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Chances in Changes, 변화 속에 기회 있다!
그 동안 PC에 적용되던 CPU+칩셋의 구성이 AP(Application Processor)칩 하나로 통합되면서, AP에 대한 관심 고조.
또한, PC 시대 사실상의 표준을 결정했던 인텔의 영향력이 붕괴되어가는 가운데, 기존 핸드폰과 PC의 맹주였던 노키아와 HP마저 위상이 약화됨.
이 같은 세력 재편 속에 스마트폰 세트 제조와 핵심 반도체를 아우르는 하드웨어의 새로운 지배자가 출현할 기회가 피어나고 있음.
태블릿도 올해 약 5,400만대에서 내년에는 1억대를 넘어설 것으로 예상됨.
이에 따라, 모바일 AP시장 규모는 지난해 약 3.4억개에서 올해 약 5.4억개, 내년에는 8억개를 넘어설 것으로 보이며, 2015년에는 16.7억개까지 늘어날 것으로 전망.
이 같은 AP의 급격한 성장에 힘입어 삼성전자의 시스템반도체 매출액은 지난해 7조원, 올해 11조원에서 내년에는 16조원으로 증가 전망.
이를 반영해 삼성전자의 목표가를 120만원으로 높이고, 투자의견 매수를 제시.
따라서 이와 관련된 관심업체로 시스네틱스(Not Rated)를 소개.
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I. 모바일 AP(Apps Processor) 오버뷰
What is AP?
전통적인 컴퓨터 시스템은 마더보드 위에 중앙처리장치인 CPU와 노스브릿지, 사우스브릿지로 대표되는 칩세트의 조합으로 이루어져 있다.
여기서 노스브릿지는 메인메모리와 그래픽카드, 이더넷과 스카시(SCSI)포트 등 고속으로 동작하는 서브시스템과의 연결고리를 맡고 있으며,
사우스브릿지는 하드디스크드라이브, 롬바이오스, USB포트 등 비교적 저속으로 동작하는 서브시스템과의 연결을 담당하는 역할을 한다.
그러나, 스마트폰과 태블릿으로 대변되는 모바일 컴퓨팅 시스템에서는 PC시스템에서의 CPU 및 노스브릿지, 사우스브릿지 칩세트가 모두 AP(Application Processor)라 불리는 하나의 칩으로 통합되어 제공된다.
PC에서의 마더보드가 거의 통째로 하나의 칩으로 만들어지기 때문에 이를 SoC(System On a Chip)이라 하기도 한다.
전형적인 스마트폰용 AP에는 CPU를 기본으로 GPU(그래픽프로세서)와 멀티미디어프로세서를 포함해 ISP(이미지프로세서), UART(비동기송수신기) 이외에도 디스플레이, 메모리, 스토리지 인터페이스 등이 내장된다.
과거 스마트폰 이전의 핸드폰에서도 카메라라든가 오디오 관련 컨트롤 기능을 갖는 별도의 프로세서가 존재했었다.
그러나, 피쳐폰이 스마트폰으로 진화하면서, 훨씬 더 많은 반도체가 사용되는 대신, 핸드폰의 폼팩터는 더욱 얇아지면서, 충분한 물리적 공간이 만들어지지 못해 개별적으로 동작하던 칩들을 하나로 통합칩으로 구성하려는 시도가 계속된 것이다.
그리고, 이렇게 SoC로 제작하게 될 경우 성능 측면에서 훨씬 더 강력한 여러가지 기능을 제공할 수 있기 때문이다.
스마트폰에 필요한 각 주요 컴포넌트를 정리하면 대략 다음과 같다.
게임의 룰이 바뀌었다
그러나, 이 같은 하드웨어 시스템 변화의 이면에는 보다 근본적인 패러다임의 변화가 있다는 점을 알아둘 필요가 있다.
PC 시대에서는 세트메이커와 OS업체, 프로세서 업체, 메모리업체 간에 서로 완전히 분업화된 구조를 이루고 있었다.
HP와 델은 PC 세트만 제대로 설계/디자인해서 판매하면 됐다.
OS는 마이크로소프트, 프로세서는 인텔이 알아서 잘 만들어 주었기 때문이다.
때문에, PC라는 것이 소비자 입장에서 볼 때는 HP나 델이나 다 똑같이 윈도우를 쓰고, 인텔칩을 쓴다는 측면에서 별다른 차별화가 없었다 해도 과언이 아니었다.
심지어, 좋은 부품만 골라서 조립하게 되면 용산에서 사는 PC가 국내외 유수의 브랜드 업체 제품보다 훨씬 좋은 성능을 낼 수 있었던 것이다.
그러다 보니, PC 인더스트리의 파워는 세트 제조업체에게 있을 수가 없었다.
PC 시대의 제왕은 아시다시피 윈-텔 연합으로 불리는 마이크로소프트와 인텔이었던 것이다.
그러나, 스마트폰 시대로 넘어오면서 여러가지 변화가 나타나고 있다.
그런데, 여기서 재미있는 것은 기존 PC와 핸드폰의 최강자라 할 수 있는 업체들이 스마트폰에서는 별다른 두각을 나타내지 못하고 있다는 점이다.
스마트폰을 흔히 손 안의 PC로 부르고 있지만, 기존 PC 시대의 각분야 강자들인 HP, 델, 마이크로소프트, 인텔 등은 전혀 영향력을 보여주지 못하고 있다.
또 한가지 큰 변화는 스마트폰의 대표 업체들인 노키아, 리서치인모션 및 애플 등이 각각 심비안, 블랙베리, iOS 등 자체 개발한 OS를 기반으로 시스템을 만들고 있다는 것이며, 공용 플랫폼인 안드로이드를 개발한 구글은 이를 무료로 세트제조업체들에게 제공하고 있다는 것이다.
PC 중심의 시대에서 윈도우 CD를 팔아서 막대한 이익을 벌어들였던 마이크로소프트의 비즈니스 모델은 양쪽에서 도전을 받고 있는 셈이다.
한편, 현재 스마트폰 분야 최강으로 평가되고 있는 삼성전자와 애플은 자신들이 설계한, 또는 제조한 프로세인 A4/A5와 엑시노스(Exynos) 칩을 장착하고 있다.
과거 PC 시대에서와 같이 각 세그멘트별로 철저히 분업화된 산업모델이 스마트폰 시대에서는 적용되지 않고 있는 것이다.
