만, 2008년말부터모뎀사업을축소하는수순을밟고있다 (WSJ, 2009)), 이중인텔은 2010 년 8월독일반도체회사인피니온의무선사업부문인수를결정하면서 3G 모뎀기술확보가가능하게되었으므로가까운미래에 Integrated 전략으로돌아설가능성도일부점쳐지고있다. 스마트폰어플리케이션프로세서현황 TI Samsung Marvell Freescale ST Ericsson NVidia Qualcomm Nokia Motorola Samsung < 그림 4> 핸드셋용어플리케이션프로세서 ( 스탠드얼론타입 ) 주요 Value Chain(iSuppli, 2010) < 그림 4> 는스탠드얼론타입의핸드셋용어플리케이션프로세서 value chain을나타낸그림이며, 왼쪽이어플리케이션프로세서공급업체이고, 오른쪽이구매업체이다. 양쪽업체사이를잇는선은거래관계를의미하며, 이들중굵은선은공급업체입장에서구매업체가주요고객임을나타낸다. (isuppli, 2010) LG Sony Ericsson RIM HTC NVidia : Tegra1에이어 Tegra2도스마트폰시장에아직본격적으로채용되지는않고있으나 2010 년 8월에 LG가하반기스마트폰옵티무스라인업에 Tegra2 를채용한다고선언 (WSJ, 2010) 함에따라어느정도의변화가예상된다. 스마트폰어플리케이션프로세서성능요구사항트렌드 과거 PDA에서 Palm과 WinCE 의싸움을기억한다면, 영원할것같았던 Palm이후발주자로고사양과강력한멀티미디어기능을앞세워시장에진입한마이크로소프트에맥없이패배하는것을보았을것이다. 당시풍부한기능에대한시장과고객의니즈를미리읽지못한것이 Palm의주요패인이었다. 이후사용자경험은비약적으로발전하여, 2010 년현재스마트폰시장에서는쉽게 rich multimedia, 3D Game, Multi-touch, HD 화질, 앱스토어등을접할수있다. 이러한환경하에서스마트폰어플리케이션프로세서는과거의데스크탑 PC가가진기능이상의것을시장으로부터끊임없이요구받고있다. < 그림 5> 는이처럼비약적으로발전하는스마트폰어플리케이션프로세서의성능요구사항트렌드를나타내며, 전체적으로는저전력을기본으로하면서과거 PC가발전해온방향 ( 멀티코어, 풀HD, 고성능그래픽가속 ) 에서크게벗어나지않는방향으로진행될것으로보인다. 추가적으로, 이처럼고사양의기능을다수채택하게되면필연적으로 DMIPS 40M TI : 노키아가구매선다변화를진행하면서모뎀매출에큰타격을입었으나어플리케이션프로세서에서는여전히가장큰고객으로남아있는가운데 Sony Ericsson 으로매출을넒혀가고있다. 스탠드얼론스마트폰어플리케이션프로세서마켓점유율관점에서는이미 2008년부터삼성전자에 1등자리를넘겨준것으로보인다. (isuppli, 2010) 삼성전자 : 자사내셋트부문등에상당량의스마트폰어플리케이션프로세서제품을납품하면서꾸준한성장세를유지하고있다. 2008년, 2009년기준스탠드얼론스마트폰어플리케이션프로세서마켓점유율은각각 36%, 45.9% 로 2008년부터 TI를제치고이미 1위자리에올라섰다. (isuppli, 2010) 8,000 4,000 2,000 1,000 500 ARM11 400MHz 1M 3D Grapinc Performance ARM11 667MHz SD 480P 4M 10M Cortex-A8 600MHz HD 720P 20M Cortex-A8 1GHz HD 1080P Cortex-A9 Dual 1GHz Eagle Dual Core CPU Performance 1080P 3D Multimedia Performance 2007 2008 2072 2010 2011 2012 < 그림 5> 스마트폰어플리케이션프로세서성능요구사항트렌드 UHD 6 Semiconductor Insight
