5G 시대 무선통신기술의 핵심! 엑시노스 RF 5500와 엑시노스 SM 5800

5G(5세대 이동통신) 시대가 도래하면서 우리의 일상에도 많은 변화가 생길 것으로 예상됩니다. 5G는 ‘빠름’의 대명사로 쓰이던 LTE(4G)보다 최대 20배 가량 빠른 속도를 자랑할 만큼 혁신적인 기술인데요. 예전에 없던 새로운 기술인 5G를 가능하게 하기 위해서는 이를 뒷받침 할 수 있는 다양한 기술들이 필요합니다.

최근 삼성전자 DS부문에서 이러한 초고속 데이터 통신을 가능케 하는 무선통신기술의 핵심 반도체 ▲엑시노스 모뎀 ▲무선 주파수 송수신 반도체 ‘엑시노스 RF(Radio Frequency) 5500’ ▲전력 공급 변조 반도체 ‘엑시노스 SM(Supply Modulator) 5800’을 출시했는데요. 5G 토탈 모뎀 솔루션 개발의 주역으로 RF칩과 SM칩을 개발한 System LSI사업부(이하 S.LSI사업부)의 MSC설계팀을 만나 봤습니다.

5G 시대의 문을 열다, 토탈 모뎀 솔루션

5G, 이른바 NR(New Radio)은 기존 4G LTE보다 넓은 고주파수 대역을 사용하면서 초저지연성과 초연결성 등의 강점을 자랑하는 이동통신기술입니다. 마치 새로운 차원의 데이터 고속도로를 뚫 은 것처럼 주파수를 넓게 쓸 수 있기 때문에 대용량의 데이터 전송과 지연 없는 통신이 가능해집니다.

첨단기술의 결정체, 5G 모바일 속에는 이를 가능하게 하는 숨은 기술 RF 칩과 SM 칩이 있습니다.

무선 주파수 송수신 반도체 ‘엑시노스 RF(Radio Frequency) 5500’

RF 칩은 모뎀에서 나오는 디지털 신호를 아날로그로 변환해 우리가 사용할 수 있는 주파수로 바꿔주고 반대로 모뎀으로 전송하기도 하는 무선 주파수 송수신 반도체입니다.

이번에 출시한 ‘엑시노스 RF 5500’이 특별한 이유는 5G를 지원하는 트랜시버(Transceiver)인 동시에 2세대부터 5세대까지 모든 단계의 통신을 하나의 칩으로 지원하는 최초의 칩이라는 데에 있습니다. 2개 이상의 규격을 만족시키려면 보통 2개의 개별적인 칩이 필요하지만 이 제품은 하나의 반도체가 그 기능을 지원하기 때문에 모바일 기기 설계 시 공간 부담과 전력소모를 줄인다는 장점이 있습니다.

전력 공급 변조 반도체 ‘엑시노스 SM(Supply Modulator) 5800’

앞서 언급한 RF 트랜시버가 통신기지국에 데이터를 발신하기 위해서는 전력 증폭 반도체를 이용해 신호를 증폭시키는 과정이 필요합니다. 전력 공급 변조 반도체인 SM 칩은 이러한 신호증폭에 필요한 전압을 조절해 배터리 효율을 높여주는 기능을 담당하는 반도체인데요.

신호를 송신할 때 가장 배터리 소모가 많은 전력 증폭 소자(Power Amplifier, 이하 PA)의 전력효율을 개선해 실제로 배터리 효율을 높여주는 기능을 담당합니다. 특히 모바일 기기와 통신기지국 간의 거리 정보를 바탕으로 필요 전압을 최적화해 단말기에서 사용되는 배터리 소모를 개선하며 효율적으로 처리합니다.

세계 최초에서 세계 제일로, RF 칩과 SM 칩의 경쟁력

그렇다면 이번에 출시된 ‘엑시노스 RF 5500’과 ‘엑시노스 SM 5800’의 경쟁력은 무엇일까요?

우리나라는 4세대 통신이 보편화됐지만 전 세계적으로는 2G부터 3G, 4G까지 다양한 통신 기술을 사용하고 있습니다. 여기에 이제 5G까지 등장한 건데요. 국내뿐 아니라 전 세계에서 사용하려면 모든 규격을 지원해야 하는데 다른 규격의 칩이 모바일에 2개 이상 들어간다고 하면 배터리 효율이 떨어지고 모바일 기기의 크기가 커질 수 있습니다. 엑시노스 RF 5500은 하나의 칩으로 기존 통신표준인 2G/3G/4G LTE와 함께 새로운 표준인 5G NR까지 지원하는 경쟁력을 갖췄습니다.