스마트폰 시대의 헤게모니는 확실히 세트 디자인뿐만 아니라 OS와 반도체까지 두루 이해하고 있는 세트업체 중심으로 넘어갔다 해도 과언이 아니다.
세트를 잘 만들기 위해서는 OS와 반도체를 알고 있어야 할 뿐만 아니라, 반도체를 잘 설계하기 위해서도 소프트웨어와 세트에 대한 이해도가 그 이전보다 훨씬 더 중요한 시대가 된 것이다.
PC 시대의 하드웨어 표준은 인텔에 의해 결정되었다 해도 과언이 아니다.
마더보드와 그래픽카드, DRAM 및 여러가지 PC 주변기기들이 모두 인텔의 인증과정을 거쳐야만 했던 것이다.
그러나, 이제. 더 이상 인텔이 아니라 애플과 삼성전자 등 스마트폰 제조업체의 인증을 거쳐야 되는 것이다.
엄밀히 말하면, 아직 스마트폰의 하드웨어 표준이 정해진 것은 아니지만….
따라서, 스마트폰 제조업체가 반도체 업체들과 협의를 거쳐 최적의 설계 솔루션을 계속해서 찾아가고 있는 과정이라 할 수 있다.
중요한 것은 세계 1,2위의 스마트폰인 갤럭시 시리즈와 아이폰의 AP를 모두 삼성전자가 제조해서 공급한다는 점이다.
확실히 2010년 이후의 세상은 그 이전과는 다른 분위기가 만들어지고 있다. 새로운 시대와 새로운 기기, 그리고 새로운 게임의 룰이 만들어 질지도 모른다…
반도체 패러다임의 변화
과거 1970년대에는 시스템 제조에서 반도체까지 수직계열화 된 IBM, 모토로라, 지멘스 같은 업체들이 산업을 주도해 나갔지만, 이후 1980년 대 PC시대가 개막되면서, 인텔, NEC와 같은 반도체 전문기업들이 생겨나면서, 세트/시스템과 반도체업체들의 역할 구분이 확실해졌다.
1990년 들어 반도체 업체들의 투자 부담이 높아지면서, 반도체 산업의 분업화 경향이 뚜렷해졌다.
퀄컴, TSMC와 같은 팹리스-파운드리 모델이 주류로 떠올랐고, 패키징과 테스트만을 전문으로 하는 반도체 후공정 전문 업체들도 그 수를 늘려갔다.
이렇게 각 분야에서의 전문화 경향이 더 뚜렷해질 것 같은 반도체 산업도 이전과는 약간 다른 패턴이 나타나기 시작하고 있다.
모바일 컴퓨팅기기의 경우 PC에서와 달리 세트 메이커가 반도체 업체들의 솔루션을 검토해 최적의 설계를 해야한다.
그래서, 세트업체의 칩디지인 관여도가 이전에 비해 훨씬 높아지고 있으며, 심지어 애플과 삼성전자는 자사 스마트폰에 사용되는 프로세서 디자인을 스스로 하고 있다.
뿐만 아니라, 스마트폰의 기능이 향상될수록 점점 더 많은 반도체가 쓰이는 반면 스마트폰의 물리적 공간은 점점 타이트해지고 있다.
따라서, 이전에 비해 반도체 패키징 기술이 상당히 의미 있는 핵심 솔루션이 될 것이라는 점도 큰 흐름이라 할 수 있다.
II. 모바일 AP기술 트렌드
모바일 디바이스 기술 트렌드
모바일 컴퓨팅 기기들이 통신속도와 프로세싱 능력이 향상되고 있다.
통신모뎀은 3G에서 LTE로 4배 빨라지게 되고, 동영상/멀티미디어는 Full HD를 구현한다.
이와 함께 디스플레이도 VGA급에서 PC 표준 모니터 환경인 WXGA급 수준의 해상도 적용이 확대되고 있다.
카메라 또한 메가픽셀을 넘어 800만화소급 모델이 증가하고 있으며, 유저인터페이스는 과거 키패드에서 터치패드를 넘어 이제는 음성인식으로까지 발전해가고 있다.
모바일 OS도 과거 윈도우와 심비안 중심에서 iOS와 구글 안드로이드, 윈도우폰, 바다 등등으로 다양해졌으며, 이는 향후에도 계속 확대될 것으로 전망된다.
위와 같은 모바일 컴퓨팅의 기술발전에 맞춰 모바일 기기의 심장부라 할 수 있는 AP의 기술도 진화하고 있다.
모바일 AP 기술의 기본적인 발전 방향은 기본적으로 고성능/저전력의 CPU와 GPU, 그리고 멀티미디어 기능 및 고속/저전력의 인터페이스를 기본으로 하며, 모바일 기기의 경박단소(輕薄短小)화와 맞물려 최첨단의 패키지 기술이 매우 중요한 경쟁력으로 떠오르고 있다.
또한, 칩벤더들의 OS 및 소프트웨어 지원능력은 최종 제품화에 있어 가장 중요한 요소로 평가된다.
모바일 CPU 기술 트렌드
ARM은 고성능 OS와 모바일 컴퓨팅 기기용 CPU로 Cortex-A 시리즈, 자동차 및 디지털카메라 등의 어플리케이션에는 리얼타임 CPU로 Cortex-R시리즈, 다양한 가전제품 용 MCU로 Cortex- M 시리즈를 제공하고 있다.
이중에서도 Cortex-A 시리즈는 A5 → A8 → A9 → A15으로 계속적인 성능발전을 이루며, 하이엔드 스마트폰에서 태블릿, 노트북 및 데스크탑/서버까지 그 응용 범위를 넓혀가고 있다.
이와 더불어 싱글코어에서 듀얼코어, 그리고 그 이상의 멀티코어로 더욱더 성능을 높여나가고 있다.
싱글코어의 클럭스피드를 올리는 방식보다는 멀티코어를 이용하는 것이 소비전력이라는 측면에서 훨씬 탁월한 성과를 제공하기 때문에, 이 같은 CPU의 멀티코어화는 계속 진행되리라 예상된다.
GPU 기술 트렌드 : GPU은 더욱 빠르게 고성능화
모바일 기기의 3D 그래픽 기술의 진화 속도는 상상을 초월한 속도로 진행되고 있다.
