매년 1월이 되면 최첨단 기술과 혁신 제품들이 한데 모인 세계 최대의 가전·IT 박람회, ‘CES(The International Consumer Electronics Show)’가 개최된다. CES 행사에 앞서 전미소비자기술협회(CTA)는 업계 내 혁신 기술력을 선보인 제품을 선정해 혁신상을 수여하는데, 오늘의 반도Chat 주인공 역시 CES 2024 혁신상을 수상했다는 사실! 바로 초연결 사회를 이끌어 갈 새로운 반도체로 이름을 알린 ‘엑시노스 커넥트 U100’이다.

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MAP 1. 상상만 했던 것이 현실로 이루어지는 순간

스마트폰 하나로 에어컨, 스마트 TV 등 각종 전자 기기를 간편하게 작동시킬 수 있는 시대다. 이러한 일상이 익숙해지면, 우리는 더욱더 편리하고 스마트한 일상을 꿈꾸기 마련이다. 걸음에 따라 조명이 자동으로 켜지며, 기계를 활용해 집 안에서 잃어버린 물건도 단번에 찾을 수 있는 그런 일상. 우리의 이러한 상상은 ‘엑시노스 커넥트 U100’이라는 새로운 반도체 칩을 활용한다면 현실로 구현될 수 있다. 

엑시노스 커넥트 U100을 탑재한 스마트 기기가 있다면 사물은 물론이고, 실내에서 움직이는 사람이나 반려동물의 위치와 방향까지 센티미터(cm) 단위로 정확하게 측정해 파악할 수 있다. 이는 엑시노스 커넥트 U100이 정밀 위치 측정을 가능하게 하는 반도체 칩이기 때문이다. 그렇다면 이러한 엑시노스 커넥트 U100만의 특성은 어떻게 탄생하게 되었을까?

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MAP 2. 초연결 사회를 이끌어갈 통신 기술

기존 위치 추적 시스템에 많이 활용되는 GPS 통신 방식은 장애물로 인해 실내에서는 정확도가 떨어진다. 그렇다면 엑시노스 커넥트 U100은 어떻게 정확한 실내 거리 측정이 가능한 것일까? 심지어 센티미터 단위로 말이다. 해답은 바로 ‘UWB(초광대역, Ultra Wideband)’에 있다.

엑시노스 커넥트 U100은 ‘UWB(초광대역, Ultra Wideband)’라는 단거리 무선통신 프로토콜을 활용한다. UWB는 일반적으로 3.1GHz에서 10.6GHz까지의 주파수 대역폭을 이용하는 초광대역 통신으로, 매우 짧은 시간 동안 매우 넓은 주파수 스펙트럼을 사용하여 데이터를 전송한다. 넓은 대역폭을 쓰는 만큼, 다른 통신 시스템과 간섭 없이 데이터 전송이 가능한 점이 특징!

더불어 UWB는 매우 좁은 펄스(Pulse, 전압 또는 전류의 단기적인 변동)를 활용한다. 펄스폭이 좁아질수록 해상도가 높아지며, 이는 곧 높은 정확도로 이어진다. UWB는 이를 활용해 기기 간 거리와 위치를 정확하게 측정하는 것이다. 정교한 위치 측정이 가능한 만큼, 실내 위치 추적 시스템이나 무선 센서 네트워크, 가상현실(AR)·증강현실(VR) 기기 등에 적합하다.

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MAP 3. UWB의 핵심 기술

조금 더 면밀히 살펴보자. UWB 기반의 엑시노스 커넥트 U100은 수 센티미터 이내, 5도 이하의 정밀 측위가 가능하다. 이러한 정확도는 두 가지 핵심 기술에 기반한다. 첫 번째로, 거리를 측정하는 기술인 ‘ToA(무선 전파 도달 시간, Time of Arrival)’다. ToA는 기기 간 전파 도달 시간을 계산하여 센티미터 단위로 거리를 측정하는 기술로, 지연을 최소화하고 실시간으로 정확한 위치 측정을 가능케 한다.

