먼지 한 톨도 허용되지 않는 곳, 클린룸(Clean room)

반도체 생산라인 내부는 클린룸(Clean room)이라고 불립니다. 반도체 제조 공정에서는 아주 작은 먼지, 입자 하나라도 들어가면 반도체 품질에 영향을 줄 수 있는데요. 이는 클린룸이 외부 환경과는 다른 아주 높은 수준의 청정도를 유지해야 하는 이유입니다.

공간의 청정도를 나타내는 척도는 ‘클래스’인데요. 클래스는 가로, 세로, 높이가 각 1피트인 1입방피트 안에 0.5 마이크로미터 이상 크기의 입자 수가 얼마나 되는지를 나타냅니다. 예를 들어, 클린룸의 클래스가 1,000이라고 하면, 0.5마이크로미터 이상 크기의 입자가 1,000개 이하인 공간이라고 할 수 있죠.

삼성전자 반도체 클린룸 내부에는 천장의 먼지를 걸러주는 고성능 필터가, 바닥에는 격자 모양의 미세한 구멍이 있습니다. 위에서 아래로 공기가 순환하는 구조를 통해 청정한 환경이 유지되고 있는 것이죠.

생산 환경에 최적화된 라인 내부로 들어가기 위해서는 근무자 역시 특별한 복장인 ‘방진복’을 착용해야 하는데요. 방진복은 먼지 등 미세한 입자들이 빠져나가지 않게 하는 기능은 물론, 반도체 집적회로에 영향을 줄 수 있는 정전기를 방지하는 기능도 갖추고 있습니다.

웨이퍼의 효율적인 이동을 돕는 택배 상자 ‘FOUP’과 운송 차량 ‘OHT’

반도체는 3주 이상의 기간 동안 8대 공정으로 대표되는 단계들을 수백 차례 오가며 탄생합니다. 이 과정에서 웨이퍼가 넓은 Fab 안에 있는 다양한 설비들로 효율적으로 이동할 수 있도록 해주는 것이 FOUP(Front Opening Unified Pod/Front Opening Universal Pod)과 OHT(Overhead Hoist Transport)입니다.

FOUP은 웨이퍼를 보관하거나 안전하게 이동할 수 있게 고안된 용기로, 웨이퍼 배송 전용 상자라고 할 수 있습니다. 그리고 이 상자를 필요한 곳으로 이동시켜주는 배송 차량이 바로 OHT죠. OHT는 Fab 내부에서 가장 눈에 띄는 설비 중 하나인데요. Fab 천장에 도로처럼 설치된 레일을 따라 웨이퍼가 담긴 FOUP을 필요한 설비로 빠르게, 자동으로 운송하는 역할을 합니다.

OHT 시스템은 자율 주행 시스템과 유사한데요. 이동 시 기기 간 충돌을 방지하고 장애물을 감지할 수 있는 센서가 탑재돼 있어, 위험이 발생할 경우 자동으로 감속해 안전한 이동이 가능하기 때문입니다. 반도체 라인의 생산 효율성은 OHT를 통해 크게 향상될 수 있었습니다.

반도체 생산라인은 직접 들어가 체험해보기 힘든 공간인 만큼 반도체에 관심 있는 분들에게 더욱 신기한 공간일 것 같습니다. 오늘 소개해 드린 내용이 여러분의 호기심을 해소해 줄 수 있길 바라며, 다음 #반모 도 기대해 주세요!

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• 삼성전자, 1억 8백만화소 프리미엄 이미지센서 ‘아이소셀 HM3’ 출시
• 삼성전자, 사람 눈과 더욱 가까워진 이미지센서 ‘아이소셀 GN2’ 출시

그런데, 이미지센서 신기술 발표 기사에 눈에 띄는 숫자들이 있습니다. 각 숫자들은 무엇을 뜻하는 걸까요? 쉽게 알아보는 반도체 모임, #반모에서 숫자들의 의미에 대해 함께 알아보겠습니다.