머지않은 시기에 현재의 Xbox360이나 PSP 수준의 3D게임 컨텐츠가 일반화될 것으로 보이며, 멀티코어 GPU의 도움으로 고급스런 이미지를 연출할 수 있는 하이브리드 렌더링까지 지원될 것으로 보인다.
따라서, 수년 내로 모바일 GPU 프로세서의 성능이 기존 하이엔드3D 그래픽 수준의 그래픽 성능을 보여줄 수 있을 것으로 예상된다.
물론 모바일 GPU에 있어서도 저전력 기술은 가장 중요한 필수요소가 될 것이다.
ARM의 최신 GPU인 Mali-T658은 갤럭시S2 등 스마트폰/태블릿의 고급기종에 장착되고 있는 Mali-400 MP에 비해, 최대 10배 향상된 그래픽 성능을 갖출 정도로 뛰어난 성능을 제공하는 것으로 알려지고 있다.
특히 4배 이상 높아진 컴퓨팅 성능을 갖추고 최대 8코어까지 지원해 화상처리 성능이나 AR(증강현실) 등 기존 그래픽에 의존하지 않았던 분야의 처리까지 담당하면서 CPU의 부하를 크게 낮춰준다.
이미 삼성전자, LG전자, 후지쯔 등이 Mali-T658의 라이선싱을 구입한 것으로 알려졌으며, 로드맵에 따르면 2013년부터는 관련 제품이 본격 출시될 전망이다.
ISP의 고성능화
AP의 고성능 멀티미디어 기술과 Wi-Fi, HDMI, USB 등의 근거리 유/무선 통신의 결합으로 스마트폰은 더욱 파워풀하고 다양한 멀티미디어 디바이스(캠코더, 카메라, 비디오플레이어, TV, MP3 등) 역할을 수행할 수 있게 되었다.
특히 멀티미디어 데이터 처리를 위한 CMOS이미지센서(CIS)와 이미지시그널프로세서(ISP)의 고성능화가 필수조건으로 떠오르고 있다.
ISP는 이미지센서에서 변환된 디지털신호를 영상신호로 바꿔 선명한 화질을 구현케 하는 부품으로 스마트폰 카메라의 화질에 결정적인 역할을 한다.
고화소 ISP분야에서는 NEC와 후지쯔 등 일본업체들이 독보적이었다.
갤럭시S`와 `아이폰4` 모두 NEC제품을 사용했고, 갤럭시S2에서는 후지쯔 제품을 사용했다.
그러나, 갤럭시S3의 1200만 화소급 이미지 칩은 시스템 LSI 사업부를 통한 자체 개발로 방향을 정한 것으로 알려졌다.
삼성전자는 SoC에서의 ISP 기능의 중요성을 인식하고, 2007년 이스라엘의 트랜스칩을 인수해 관련 R&D를 대폭 강화했다.
트랜스칩을 인수한 후 이를 연구·개발(R&D) 법인으로 전환하고 CMOS 이미지 센서 제품과 ISP 개발에 주력했다.
트랜스칩은 삼성전자의 이스라엘 R&D 법인으로서 대부분 현지인으로 구성되어 있으며, 기흥의 시스템LSI 연구소와 긴밀한 협력관계를 유지하며, 삼성전자 시스템LSI 사업부의 경쟁력 강화에 일조하고 있는 것으로 평가된다.
메모리 월(Memory Wall) 문제
현재 프로세서는 CPU 및 GPU의 멀티코어화로 성능이 눈에 띄게 개선되고 있으나,
메모리 인터페이스 서브시스템이 이를 충분히 지원하지 못할 경우 CPU와 메모리 간 일종의 병목현상으로 알려진 메모리 월(Memory Wall) 문제로 인해 SOC 및 전체 시스템의 성능개선 한계가 본격화될 것으로 예측되고 있다.
이 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 메모리 서브시스템 구성에서도 듀얼채널, 쿼드채널과 같은 멀티채널 시스템이 메인스트림이 될 전망이다.
멀티채널 메모리 시스템을 위해서는 그만큼 장착되는 메모리의 개수도 증가하게 된다는 점에서, 그만큼 모바일 DRAM 수요도 늘어날 수 밖에 없을 것으로 예상된다.
고성능 패키지의 중요성
반도체 패키징은 칩을 외부환경으로부터 보호하고 칩의 전기적인 특성을 기판에 연결하는 역할을 한다.
패키징은 과거에는 단순 제조공정으로 취급을 받았던 것이 사실이다.
그러나, 경박단소(輕薄短小)라는 반도체 트렌드에 따라 고도의 패키징 기술이 필요해 지면서 반도체 패키징 산업은 새로운 전환기를 맞고 있다.
특히 최근 들어 3D 패키징의 중요성이 부각되고 있다.
3D 패키징은 크게 칩 스택과 패키지 스택으로 분류할 수 있는데,
현재 삼성전자를 비롯한 여러 회사들은 모바일 AP에서 PoP 방식의 솔루션을 채택하고 있다.
그러나, 장기적으로는 CPU가 멀티코어화 되면서 나타나는 메모리 월(Memory Wall) 문제 해결을 위해서는 TSV 기술을 이용한 HMC(Hybrid Memory Cube)와 비슷한 형태의 솔루션을 개발할 수 밖에 없을 것으로 전망된다.
TSV 방식은 칩사이즈로 패키징을 할 수 있다는 점 이외에 와이어 본딩 방식에 비해 연결거리가 짧고, 많은 I/O(Input/Output) 확보가 가능하다는 장점이 있다.
따라서, 전기저항을 줄이고 신호전달 속도를 높여 저전력화 및 고속화를 달성하기 용이해진다.
또한, 패키지의 고용량화도 가능해진다.
현재 와이어 본딩 기술로는 패키지 크기 증가와 전기적 특성 저하문제로 인해 일정 수준 이상의 칩을 적층하여 단일 패키지로 제작하는 것이 불가능하지만, TSV 기술에선 이를 구현할 수 있기 때문이다.
TSV가 WIDE I/O와 결합해 차세대 모바일 DRAM 생산의 핵심기술로 부상하고 있고, 일부에서는 2~3년 내에 TSV를 양산에 적용가능 할 것으로 내다보고 있다.
하지만, 경제성 확보와 생산 및 테스트에서 표준기술 확립과 같은 이슈들이 남아 있어, 이를 언제 해결할 수 있느냐가 양산시기를 결정하는 중요 요소가 될 것으로 보인다.