또한 엑시노스 SM 5800은 데이터 전송량이 큰 5G 통신에 맞게 최대 100㎒ 무선 대역폭을 지원하고, 모바일 기기와 통신기지국 간의 거리 정보를 바탕으로 필요 전압을 최적화 해 배터리 효율을 최대 30% 개선합니다.

▲지난 2월 미국 샌프란시스코에서 열린 ‘국제반도체기술학회(ISSCC) 2019’에서 RF칩에 대해 발표하는 삼성전자 S.LSI사업부 MSC설계팀장 이종우 상무

현재 엑시노스 RF 5500와 엑시노스 SM 5800은 모두 삼성전자가 세계적으로 리더십을 발휘하고 있습니다. 삼성전자는 이 기술의 우수성을 인정받아 ‘반도체 올림픽’이라고도 불리는 국제반도체 기술학회(이하 ISSCC) 2019에서 우수 논문으로 선정되기도 했습니다. 이는 반도체 분야 최고의 학회인 ISSCC에서의 해당 기술이 상품 가치를 인정받은 것뿐만 아니라 학술적 기여까지 인정받았다는 것을 의미합니다.

무선통신기술 혁신의 주역들을 만나다

▲ 매년 ISSCC 학회에서 논문을 발표, 팀원 모두 한 장씩 들고 찍을 수 있을 정도로 다양한 인증서를 보유하고 있는 MSC설계팀

5G 토텔 모뎀 솔루션을 개발한 MSC(Mixed Signal Circuit)설계팀은 RF 트랜시버와 SM 칩 외에도 SOC/아날로그 IP 등 아날로그랑 디지털이 혼합된 설계 작업 등을 진행하고 있습니다.

다양한 기술의 설계 경험을 갖고 있지만 RF 칩, SM 칩의 설계 과정은 남달랐다고 하는데요. 5G가 세상에 처음 나온 새로운 표준 규격이다 보니 개발 과정에서 발생한 문제점과 돌발상황들에 대해 대처하는 것이 쉽지 않았습니다. 직접 개발에 참여한 분들을 만나 개발 과정에서 느낀 점을 들어봤습니다.

강상훈 님: 문제 없이 순조롭게 지나간 건 기억에 남지 않고 늘 어려웠던 순간들만 기억에 남는데요. 이번에는 세상에 없던 주파수를 쓰는 일이다 보니 설계의 방식도 달라지고 예측이 불가능한 부분이 많았습니다.

설계를 완성해가는 단계에서 만족스럽지 못한 결과를 받았을 때가 있었는데요. 멀리 돌아가더라도 중간에 아쉬운 부분 없이 만드는 게 중요하다고 생각해 다시 작업을 진행했고 덕분에 완벽한 제품을 만들어 낼 수 있었기에 더욱 의미 깊습니다.

노미야마 님: 평소 IC를 설계할 때는 기존에 있던 회로를 바탕으로 설계를 하는데, 5G는 제로 상태에서 회로 설계를 한다고 생각될 만큼 고생이 많았습니다. 새로운 표준이기 때문에 설계 과정에서는 알 수 없다가 실행하는 과정에서 나오는 문제들이 많았지만 팀원들이랑 함께 하다 보니 결국엔 해결이 되더라고요.

앞으로 도래할 5G 시대의 첫 문을 연 MSC설계팀원들의 감회와 소감은 남달랐는데요. 의미있는 기술 개발을 시작으로 앞으로 이루고 싶은 목표에 대해 들어봤습니다.

MSC설계팀장 이종우 상무: 5G 시대가 열리면서 우리가 남들에 앞서 의미 있는 첫발을 내딛게 되어 무척 좋은 일이라고 생각합니다. 이러한 성과를 팀원들이 한마음 한 뜻으로 이루어냈다는 것이 더욱 뿌듯하고 고맙기도 합니다. 이번 일을 발판으로 앞으로 더 좋은 제품을 만들어내도록 노력하겠습니다.