해상도를 나타내는 숫자, 메가픽셀(Mp)

먼저, 메가픽셀(Megapixel, Mp)은 100만(10의 6제곱)에 해당하는 ‘메가(Mega)’와 화소를 의미하는 ‘픽셀(pixel)’이 합쳐진 것으로, ‘100만 화소’를 의미합니다. 108Mp는 1억 8백만 화소, 50Mp는 5천만 화소를 뜻하는 셈이죠. 여기서 픽셀(화소)은 이미지를 구성하는 최소 단위로, 화소 수가 많으면 많을수록 정밀하고 상세한 이미지를 얻을 수 있습니다. ‘해상도가 높다’고 표현하는 것은 여기에서 나온 것으로, 고화소일수록 고해상도의 이미지 촬영이 가능합니다.

미세한 픽셀의 크기를 나타낸다? 마이크로미터(µm)

마이크로는 10의 6제곱 분의 1, 즉 100만 분의 1 = 0.000001에 해당하는 수치입니다. 이러한 마이크로 단위는 픽셀의 크기를 표현할 때 주로 사용되는데요. 일례로 삼성전자가 지난 1월 발표한 ‘아이소셀 HM3’ 제품의 픽셀 크기는 0.8 마이크로미터입니다. 0.8마이크로미터는 10만 분의 8 센티미터 또는 1000만 분의 8미터에 해당하며, 눈에 보이지도 않는 엄청나게 작은 크기임을 알 수 있죠. 사람의 머리카락 굵기가 보통 40~70 마이크로미터 정도 된다고 하니, 0.8 마이크로미터 픽셀이 얼마나 작은 지 느껴지시나요?

해상도와 수광면적을 결정 짓는 픽셀의 크기

그럼 이제, 픽셀 크기와 관련된 개념을 이미지센서에 적용해보겠습니다. 같은 크기의 이미지센서라면 픽셀 크기가 작을수록 더 많은 픽셀을 담을 수 있고, 같은 크기의 이미지센서라면 픽셀이 작을수록 더 높은 해상도를 구현할 수 있게 되는데요.

같은 픽셀 숫자를 가진 이미지센서의 경우, 픽셀 크기에 따라 센서 크기가 다양해지는데, 여기서 픽셀이 크다는 것은 빛을 받아들이는 면적(수광 면적)이 넓어짐을 의미합니다. 또한 수광 면적이 커지면 노이즈가 적은 고화질 이미지를 촬영할 수 있죠. 이 때문에, 해상도와 수광 면적을 모두 최적화할 수 있는 픽셀 크기의 결정이 중요합니다.

이미지센서 크기를 가늠할 수 있는 길이, 1/1.XX인치

이미지센서 크기를 언급할 때 보통 1/1.XX와 같이 분수로 표현된 수치를 볼 수 있습니다. 이는 이미지센서의 실제 대각선 길이가 아닌 Optical format이라는 개념에 해당하는데요. 렌즈나 이미지센서의 규격을 언급할 때 자주 등장하는 Optical format를 설명하기 위해서는 카메라 제조 방식에 대한 이해가 필요합니다. 카메라를 만들 때, 이미지센서를 이용해 카메라 모듈을 만들고 거기에 렌즈를 연결하는데, 카메라 외부에 있는 렌즈가 상을 맺히도록 하는 영역의 지름을 Optical format이라고 부르기 때문이죠.

Optical Format이 이미지센서 대각선보다 길어야 하는 이유

왼쪽에서 세 번째에 있는 6.4mmx4.8mm 이미지센서는 대각선 길이가 8mm에 해당함에도, 1/2인치 센서로 불립니다. 실제로 1/2인치는 12.7mm(25.4mm/2)로, 8mm보다 더 큰 숫자인데요. 왜 Optical format은 이미지센서 대각선 길이보다 긴 것일까요?