참고 : HMC(Hybrid Memory Cube)
특히 최근과 같이 멀티 코어 환경이 대중화되면서 메모리 대역폭으로 인한 성능 문제를 해결하기 위해 대중화된 듀얼 채널과 트리플 채널을 비롯해 쿼드 채널 지원이 언급되고 있다.
하지만 메모리 멀티 채널 구성은 그 채널 수 만큼 메모리 장착을 위한 DIMM이 필요하기에 공간적 제약을 받게되며, 대역폭 또한 산술 급수적으로 증가하기에 멀티 코어 CPU 환경에서 요구되는 높은 대역폭을 위한 근본적인 해결책은 되기 어렵다.
마이크론과 인텔은 이러한 메모리 대역폭 문제를 해결하기 위해 핫 칩 컨퍼런스에서 하이브리드메모리 큐브(Hybrid Memory Cube, 이하 HMC)의 프로토 타입을 발표했다.
HMC 기술을 간단히 요약하면 다이 위에 DRAM을 적층, 데이터를 병렬 처리 함으로써 메모리 대역폭을 확대해 멀티코어 CPU에서 다중 작업을 처리할 때 높아지는 데이터 처리 성능을 끌어올리게 되는 것이다.
HMC는 로직 레이어(Logic Layer)위에 공동 구조의 DRAM을 다수 적층 시킨 후 각 DRAM 사이를 3DI & TSV(3D integration with through-silicon vias)의 3차원 패키지 공법으로 연결하는 것이다.
이 기술은 기존 와이어 본딩을 대체해 실리콘 웨이퍼에 구멍을 뚫어 전극을 형성하는 패키지 방식으로, 미세 공정에서 와이어 본딩으로 해결할 수 없는 고속 입출력 신호처리와 신호채널 수 확장 등을 해결하는 대안으로 주목받고 있다.
업계에 따르면 TSV 적용시 고주파 신호 손실을 방지하고, 전력소비를 70% 이상, 신호지연현상을 60% 이상 감소 시킬 수 있는 것으로 알려졌다.
마이크론이 핫 칩 컨퍼런스에서 시연한 1세대 HMC 프로토 타입 메모리(1Gb 50nm DRAM 어레이 + 90nm 로직)는 동작전압 1.2V에 DDR3 1333MHz보다 10배 이상, DDR4 2667MHz보다 6배 이상 높은 128GB/s의 대역폭을 제공하며,
DDR3 1333MHz 모듈에 비해 대역폭당 소비전력은 16.7%, 실제 소비전력은 26.3% 수준으로 낮은 수치를 기록한 것으로 알려지고 있다.
OS 및 소프트웨어 지원
현재 지원하는 OS플랫폼보다 훨씬 더 많은 OS 플랫폼을 지원해야 할뿐만 아니라, 소프트웨어 솔루션의 제공범위도 크게 증가하고 있다.
이전까지는 보드지원이라 해서 기본적으로 OS와 디바이스 드라이버를 중심으로 펌웨어 일부와 미들웨어 일부를 지원하는 수준이었으나, 이제는 AP 벤더 쪽에서 거의 미들웨어 전체를 서포트하면서,
심지어 어플리케이션 소프트웨어까지 디바이스 메이커들에게 제공할 수 있는 플랫폼지원으로 서비스 영역이 확대되고 있다.
따라서, 이를 지원할 수 있는 소프트웨어 인력을 충분히 확보하고 있어야 할 필요성이 점증하고 있다.
AP 개발 프로세스
AP의 개발은 기획에서부터 설계 → 팹공정 → 패키징 →실리콘검증 → 소프트웨어 개발 → 샘플검증 → 기술지원을 거쳐 제품 양산에 이르게 된다.
통상적으로 하나의 AP 완성제품을 개발하는데 약 2년 정도의 시간이 필요한 것으로 알려졌다.
그리고, 이 개발 프로세스에서 제일 중요한 부분은 양산 직전단계인 기술지원과정이다.
AP의 개발에 있어서 ARM이 제공하는 아키텍쳐를 사용하고, TSMC를 파운드리로 이용하면, 어렵지 않게 칩을 만들 수 있지 않을까 하는 생각을 갖는 업체들이 국내외에 적지 않은 것으로 알려져 있다.
그러나, 실제로 시장성과 완성도를 갖춘 AP의 개발은 아키텍쳐에서부터 코어IP, 설계/검증, 공정, 패키지, 소프트웨어까지 시스템 반도체와 관련된 종합 기술을 확보하고 있어야만 성공적으로 마무리될 수 있기 때문에, 최종양산 제품화에 성공하는 것은 생각보다 훨씬 어려운 과정이 될 것으로 예상된다.
III. 모바일 AP 시장 동향
스마트폰과 태블릿 시장 전망
스마트폰 시장규모는 지난해 약 3억대에서 올해 약 4.6억대, 그리고 내년에는 6.7억대로 고속성장을 이어갈 전망이다.
2015년에는 13억대까지 증가할 것으로 예상된다.
태블릿 시장규모는 올해 약 5,400만대에서 내년에는 1억대를 넘어설 것으로 보이며, 2015년에는 3억대 규모로 확대 될 전망이다.
반면 일반 피쳐폰의 경우는 지난해와 올해의 약 10억대를 피크로 해서 점차 시장 수요가 줄어들 것으로 예상된다.
PC의 수요 증가율도 2010년 이전에 비해 확실히 레벨다운 될 것으로 보인다.
스마트폰과 태블릿, 그리고 PC를 합한 전체 컴퓨팅 기기 시장규모는 지난해 6.7억대에서 올해 8.7억대로 약 30%의 비교적 높은 성장세가 예상되며, 2012년에도 11.5억대로 30% 이상 증가할 것으로 전망된다.
그리고, 2015년에는 이 같은 개인지향형 컴퓨팅 기기 대수가 20억대 규모를 넘어설 것으로 기대되고 있다.
스마트폰 시장 경쟁구도
스마트폰과 태블릿으로 대표되는 모바일 컴퓨팅 시장은 그 이전까지의 PC시장과 핸드폰 제조 시장과는 근본적으로 다른 특징과 다른 업체들에 의해 산업이 지배되고 있다.
