이 기사는 2022년 09월 15일 16:08 thebell 에 표출된 기사입니다.

시스템온칩(SoC) 반도체는 모바일 기기 전체의 두뇌 역할을 한다. 이런 SoC를 구성하는 부품 중에서도 특히 중추 역할을 하는 칩셋이 있다. 바로 중앙처리장치(CPU)다. CPU는 운영체제(OS) 위에서 모든 소프트웨어(애플리케이션)를 실행하는 것부터 다른 하드웨어 장치들을 제어하는 역할까지 담당해 SoC의 대뇌에 비유된다.

삼성전자 시스템LSI부는 영국 팹리스사인 Arm의 CPU 지적재산권(IP)을 사용한다. 대신 그대로 취하기 보단 고객사의 요구 조건에 맞춰 추가 성능개발 과정을 거친다.

여기서 중시하는 건 ‘E2E(End-to-End)' 전략이다. 개발 초기 Arm사와의 협력 단계부터 세트업체와의 커뮤니케이션, 마지막 파운드리 공정까지 전 라인이 긴밀하게 협력하는 방식을 추구한다.

애플사가 자체 SoC(A, M)를 개발때 소프트웨어 설계부터 하드웨어 부품, 모바일 기기 제조 전 과정을 일원화시켜 뛰어난 성능을 구현했던 것과 비슷하다. SoC의 핵심인 CPU칩부터 원스톱 개발 체제를 구축하겠다는 방침이다.


◇'고성능 CPU'를 위한 비전 셋_①Arm사와의 파트너십 다지기

CPU는 삼성전자의 SoC인 엑시노스에 탑재되는 칩들 중에서도 핵심 장치로 분류된다. 가장 복잡한 연산을 담당해 사람의 대뇌로도 비유된다.

삼성전자 시스템LSI사업부 내에서도 CPU를 담당하는 SoC설계2팀의 수장인 정우경 프로젝트리더(PL)은 최근 삼성 뉴스룸을 통해 향후 개발 방향을 3가지로 압축해 설명했다.

첫번째는 CPU IP를 제공하는 팹리스사인 Arm사와의 협력을 공고히 하는 것이다. 최근 모바일 CPU가 데스크탑을 능가할 정도로 고성능 마이크로 아키텍처를 요하고 있는 만큼 IP 확보가 중요하다.

정 리더는 "개발진들이 처음 CPU의 목표 성능을 결정한 직후 이행하는 업무가 바로 Arm의 CPU IP를 입수하는 것"이라고 설명했다. 자체 CPU IP를 보유하고 있지 않은 상황에서 Arm사와의 파트너십 유지는 필수조건이다.


삼성 SoC설계2팀의 개발진들이 Arm사의 CPU를 엑시노스에 그냥 탑재하는 건 아니다. Arm사로부터 RTL 형태로 된 CPU 설계도를 받으면, 이를 토대로 CPU 주변 회로를 재설계하고 구현하는 업무를 수행한다. 고객들의 니즈를 반영해 CPU성능을 최대로 낼 수 있도록 적합한 메모리 서브시스템 등을 만드는 작업을 수행한다.

정 리더는 "CPU는 SoC 등 모든 시스템의 경쟁력을 크게 좌우할 뿐 아니라, 반도체의 첨단 기술 적용에 있어 가장 최우선 순위에 있는 분야"라면서 "향후에도 Arm사의 CPU IP를 채택할 것"이라고 강조했다.

◇②소프트웨어 최적화, ③설계부터 공정까지 원스톱

두번째 방향성은 소프트웨어 최적화를 통한 성능향상이다. CPU를 단순히 칩 레벨(Chip Level)수준이 아닌 세트 레벨(Set Level)까지 올려놓겠다는 포부다.

이는 제한된 전력 한도 내에서 고성능을 내야하는 상황과 맞물려 있다. CPU 코어는 성능별로 'Big-Mid-Little' 으로 단계가 구분돼 있다. 통상 3D 게임 등을 가동할 때 고성능의 빅(Big) CPU 코어를 요한다. 다만 문자 메세지 기능을 사용할 때까지 같은 코어를 사용한다면 전력 소비가 상당할 것이다.

결국 저전력 구현을 위한 필수 관문은 게임, 카메라 등 다양한 시나리오별 맞춤 CPU코어를 가동하는 일이다. 소프트웨어로 이를 조절할 수 있다면 CPU 효율성을 극대화할 수 있는 가장 최상의 조건을 갖춘 셈이다.


삼성은 CPU 코어를 다양하게 조합해 효율성을 제고하고 있기도 하다. 예컨대 큰(Big) 코어와 작은(Little) 코어를 조합한 '빅리틀 코어'의 경우 전력 소모가 적게 필요한 곳엔 작은 코어를 돌려 조금만 전류를 소모하도록 해 배터리를 절약할 수 있는 개념이다. 삼성은 과거 '빅(Big)' 코어로만 구성하던 것에서 빅리틀(Big-Little), 최근엔 '빅미드리틀(Big-Mid-Little)' 구조로 CPU 코어 구조를 변형해왔다.

모바일 CPU는 컴퓨터 CPU를 능가하는 수준으로 발전하고 있다. 과거 피처폰 시절엔 간단한 파이프라인 구조의 '단일코어' 형태에 불가했지만, 최근 스마트폰 시대로 변모하면서 여러개의 명령어를 병렬 처리할 수 있는 '멀티코어' 구조를 취하고 있다.

마지막은 E2E (End to End) 전략이다. 제품 초기개발부터 설계, 공정 후 세트사와의 피드백을 주고받는 전 과정에서 긴밀한 협력 라인을 구축해 개발 효율성을 끌어올리겠다는 방침이다.

애플이 모바일 소프트웨어 설계부터 AP칩 설계, 모바일 기기 제조 전 과정을 일원화시켰던 것과 비슷한 구조로 분석된다. 삼성은 AP 설계를 맡은 시스템LSI부, 세트사인 MX사업부가 각자도생하고 있기 때문에 상대적으로 비효율적이라는 지적을 받아왔다.

정 리더는 "CPU 성능 향상을 위해 차세대 패키징(Advanced Packaging) 기술 활용 등 다양한 방안을 모색하고 있다"며 "머신러닝(Machine Learning) 처리 성능도 강화해 AR, 메타버스 등 미래기술에 대응할 것"이라고 강조했다.