그 이유는 바로 Vignetting(비네팅) 현상 방지에 있습니다. 렌즈가 이미지센서를 완전히 덮지 않으면, 촬영한 이미지 상에 어두운 모서리가 생기고 주변부가 감광되는 현상이 발생하는 것이죠. 이 현상을 영어로 Vignetting(비네팅)이라고 말합니다. Optical format의 최소 길이를 도출하기 위해서 쓰이는 수식이 있지만, 이 값은 통상 이미지센서 대각선의 길이의 약 1.5배에 해당합니다.

실제로 앞서 봤던 이미지에서 6.4mmx4.8mm 센서가 1/2인치(12.7mm)라고 불리는데, 이는 해당 센서에 맞는 Optical format의 값이 이미지센서 대각선의 약 1.5배인 12mm와 유사한 수치이기 때문입니다.

지금까지 이미지센서와 관련한 숫자들의 의미를 살펴보았는데요. 해당 숫자들의 내용을 기억하여, 이미지센서 관련 뉴스 내용을 더 깊이 파악할 수 있기를 바랍니다. 앞으로 이미지센서 시장에서 선두를 지킬 삼성전자에 많은 관심과 기대 부탁드립니다.

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모바일AP가 없는 스마트폰은 상상할 수 없다?!

모바일AP(application processor)는 ‘스마트폰의 두뇌’라고 볼 수 있습니다. 각 신체기관에 연결돼 생각하고 명령을 내리는 인간의 뇌처럼 스마트폰의 각 기능이 모바일AP에 연결되어 있기 때문이죠.

흔히 데스크톱의 중앙처리장치(CPU)와 모바일AP를 동일한 것으로 생각하기 쉬운데요. 모바일AP는 CPU는 물론, 그래픽, 카메라, 통신 등 보다 다양한 기능들이 하나의 칩에 담겼다는 점에서 차이가 있습니다.

모바일AP에 다양한 기능이 담겨야 하는 이유

그렇다면 손톱만한 크기의 작은 칩인 모바일AP 하나에 다양한 기능이 담겨있어야 할 이유가 뭘까요? 바로 소비 전력 때문입니다.

컴퓨터를 사용하는 동안 전원이 계속 공급되던 데스크톱 시대에는 전력 소모를 줄여야 할 필요성이 없었지만, 스마트폰으로 인터넷을 하고 각종 소프트웨어를 돌리는 시대가 되면서 성능과 함께 전원 공급 없이도 오랜 시간 컴퓨팅을 할 수 있는 ‘저전력’이 중요해진 것이죠.

다시 말해, 다양한 기능들을 하나의 칩 위에 통합함으로써 전력 소모를 줄이고 제한된 스마트폰 보드에 공간을 확보해 작은 기기에서도 고성능을 구현할 수 있도록 하는 것입니다. 실제로 삼성전자 ‘엑시노스 2100’ 역시 복잡한 멀티태스킹 환경에 적합한 솔루션을 제공하기 위해 5G 모뎀 칩을 모바일AP에 통합하기도 했습니다.

이처럼 모바일AP에 많은 기능이 담길수록 제품의 경쟁력 역시 강화됩니다. 여러 기능을 통합하기 위해 더 선진화된 공정 기술을 기반으로 한 칩들이 모아지고 성능도 더 올라가기 때문이죠.

‘엑시노스 2100’으로 모바일AP 들여다보기

모바일AP의 설계 구조는 제조사마다 조금씩 다르지만, 스마트폰의 핵심 기능은 공통적으로 들어 있습니다. ‘엑시노스 2100’를 기준으로 모바일AP의 주요 기능들을 살펴볼까요?

먼저, 모바일AP에도 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)와 동일한 역할을 수행하는 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)가 있습니다. 운영체제를 실행하고 각종 어플리케이션을 실행할 뿐만 아니라 중앙에서 모든 데이터를 처리하는 등 스마트폰의 주요 기능을 담당하죠.