현재 스마트폰 시장의 경쟁구도는 애플과 안드로이드가 양대 진영을 이루는 가운데, 과거 피처폰의 최강자였던 노키아는 PC시대의 제왕인 마이크로소프트와 전략적 제휴를 맺고 반격을 노리고 있는 상황이다.
스마트폰 1위 업체인 삼성전자를 비롯한 HTC, 소니에릭슨, LG전자, ZTE 등은 안드로이드에 무게중심을 두고 윈도우폰 진영에도 발을 담그고 있는 형국이다.
이중 올해 단연 두각을 나타낸 업체는 삼성전자이다.
지난해 2,570만대 출하로 5위에 머물렀던 삼성전자는 올해 지난해 대비 3.8배나 늘어난 9,700만대를 출하해 애플을 제치고 단숨에 점유율 1위 업체로 등극이 유력시되고 있다.
반면 지난해 1억대로 1위를 기록했던 노키아는 심비안 포기 이후 스마트폰 판매량이 감소하면서, 삼성, 애플에 이은 3위로 내려앉을 전망이다.
AP 응용의 확대 : 스마트폰/태블릿을 넘어…
모바일 AP의 최대 수요처는 스마트폰과 태블릿이지만, 고성능 AP의 개발로 향후에는 노트북, 데스크탑, 그리고 일부 데이터센터용 서버에까지 그 사용 영역이 확대될 전망이다.
그 동안 PC 시대를 지배해왔던 마이크로소프트와 인텔의 밀월은 이제 사실상 끝이 났다.
마이크로소프트가 ARM 계열 칩을 지원하는 윈도우를 개발하기로 했다.
ARM도 Cortex A-15이라는 고성능 CPU를 개발해 어플리케이션의 범위를 확대할 예정이다. 이제 머지 않은 시기에 ARM 기반의 AP를 장착한 노트북과 데스크탑PC를 볼 수 있게 될 것으로 전망된다.
따라서, AP의 TAM(잠재시장규모, Total Addressable Market)은 모바일 시장에만 국한되어 있지않다.
다만, 이를 모델링해서 구체적인 수치로 만드는 일은 너무나도 많은 가정과 변수를 필요로 하기 때문에, 이번 조사에서는 계량화시키지 않았다.
다만 우리는 이를 AP 시장규모의 추가 업 사이드 요인으로 반영하는 편이 현재로서는 낫다고 판단한다.
스마트폰 AP 개발 트렌드
스마트폰 아키텍처에는 두 가지 큰 방향이 있다.
통합 아키텍처와 단독 아키텍처이다.
통합 아키텍처는 기존의 모뎀 베이스밴드 칩셋에 고성능 어플리케이션 프로세서 기능을 추가하여 통합된 하나의 칩(Fat Modem)을 중심으로 셋트를 구성하는 것이며,
단독(Stand Alone) 아키텍처는 모뎀은 모뎀 본연의 기능만 하고 기타 주요한 작업은 모두 어플리케이션 프로세서에서 통합 처리하는 구조를 나타낸다.
현재 단독 아키첵쳐를 취하고 있는 업체는 삼성전자, TI, 인텔 등이 있으며, 통합 아키텍쳐를 취하고 있는 업체로는 퀄컴, ST-에릭슨 등을 들 수 있다.
각 아키텍쳐별 장단점을 비교하면 다음과 같다.
IV. 모바일 AP 업체 현황 및 시장전망
현재 모바일 AP 시장은 삼성전자, 퀄컴, 텍사스인스트루먼트가 빅3를 형성하고 있다.
그 이외에 엔비디아, 프리스케일, 르네사스, 마벨, ST에릭슨과 같은 업체들이 비슷한 기능의 칩을 만들고 있거나, 준비 중에 있다.
이들 대부분은 CPU로 ARM의 Cortex A시리즈를 채택하고 있으나, 르네사스는 MIPS 기반의 자사 SH 시리즈 CPU를 이용해 AP를 제조하고 있으며, 마벨은 X-스케일 기반으로 칩을 설계하고 있다.
X-Scale 프로세서는 ARMv5 아키텍처를 기반으로 설계된 인텔의 모바일 프로세서 아키텍처로 과거 핸드헬드PC나 PDA 등에 폭넓게 사용되었다.
사실 X-Scale은 DEC(Digital Equipment Company)사(社)의 StrongARM 부문을 인텔이 인수하여 발전시킨 RISC기반의 프로세서였다.
그러나, 2006년 인텔이 X-Scale 관련 라이센스를 마벨사(社)에 일괄 매각함에 따라 현재는 마벨이 그 상표권을 갖고 있다.
삼성전자는 애플의 A시리즈와 자사 갤럭시폰에 적용되는 엑시노스라는 이름의 AP 플랫폼을 제공하고 있으며, 모바일 반도체의 최강자인 퀄컴은 스냅드래곤이라는 브랜드로 AP와 베이스밴드칩을 통합한 원칩솔루션을 제공하고 있다.
텍사스인스트루먼트는 OMAP이라는 멀티미디어 솔루션으로 예전부터 노키아의 심비안 폰에 주력 플랫폼으로 사용되고 있었다.
이들 빅3 이외에 엔비디아는 테크라, 프리스케일은 i.MX, 르네사스는 SH모바일솔루션, 마벨은 PXA, ST에릭슨은 NovaTHOR라는 브랜드의 AP 플랫폼을 제공하고 있다.
삼성전자 : A시리즈, 엑시노스
2009년 말 출시된 허밍버드가 갤럭시 시리즈 등에 내장되어 본격 판매되었으며, 이후 듀얼코어인 오리온칩이 갤럭시S2 등 히트모델에 대거 탑재되고 있다.
Full HD 인코딩/디코딩 및 5배나 성능이 향상된 GPU, LPDDR2/DDR3, GPS, 트리플 디스플레이 등을 갖추고 있는 등 최고 수준의 성능을 갖추고 있고,
특히 올해 스마트폰 시장에서 삼성전자와 애플이 1, 2위를 차지하는데 힘입어 압도적인 차이로 글로벌 1위 AP업체에 등극한 것으로 추정된다.
현재 상황에서는 갤럭시 시리즈와 아이폰에 위협이 될만한 타사의 스마트폰이 눈에 띄지 않고 있어, 내년 이후에도 삼성전자와 애플이 스마트폰 시장을 게속 주도해나갈 가능성이 높다.