칩사이즈가급격히늘어남에따라동일면적의웨이퍼에서생산가능한제품의수가줄어들어제품이익률에문제가생길수도있는상황에맞닥뜨리게되는데, 이를커버하기위해서는공정마이그레이션및칩설계최적화에도많은선행투자가필요할전망이다. 마치며 2010 년들어드디어본격적인스마트폰의시대가도래했다고볼수있다. 갤럭시 S, 아이폰등수많은스마트폰이쏟아지고, 앱스토어에도매일엄청난양의앱 (APP) 이업 로드된다. 점차데스크탑수준에가까이가고있는스마트폰앱들및대용량의동영상과고사양의 3D 게임을스마트폰환경에서즐기고자하는사용자의니즈에맞게스마트폰어플리케이션프로세서도나날이눈부시게발전하고있다. 이제 2010 년하반기와 2011 년상반기에걸쳐차세대스마트폰어플리케이션프로세서이자각사의명운을건듀얼코어제품들이속속시장에출시되고, 이를적용한스마트폰제품들이 2011년부터본격적으로시장에나타나기시작할것이다. 이처럼계속숨가쁘게진행되는스마트폰및스마트폰어플리케이션프로세서의발전을눈여겨보며같이즐길수있길바란다. 스마트폰어플리케이션프로세서업체별동향 TI 동향 2007년노키아가모뎀제품관련공급선다변화및외주화 (3G : ST-Ericsson, Edge : Broadcom, GSM 및로우엔드 : Infineon) 를선언한이래 TI는 2008 년말모뎀사업철수및 OMAP 비즈니스로의중심이동을시작하였다. TI 전체매출은 2008년 22.5% 감소, 2009년 22.0% 감소로계속감소세를이어가고있다. 다만모뎀은 2009년기준예년대비 30% 감소이나 WLAN, GPS 등 Connectivity 비즈니스는큰성장세를보이고있다. TI가 OMAP에집중을선언했음에도불구하고 OMAP 어플리케이션프로세서비즈니스는 OMAP이르네사스와삼성전자에서조금씩밀려남에따라하락세를보이고있다. (Gartner, 2010) OMAP은삼성및엔비디아와같이고성능 Discrete 어플리케이션프로세서를지향하고있으며, 그일환으로자사최초의듀얼코어제품인 OMAP 4430/4440 을 2010년 4분기에내놓을계획이다. 사양은 45nm, 1Ghz(4430), 1Ghz 이상 (4440), 듀얼코어 ARM Cortex A9 MPCore, SGX540, 1080p 로추정된다 (Texas Instruments, 2009). 이후차세대제품인 OMAP5( 추정 ) 에대해서도프레스릴리즈를통하여 ARM의차세대코어인이글코어를라이센싱하여개발중임을밝혔으며 (Texas Instruments, 2010) 이 제품은 2012년경에볼수있을전망이다. 퀄컴동향 Discrete 형태의어플리케이션프로세서는가지고있지않으나, 로우엔드피처폰부터하이엔드스마트폰 (Snapdragon) 에이르는전체라인업을모뎀베이스밴드와어플리케이션프로세서가통합된원칩형태로가지고있어, 상대적으로 BOM 코스트가낮고기술지원이용이한장점을살려현재스탠드얼론형태의고성능어플리케이션프로세서가주류인하이엔드스마트폰시장에점차강한영향력을행사하고있다. 듀얼코어제품인 MSM8x60 제품 (8260/8660, 1.2Ghz 듀얼코어, GPS 내장, 1080p 30프레임 ) 은이미샘플링을시작하였으며 (Qualcomm, 2010), 이후제품인 QSD8672(45nm 1.5Ghz 듀얼코어, 1080p, DDR2/3) 가 2011년말런칭예정이다. (Slashgear, 2010) 퀄컴은하드웨어의개발과더불어증강현실솔루션 R&D나저가형스마트폰 OS 개발배포등자사어플리케이션프로세서의부가가치를높이기위한각종솔루션측면에서의보강도계속진행하고있으며, 이러한솔루션투자활동이스마트폰어플리케이션프로세서시장에서퀄컴의위치를공고히하는데중요한역할을할것으로보인다. Sep-Oct 2010 7