두 번째로 사용된 기술은 ‘AoA(3D 도래각, Angle of Arrival)’다. AoA는 수신된 신호가 어떤 각도로 도착하는지를 측정하여 송신기나 수신기의 위치를 판단하는 기술이다. 더 자세히 설명하면, AoA는 신호가 수신기에 도착하는 각도를 수평 및 수직 차원에서 정밀하게 측정하여, 이를 통해 송신기나 수신기의 공간적인 위치를 추정한다. 즉, 3차원 신호 도래 각을 정확히 측정하여 실내외 모든 환경에서 5도 미만의 오차 범위로 기기의 위치를 정확하게 파악하는 것이다.

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MAP 4. 엑시노스 커넥트 U100의 능력은 어디까지?

엑시노스 커넥트 U100은 UWB를 비롯해 무선 통신 및 라디오 주파수 회로에서 사용되는 전자 신호를 다루는 기술인 ‘RF(Radio Frequency)’, 전력이 차단되어도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 메모리 기술인 ‘eFlash(Embedded Flash)’, 모바일 디바이스와 다른 전자 기기에서 전원 공급 및 소비를 효율적으로 관리하는 IC(집적회로)인 ‘PMIC’ 등의 다양한 기술이 내장되어 있다. 다시 말해, 여러 기술을 효율적으로 통합하여 하나의 칩에 적용한 원-칩 솔루션이라 할 수 있다.

이러한 특성 덕분에 소형 기기에 쉽게 적용 가능하며, 상대적으로 통합 디자인 과정이 간단해 다양한 기기에서 효율적인 비용으로 솔루션을 구현할 수 있다. 또한, 엑시노스 커넥트 U100은 초저전력 아키텍처로 설계되어 배터리 작동을 최적화한다. 이로써 저용량 배터리로 장시간 작동이 필요한 모바일, 자동차 그리고 반려동물이나 열쇠 등 통신 기능이 없는 것에 부착해 위치를 파악하는 ‘태그(Tag)’ 등의 IoT 기기에도 적합하다.

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MAP 5. 엑시노스 커넥트 U100이 선물할 새로운 일상

삼성전자는 초연결 사회에 대비해 무선 통신용 반도체 사업 경쟁력을 강화하고자, 엑시노스 커넥트 U100과 함께 기존의 와이파이, 블루투스, UWB를 포괄하는 브랜드 ‘엑시노스 커넥트’를 새로 선보였다. 그렇다면 이러한 엑시노스 커넥트 U100과 같은 무선 통신용 반도체기술이 우리 생활에 도입된다면 어떤 일상이 펼쳐질까?

엑시노스 커넥트 U100이 탑재된 스마트폰을 휴대한다면 이동 중에 주변의 스마트 기기를 자동으로 조작할 수 있다.  게다가 엑시노스 커넥트 U100을 탑재한 스마트 키까지 지니고 있다면, 차량에 가까이만 가도 차량 잠금을 해제할 수 있다.

또한, 엑시노스 커넥트 U100은 ‘CCC(Car Connectivity Consortium)’의 ‘디지털 키 릴리즈(Digital Key Release) 3’ 표준을 지원하여, 차량의 디지털 키값을 저장하고 사용자 인증을 가능하게 한다. 이로써 차량과 키가 서로 인식되는 거리에서는 차량에 탑승하지 않고도 미리 시동을 걸어두거나 경적 울리기 등도 가능해진다. 이뿐만 아니라, 통신 중 외부의 해킹을 막아주는 STS(Scrambled Timestamp Sequence) 기능과 보안 HW 암호화 엔진을 탑재한 만큼, 높은 안정성도 제공한다.

정확한 거리와 방향 측정으로 사람과 사물, 사물과 사물 사이의 초연결성을 제공하는 새로운 반도체 칩 ‘엑시노스 커넥트 U100’에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 반썰어 ‘엑시노스 커넥트 U100’ 편을 참고하길 바란다.