따라서, AP 시장에서의 삼성전자 점유율은 더욱 높아질 수 있을 것으로 전망된다.
애플의 A시리즈와 엑시노스 칩은 CPU로 ARM의 Cortex A9을 동일하게 사용하고 있으나, GPU에서는 약간 차이가 있다.
현재 아이폰의 주력인 A5는 이미지네이션사(社)의 SGX를 GPU 코어로 사용하는 반면 엑시노스 칩은 ARM에서 제공하는 말리(Mali) GPU 코어를 사용하고 있다.
삼성전자는 AP 칩 위에 모바일 DRAM을 POP(Package On Package) 방식으로 붙여 하나로 칩으로 만드는 메모리 통합 솔루션을 제공하고 있으며,
빠르면, 2~3년 뒤쯤 TSV (Through Silicon Via) 기술을 적용한 솔루션을 제안할 수 있을 것으로 예상된다.
퀄컴 : 스냅드래곤
퀄컴은 스탠드얼론 형태의 어플리케이션 프로세서는 가지고 있지 않으나,
자사의 베이스밴드칩인 MSM(Mobile Station Modem)과 어플리케이션 프로세서가 통합된 원칩의 장점과 뛰어난 기술지원을 바탕으로 중저가 AP뿐만 아니라 하이엔드 솔루션에서도 스냅드래곤 브랜드로 점차 영향력을 넓혀가고 있다.
퀄컴은 하드웨어의 개발과 더불어 증강 현실 솔루션 R&D나 저가형 스마트폰 OS 개발 배포 등 자사 어플리케이션 프로세서의 부가가치를 높이기 위한 지원에서 가장 앞선 업체로 평가된다.
그러나, CPU 설계가 비동기식에 기반을 두고 있어, 다중작업 시 스콜피온 CPU의 성능이 경쟁사 제품들에 비해 다소 처지는 것으로 알려져 있다.
이 회사의 제품도 기본적으로 ARM을 기반으로 하고 있지만, 타 업체들보다는 더 높은 수준의 ARM 아키텍쳐 라이선스를 사용한다는 면에서 약간의 차이가 있다.
퀄컴은 ARM에서 제공하는 CPU의 인스트럭션세트를 일부 변경해 자사 소유의 고유 CPU인 스콜피온을 보유하고 있는 것이다.
이에 비해 나머지 대다수 업체들이 맺고 있는 것은 ARM 임플리멘테이션 라이선스라 한다.
한편, 퀄컴은 GPU도 AMD 사업부 일부를 인수해 자체 디자인한 아드레노 코어를 사용하고 있다.
한편, 갤럭시S2 LTE에는 삼성전자의 엑시노스가 아닌 퀄컴의 스냅드래곤 (MSM8660) 칩이 사용된 것으로 알려지고 있다.
현재 LTE는 전국 상용화가 안되어 있기 때문에, 아직 음성은 3G로, 데이터는 LTE로 지원하는 구조를 이루고 있다.
이때, LTE를 지원하기 위해서는 AP + 3G B/B + LTE B/B 이렇게 3가지 핵심 코어가 필요한데, 삼성이 자체 LTE칩을 쓰는 대신 퀄컴의 LTE칩을 사용한 것이다.
이럴 경우 삼성전자 AP를 쓰게 되면 핵심 칩 세개가 사용되어야 하기 때문에, 물리적 디자인 및 퍼포먼스를 고려해, 퀄컴의 스냅드래곤을 채택한 것으로 분석된다.
텍사스인스트루먼트 : OMAP 시리즈
2007년 노키아가 모뎀칩의 공급선 다변화(3G : ST-Ericsson, Edge : 브로드컴, GSM 및 로우엔드 : 인피니온)를 선언한 이래 TI는 2008년 말부터 모뎀 사업을 철수하는 대신 OMAP 비즈니스를 강화해나가기 시작했다.
그러나, TI가 OMAP에 집중을 선언했음에도 불구하고 OMAP 어플리케이션 프로세서 비즈니스는 경쟁사들에게 조금씩 밀려나고 있는 것이 현실이다.
OMAP은 삼성 및 엔비디아와 같이 고성능 스탠드얼론 어플리케이션 프로세서를 지향하고 있다.
OMAP 4460부터 듀얼코어가 적용되고 있으며, OMAP5 버전부터는 ARM의 Cortex-A15코어를 적용할 것으로 전해지고 있다.
텍사스인스트루먼트는 OMAP 시리즈를 통해 스마트폰 AP시대 이전부터 핸드폰용 멀티미디어 프로세서에서 확실한 강자로 자리매김을 해오고 있었다.
특히 노키아폰의 최대 벤더로서 지난해까지 동부문 점유율 1위를 차지했던 것으로 추정된다.
그러나, 최근 노키아의 부진과 맞물려, 시장점유율이 급속하게 떨어졌다.
특히, ARM의 NEON 명령어가 설계에 빠져 있어, 동영상 디코딩 성능이 다소 처지는 것이 단점으로 알려져 있다.
엔비디아 : 테그라
그래픽 프로세서 GeForce 시리즈로 유명한 엔비디아는 2010년 1월 세계최초의 40나노 공정의 듀얼코어 어플리케이션 프로세서인 테그라2를 발표해 시장을 깜짝 놀라게 했다.
테그라2는 테그라 1 대비 4배의 3D 성능 GPU를 채택했고, LPDDR/DDR2, ISP 내장, 듀얼 디스플레이 등 강력한 성능을 보여주었다.
아우디의 차량 인포테인먼트 시스템에 채용되었으나, 스마트폰/태블릿 분야에서는 별다른 두각을 나타내지 못하다가, 모토로라의 XOOM, 아트릭스 4G, LG전자의 옵티머스2X, 그리고 삼성전자의 갤럭시탭 10.1에 연달아 채택되면서 시장의 관심을 끌었다.
그러나, 그 외에 별다른 히트제품에 적용되지 못하면서, 초반의 관심만큼 점유율을 끌어올리지는 못하고 있는 것으로 분석된다.
한편, 엔비디아는 올해 말 쿼드코어 AP제품을 그리고, 내년 중 8-코어 제품까지 출시할 계획을 갖고 있다.
인텔 : 무어스타운(Moorestown)
인텔은 스마트폰과 핸드헬드 기기를 위한 플랫폼으로 무어스타운을 준비하고 있다.