인텔동향 2010년 5월 6일, 무어스타운 (Moorestown) 세부플랫폼사양을발표했으며, 이는 Z6XX Atom 시리즈프로세서와플랫폼컨트롤러허브 MP20으로구성된다. 무어스타운의스마트폰용플랫폼의경우 45nm 1.5Ghz CPU, LPDDR1 200Mhz/DDR2 400Mhz, GPU clock 400Mhz, 1080p 30 프레임인코딩 / 디코딩지원사양이다 (Intel, 2010). 2010 년 8월 19일, 맥아피 (McAfee) 를 $7.7B 에인수발표하였으며스마트폰관점에서볼때맥아피가보유한기술중모바일환경에서의보안기술, 엔터프라이즈클라우딩컴퓨팅에서의보안기술등은향후인텔이스마트폰어플리케이션프로세서를보안측면에서강화하는데도움이될것으로예상된다. 2010 년 8월 30일, 독일반도체회사인피니온의무선사업부분을 $1.4B 에인수함을발표 ( 인수완료타겟시점은 2011년 1분기 ) 하였다. 이를통해인텔은 3G 모뎀으로가는문을열었으며이것이향후인텔의플랫폼전략 ( 당초에는다음세대의모바일플랫폼인 32nm 메드필드를 2011년개발완료할예정이었음 ) 에어떤형태로든영향을미칠것으로보인다. 현재인텔이멘로 (Menlow)- 무어스타운 -메드필드에이르는플랫폼로드맵을가지고저전력에심혈을기울이며최종적으로는스마트폰시장입성을노리고있으나전력소모와인지도면에있어서아직은그진입시기가무르익지않은것으로보여진다. 하지만금번인피니온인수를통해모뎀베이스밴드 ( 및 ARM 기반어플리케이션프로세서 ) 라는강한우군을얻게되었으며, 단기적으로는기존모뎀및어플리케이션프로세서비즈니스를단품형태로계속진행하고, 중장기적으로는모뎀과어플리케이션프로세서통합제품을개발할것으로전망된다. (Gartner, 2010) 엔비디아동향 2010년 1월에 40nm Tegra 2 어플리케이션프로세서 Tegra 250를발표했다 (NVidia, 2010). 이제품은어플리케이션프로세서중최초의듀얼코어제품으로세부사양은듀얼코어 ARM Cortext A9 MPCore 1Ghz, 1080p, Tegra 1 대비 4배의 3D 성능 GPU, LPDDR/DDR2, ISP 내장, 듀얼디스플레이등이다 (NVidia, 2010). 해당제품은몇몇태블릿제품과아우디를비롯한차량인포테인먼트시스템에채용되어개발중이나최근까지스마트폰에는채용되지않다가 2010년 8월에 LG 옵티머스스마트폰라인업에채용발표되었다. 최단스마트폰제품은 2010년 4분기에양산예정이다 (WSJ, 2010). 삼성전자동향 2009년말 S5PC110(ARM Cortex A8 1.0Ghz) 제품이출시되어 ( 삼성전자, 2009) 갤럭시시리즈등 2010 년에출시되는다양한최신스마트폰 / 태블릿에내장되어판매되고있다. 동제품은경쟁사제품대비 CPU 동작클럭이우수하고, 1080p 인코딩 / 디코딩기능과더불어고성능 3D 가속등의강력한멀티미디어를제공하여, 현존하는싱글코어제품으로는선두의위치에있어, 듀얼코어제품이시장에자리잡기전까지당분간스마트폰어플리케이션프로세서부문의강자로군림할것으로보인다. 2011년초반에출시될삼성전자의차세대후속제품 Orion 역시최신의기술이모두포함된 45nm 저전력 1Ghz ARM Cortex A9 듀얼코어제품 (1MB L2 캐쉬, Full HD 인코딩 / 디코딩, 이전제품대비 5배성능 GPU, LPDDR2/DDR3, GPS, 트리플디스플레이 ) 으로, 비슷한시기에출시되는 TI, 퀄컴및기존엔비디아제품들과좋은경합이될전망이다. ( 삼성전자, 2010) 8 Semiconductor Insight
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