5G 모뎀은 5G 네트워크와 LTE 등 다양한 통신 환경을 폭넓게 지원합니다. 프로세서 안에 모뎀 기능을 함께 넣음으로써, 따로 모뎀 칩을 사용할 때와 비교해 칩 면적을 줄이고 전력 효율을 높인 것이 특징입니다.

다음으로 그래픽처리장치(GPU, Graphics Processing Unit), 이미지 처리 장치(ISP, Image Signal Processor), 디스플레이(Display)와 멀티미디어(Multimedia) 블록들은 이미지, 영상과 관련된 역할을 수행하는데요.

‘GPU’는 3D 게임, 그래픽 사용자 인터페이스(UI, User Interface) 등의 그래픽 데이터를 처리하고, ‘Camera’ 영역은 스마트폰 카메라 이미지센서에서 온 빛의 정보를 사진이나 동영상으로 만들어주는 역할을 합니다. ‘Video’ 블록은 영상을 인코딩 또는 디코딩하여 녹화, 압축 또는 재생하는 역할을 하며, ‘Audio’ 블록은 입력, 출력되는 오디오 신호를 처리합니다. 마지막으로 ‘Display’ 블록은 모바일 기기의 화면 또는 TV, 모니터 등 외부 화면에 이미지와 영상 신호를 송출합니다.

한편, 모바일AP에는 인공지능 및 딥러닝에 최적화되어 있는 신경망처리장치(NPU)와 디지털신호처리장치(DSP, Digital Signal Processor)도 내재돼 있습니다. 이들은 빠르고 효율적인 온디바이스(On-device) AI를 위해 활용하는데요. 얼굴, 사물 인식이나 목소리 인식 등이 가능한 것도 NPU 와 DSP 덕분입니다.

이 외에도 개인 정보, 보안과 관련된 데이터를 처리하는 시큐리티(Security) 블록과 저장장치, 센서, 디스플레이, 커넥티비티(와이파이) 등의 기능과 프로세서의 연결을 돕는 인터페이스(Interface) 블록 등이 모바일AP 안에 들어가 있습니다.

이 다양한 기능들이 어떤 일을 수행하는지, 카메라 앱을 사용할 때를 예로 들어보겠습니다. 화면에서 카메라 앱을 터치하면 CPU가 앱을 구동 시킵니다. 이미지센서를 통해 들어온 정보는 NPU가 해석하여 어떤 사물인지 판단하며, 이를 토대로 ISP(Camera)는 사물 또는 환경에 맞는 최적의 셋팅으로 고품질의 이미지를 구현합니다. AR 기능을 활용한다면 NPU가 사물 또는 공간을 인식하고, GPU가 실제 같은 3D 요소를 화면 안에 추가하기도 하죠. 사진을 찍는 동안에 사용하는 프리뷰 기능은 디스플레이 블록과 관련이 있는데요. 모바일AP의 디스플레이 블록에서 데이터를 계속 패널로 보내줍니다. 비디오를 찍는다면 멀티미디어 블록에 있는 코덱을 통해 스마트폰 안의 스토리지에 저장하게 됩니다. 그리고 사진이나 비디오를 SNS에 올리거나 라이브 방송을 한다면 모뎀이 데이터를 송출하게 되는 것이죠.

지금까지 만능 칩 ‘모바일AP’에 대해 살펴봤습니다. 삼성전자는 플래그십 모바일AP ‘엑시노스 2100’을 통해 우리에게 최고의 모바일 경험을 선사할 예정인데요. 앞으로도 모바일AP 시장에서 혁신을 계속해 나갈 삼성전자에 많은 관심과 기대 부탁드립니다.

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SSD(Solid State Drive), 왜 필요할까?

SSD가 컴퓨터의 데이터 처리 속도를 향상시켜 준다는 사실은 이제 많은 분들이 알고 계실 텐데요. ‘느려진 컴퓨터의 속도를 향상시켜주는 치트키’ 역할을 하는 SSD의 비밀, 무엇일까요?