무어스타운은 45나노 공정의 Atom Z6XX 시리즈와 컨트롤러 허브, 파워 매니지먼트 IC 등으로 구성된 린크로프트(Lincroft) SoC를 기반으로 설계되었다.
한편, 인텔은 이후 2010년 8월, 77억달러룰 주고 맥아피(McAfee), 14억달러를 주고 인피니온의 무선사업부를 사들였다.
이를 통해 인텔은 모바일 환경, 특히 클라우딩 컴퓨팅 환경에서의 보안 기술과 3G모뎀 기술을 확보하게 되어 향후 어떻게든 모바일 AP 시장에서 영향력을 보이게 될 것으로 추정된다.
그러나, 아직은 전력 소모와 인지도 면에 있어서 ARM에 비해 열세에 있어 스마트폰 플랫폼에 있어서 만큼은 인텔이라는 명성에 어울리는 결과를 보여주지 못하고 있다.
특히 인텔은 스마트폰 비즈니스에 있어, PC에서와 마찬가지로 갑의 자세를 취하고 있어 스마트폰 벤더들로부터 호응을 이끌어내지 못하고 있으며, OS 분야에서도 모블린, 미고, 티젠으로 갈팡질팡하는 모습을 보이고 있어, 업체들의 신뢰를 받지 못하고 있다.
모바일 AP 시장 규모 및 전망
모바일 AP 시장의 추정은 시장조사기관마다 큰 차이를 보이고 있다.
각 업체들마다 각기 다른 솔루션으로 칩이 제공되기 때문에 명확한 스탠다드가 없는 데다가, 조사기관마다 칩을 분류하는 기준도 제 각각이기 때문인 것으로 판단된다.
예를 들어 스탠드얼론 AP라든지 통합플랫폼 AP에 대한 명확한 정의가 아직 불분명한 것 같다.
일부 조사기관의 자료를 보면 퀄컴의 스냅드래곤은 베이스밴드 칩으로 분류되어 AP시장 추정에 포함되지 않는 것으로 보인다.
그리고, 각 업체들마다 칩의 패키지 방식과 제공하는 솔루션이 모두 달라 어플리케이션프로세서 플랫폼의 범위를 어떻게 설정해야 되는 지에 대해서도 불분명한 점이 매우 많다.
따라서, 우리는 삼성전자를 분석하는 관점에서 시장규모를 측정하는 방식을 취했다.
즉, 모바일 AP시장에 대한 정의를 일단 스마트폰과 태블릿, 그리고, 아이팟터치 정도로 한정해서 추산을 하고, 주요 세트업체들에게 공급되는 AP를 분석하여, 주요 업체별 수량 기준의 점유율을 산정하는 방식을 취하기로 했다.
스마트폰 시장규모는 지난해 약 3억대에서 올해 약 4.6억대, 내년에는 6.7억대로 고속성장을 이어갈 전망이다.
2015년에는 13억대까지 증가할 것으로 예상된다.
태블릿 시장규모는 올해 약 5,400만대에서 내년에는 1억대를 넘어설 것으로 보이며, 2015년에는 3억대 규모로 확대 될 전망이다.
따라서, 기타 아이팟터치, 갤럭시 플레이어 류의 일부 개인용미디어플레이어 등에 사용되는 AP 등을 포함하면, 올해 삼성전자 입장에서 바라본 전세계 모바일 AP시장규모는 지난해 약 3.4억개에서 올해는 약 5.4억개 규모로 추산된다.
2012년 시장규모는 약 50%가량 증가한 8.1억개로 예상되며, 2013년에는 약 11억개, 2015년에는 16.7억개에 이를 것으로 전망된다.
한편 모바일 기기 중 삼성전자에서 제조된 AP를 탑재한 기기는 대부분 삼성전자와 애플 제품으로 그 수는 지난해 약 1억대, 올해 약 2.3억대로 추산된다.
이에 따라, AP 시장에서 물량기준으로 삼성전자의 점유율은 지난해 30%에서 올해는 42%로 상승하며 확실한 1위를 차지한 것으로 추정되고 있다.
문제는 앞으로의 전망인데, 지금 현재 상황에서 삼성전자의 갤럭시 시리즈를 위협할만한 특별한 제품이나 업체가 눈에 띄지 않고, 아이폰의 경우에는 중국시장에서 본격적인 판매확대가 예상된다는 것이다.
따라서, 2012년에도 삼성전자 갤럭시 시리즈와 아이폰이 스마트폰 시장을 주도할 것으로 전망된다.
이로써, 2012년 삼성전자의 AP 탑재기기는 3.9억대를 넘어설 것으로 추정되며, 2013년에는 5.6억대, 2015년에는 8억대를 넘어설 것으로 예상되어, 약 50%정도의 시장점유율을 당분간 유지할 수 있을 것으로 보인다.
퀄컴과 TI의 점유율은 올해 28%, 20%로 추정되나, 장기적으로는 이보다 낮은 수준으로 감소할 것으로 예상된다.
모바일 반도체와 관련된 시장조사자료는 앞에서도 밝혔듯이 각 업체별 자료와는 큰 괴리를 보여, 이번 리서치 자료의 시장규모에 대한 윤곽은 주로 삼성전자에서 파악하고 있는 시장규모를 참조하여 추정하였다.
참고로 삼성전자는 올해 SoC반도체 시장규모를 858억달러로, 이중 AP시장규모를 116억달러로 추산하고 있으며, 2015년에는 각각 1,153억달러, 276억달러 규모로 성장할 것으로 예상하고 있다.
IV. 삼성전자 시스템반도체 현황 및 전망
삼성전자 AP 사업부 소개 : 10여 년 녹아 든 노하우의 결실
삼성전자 AP 사업이 애플 아이폰의 성공 이후 관심의 대상이 되고 있지만, 사실 그 기원은 상당히 오래된 것이다.
때는 1997년으로 당시 삼성전자는 PDP, VAX 머신으로 유명했던 서버 컴퓨팅 업체인 DEC(Digital Equipment Corporation)사(社)의 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 프로세서로 알파칩을 생산하는 비즈니스를 시작했다.
알파칩은 당시 인텔의 서버용 프로세서인 펜티엄프로보다 성능 면에서 우수하다는 평가를 받을 정도로 세상의 관심을 끌었던 프로세서였다.
당시 알파칩 프로젝는 이용각 고문의 책임아래 삼성전자의 비메모리 사업 본격 진출이라는 거창한 명제 아래 당시로서는 엄청난 금액인 총 5억달러를 투자하며 야심차게 시작되었고 이후에는 진대제 전정보통신부 장관이 이 사업을 진두지휘 했던 것으로 알려졌다.
DEC가 1998년 컴팩에 인수되면서, 오히려 서버 시장에서의 영향력이 커지게 될 것으로 예상되어, 삼성전자의 알파칩 프로젝트는 좋은 기회를 맞게 된 것처럼 보였다.
그러나, 컴팩이 DEC 사업부의 자산과 인력을 2001년 인텔에 매각한 이후 삼성전자의 알파칩 사업은 개발중단 사태에 직면하게 되고 말았다.
인텔은 DEC인수로 X-Scale이라는 모바일기기용 RISC프로세서를 개발하면서, 서버용에 특화된 알파칩 부문은 시장에서 잊혀지게 하는 전략을 세웠다.
이를 계기로 서버 시장에서 인텔의 아이태니엄칩이 사실상 시장을 지배할 수 있게 된 것으로 후일 평가되고 있는 것이다.
당시 미국의 주요 컴퓨터 관련 연구소의 최고 인력들로 구성된 알파칩 프로젝트는 그렇게 시장에서 실패한 비즈니스로 잊혀져 가고 있었다.
그러던 중 삼성이 아이폰과 아이팟터치의 어플리케이션 프로세서를 공급하게 되면서, 10여년 만에 화려한 부활에 나서게 된 것이다.
결론적으로 삼성이 극히 단기간에 AP에서 괄목할만한 성과를 이룬 것으로 평가될 수 있지만, 실질적인 내막을 보면, 뛰어난 인력자원을 바탕으로 오랜 기간 녹아 든 프로세서 설계 및 생산 능력이 밑바탕이 되었기 때문이라 할 수 있는 것이다.
기흥 캠퍼스 시스템LSI 생산라인 현황
현재 삼성전자는 기흥캠퍼스를 시스템반도체 특화라인으로, 화성캠퍼스를 메모리 특화라인으로 리모델링을 하는 작업을 진행 중에 있다.
먼저 14라인에서 시스템반도체를 생산하기 위해 이곳에 있는 낸드플래시 제조설비를 화성16 라인으로 순차적으로 이전하고 있다.
이와 함께, 플래시메모리를 생산했던 9라인을 S라인 건물과 지상으로 연결해 두 개 라인을 합쳐 S1라인으로 개조하는 작업을 진행 중이다.
현재 9라인과 한 건물에서 저용량 낸드플래시 제품 일부를 생산하는 8라인 역시 중장기적으로 시스템반도체 라인으로 전환될 것으로 예상된다.
한편, 삼성전자는 백혈병 논란을 불러 일으켰던 노후화된 1라인을 허물고, 이 부지에 시스템반도체의 후공정을 담당하는 P1라인의 건설을 마쳤다.
결국, 14라인과 9라인, 8라인을 순차적으로 시스템반도체 라인으로 전환하게 되면, 기존 5∼7라인을 포함해 기흥캠퍼스 전체는 거대한 시스템반도체 단지로 재탄생 되는 것이다.
2011년 4분기 현재 삼성전자 시스템반도체 생산라인은 8인치 월 20만장, 12인치 월 11만장의 생산능력을 갖추고 있는 것으로 추정된다.
시스템반도체 실적전망 : 2011년 11조, 2012년 16조원대 매출 기대
삼성전자에서 제작한 AP가 탑재된 기기의 판매량은 2010년 1억대에서 2011년 약 2.3억대로 두배 이상 늘어날 것으로 보인다.
2012년에도 가파른 성장세를 그리며, 약 3.9억대의 모바일 기기에 삼성의 엑시노스 또는 A시리즈 칩이 장착될 것으로 예상된다.
기기 출하와 칩 출하 사이의 시차를 고려할 때, 삼성전자가 제작한 AP칩의 출하량은 2009년 5,100만개에서 2010년 약 1.1억개, 2011년 약 약 2.4억개로 증가할 것으로 보이며, 2012년에는 4억개, 2013년에는 5.9억개까지 늘어날 것으로 추정된다.
또한, 삼성전자 AP 플랫폼의 솔루션이 싱글코어에서 듀얼코어로, 그리고, 모바일 DRAM PoP패키지까지 포함되면서, 메모리와 달리 ASP가 오히려 상승한 것으로 보인다.
실적발표에서 얻은 일부 힌트와 여타 정보들을 종합해볼 때, 현재 삼성전자가 공급하는 AP의 판가는 2010년 약 17달러 수준에서 2011년에는 22달러로 상승한 것으로 추정된다.
이에 따라 삼성전자의 AP 매출은 지난해 약 2.1조원에서 2011년에는 5.8조원으로 170% 증가할 것으로 예상되며, 내년 2012년에는 8.8조원, 2013년에는 12조원에 육박할 것으로 추정된다.
어플리케이션 프로세서는 DRAM, NAND에 이어 삼성전자 반도체의 또 다른 히트제품으로 확실히 자리매김하고 있다.
어플리케이션 프로세서의 급격한 성장과 CMOS 이미지센서, 파운드리 등 기타 시스템LSI 분야의 매출 증가로 삼성전자 시스템 LSI 부문 실적도 드라마틱하게 개선될 전망이다.
2009년 4.4조원에 불과했던 시스템LSI 사업부의 매출규모는 2010년 7조원, 2011년 11조원대, 그리고 2012년에는 16조원대로 큰 폭 증가가 예상된다.
시스템 LSI 사업부문 영업이익도 2009년 440억원에서, 2010년 4,300억원, 2011년 1.4조원, 2012년 2.2조원으로 대폭 증가할 전망이다.
시스템반도체 업체 밸류에이션 비교
세계 주요 시스템반도체 업체들의 밸류에이션은 2012년 예상실적 기준으로 대략 12~14배 수준에서 거래되고 있다.
인텔은 모바일 부문 비중이 거의 없어 상대적으로 낮은 수준에서 거래된다.
삼성전자를 이들 업체들과 직접 비교할 수는 없지만, 하나의 참고지표는 될 수 있을 것이다.
자료출처 : 신영증권/맥파워의 황금DNA탐색기
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