이는 하나의 ‘컴퓨팅 시스템’을 이루고 있는 SSD의 구성요소 ‘컨트롤러, 낸드플래시, D램’에서 답을 찾을 수 있습니다. PC의 컴퓨팅 시스템을 구성하는 ‘CPU(중앙처리장치), 데이터 저장 메모리, 기억 장치’의 역할을 이들이 각각 수행하고 있기 때문이죠.

SSD가 이렇게 하나의 독자적인 컴퓨팅 시스템으로 작동하기 때문에 SSD를 장착한 컴퓨터는 두뇌 역할을 하는 손을 하나 더 가지고 있는 셈인데요. 뇌와 손이 각각 일을 하면 속도가 더 빠른 것처럼 SSD를 사용하게 되면 컴퓨팅 시스템의 명령 없이도 즉각적으로 데이터를 처리할 수 있어 좀더 빠른 속도로 컴퓨터를 사용할 수 있게 됩니다.

SSD의 성능과 가격의 핵심, ‘낸드플래시’

그렇다면 SSD를 구매할 때는 어떤 것을 고려해야 할까요? #반모 2탄에서도 언급한 적이 있는데요. 바로 ‘낸드플래시’ 입니다. 낸드플래시는 데이터 저장 방식에 따라 SLC(Single Level Cell), MLC(Multi Level Cell), TLC(Triple Level cell), QLC(Quadruple Level Cell)로 분류되는데요. 여기서 데이터를 ‘사람’, 데이터가 저장되는 셀을 ‘원룸’으로 비유하면 이해가 쉽습니다.

원룸을 혼자 쓰면 여럿이 사용하는 것보다 좋은 것처럼, 하나의 셀 당 저장하고 있는 비트가 적을수록 그 안에 있는 데이터의 활동 범위가 넓어져 속도가 빨라집니다. 속도는 셀 내 데이터 개수와 반비례하는데요. 가격은 속도에 비례해 올라간다는 점 기억해주세요. 다시 말해, SLC로 갈수록 속도와 가격은 높아지고, QLC로 갈수록 속도와 가격은 낮아지는 것이죠.

SLC는 가격이 높기 때문에 소비자용으로는 사실 거의 찾아볼 수 없는데요. 고성능의 SSD를 원한다면 MLC을, 많은 용량의 데이터 저장과 가성비가 중요하다면 TLC 또는 QLC를 선택하시기 바랍니다.

꼭! 맞는 SSD 선택을 위해 내가 확인해야 하는 스펙은?

나에게 알맞은 SSD를 선택하기 위해서는 어떤 점들을 확인해야 할까요? 먼저, 사용 목적이 무엇인지 생각할 필요가 있습니다. SSD의 스펙은 크게 ‘연속 읽기/쓰기 속도’와 ‘임의 읽기/쓰기 속도’로 나뉘어지는데요. 윈도우 운영체제가 주 사용 목적이라면, 임의 읽기/쓰기 속도의 단위(IOPS)를 확인하는 것이 좋습니다. 윈도우와 안드로이드 같은 OS(Operating System)에는 다양한 곳에 파일이 잘게 쪼개져 있는데, 다양한 곳에서 파일을 불러올 때 ‘임의 읽기’속도가 영향을 주기 때문입니다.

반면, 영화 등의 대용량 파일을 저장할 목적이라면 연속 읽기/쓰기 속도 단위(MB/s)를 살펴보는 것을 추천 드립니다. ‘연속 읽기’는 하나의 큰 파일을 연속적으로 불러올 때 필요하기 때문이죠.

지금까지 나에게 알맞은 SSD를 고를 때 살펴봐야 할 요소들을 알아봤는데요. 함께 정리한 SSD 지식을 토대로 좋은 선택할 수 있기를 기대합니다. 다음 #반모도 많은 기대해 주세요!

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