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최첨단 IT 기술로 우리의 삶을 보다 편리하게 바꿔주고 많은 운전자들의 필수품이 된 내비게이션은 항해 또는 항법이라는 의미를 갖고 있습니다. 선박이나 비행기에서 사용되었던 개념이 자동차로 확장된 것이죠. 이번 시간에는 오늘날 빠른 속도로 진화하며 대중적으로 가장 많이 사용되고 있는 자동차 내비게이션(Automotive navigation system)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

내비게이션의 변천사 – 아날로그 방식에서 전자식으로 발전

자동차 내비게이션의 시초는 1920년대 영국에서 발명된 ‘루트파인더(Route Finder)’입니다. 루트파인더는 손목시계와 같은 모양의 본체와 주행거리, 목적지가 표시되어 있는 지도 다발로 구성되어 있는데요. 목적지에 맞는 지도를 본체에 끼운 다음 손목에 착용하고, 이동할 때마다 사용자가 지도에 달린 나무 손잡이를 직접 돌려가며 경로를 탐색하는 방식입니다. 사실 루트파인더는 당시에 많이 사용되지 않았습니다. 목적지에 따라 지도를 교체해줘야 하는 불편함이 있었고 자동차 대중화가 진행되지 않은 20세기 초에 발명됐기 때문입니다.

세계 최초의 차량용 내비게이션은 1981년 일본의 한 자동차 제조사가 개발한 ‘일렉트로 자이로케이터(Electro Gyrocator)’입니다. 아날로그 방식의 일렉트로 자이로케이터는 자이로스코프(3개의 축을 통해 회전체가 어떤 방향이든 자유롭게 가리킬 수 있는 장치)와 필름형 지도를 사용했는데요. 좁은 화면에서 구현되는 지도의 한계와 정확도의 문제로 인해 실제 위치와 오차를 보이는 한계가 있었습니다.

이어 1985년에는 최초의 전자식 내비게이션이 탄생했습니다. 미국 자동차용품업체에서 개발한 ‘이택 내비게이터(Etak Navigator)’인데요. 전자 나침반과 바퀴에 설치된 센서를 통해 도착 지점을 추정하는 추측항법이 쓰였는데 다소 비싼 가격과 낮은 정확도로 널리 보급되지는 못했습니다.

시행착오를 겪던 내비게이션이 본격적으로 대중화된 것은 미국이 GPS (위성위치확인시스템, Global Positioning System) 위성을 전면 개방한 2000년부터입니다. 이때부터 전세계적으로 수많은 GPS 내비게이션이 쏟아져 나왔는데요. 우리나라는 1997년 10월 국산차 최초로 순정 옵션의 터치스크린 방식 내비게이션 ‘현대 오토넷 내비게이션’이 등장했죠. 하지만 2D 지도를 이용한 자동차 매립형의 현대 오토넷 내비게이션 역시 높은 비용으로 대중화에 어려움을 겪다가 2004년 가격을 낮춘 내비게이션 전용 단말기가 잇따라 출시되면서 본격적인 내비게이션 르네상스 시대가 시작되었습니다.

여기서 잠깐! 내비게이션의 위치 서비스, GPS란?

내비게이션의 핵심기술은 GPS라고 할 수 있는데요. GPS란 GPS 위성의 신호를 받을 수 있는 곳이라면 어디서나 위치를 측정할 수 있는 항법시스템입니다. 미국은 1970년대 군사목적으로 24개의 GPS 위성을 쏘아 올렸고, 2000년부터 민간용 코드를 개방하면서 내비게이션 위치 서비스로 활용할 수 있게 됐죠.

먼저 GPS는 우주 부문, 지상관제 부문, 사용자 부문으로 구성됩니다. 우주 부문은 GPS 위성을, 지상관제 부문은 지상에 위치한 제어국을, 사용자 부문은 GPS 수신기를 말합니다. 제어국은 미국에 있는 주 제어국과, 세계 곳곳에 분포된 5개의 부 제어국으로 나뉩니다.

그렇다면 GPS는 어떻게 내가 타고 있는 자동차 위치를 파악할까요? GPS는 지구 주위를 도는 24개 위성으로부터 위치 정보를 얻어내는데요. 기본적으로 한 지점의 정확한 위치를 파악하기 위해서는 3개의 위성이 필요합니다. 삼각측량법을 이용한 것이죠. 그리고 여기에 시간 오차를 확인하기 위한 위성 1기가 더 이용됩니다. 이론상으로는 지구 표면 자체가 1개의 기준점 역할을 하기 때문에 3개의 GPS 위성이면 위치를 결정할 수 있지만, 위성 시계와 수신기의 시계가 일치하지 않아 오류가 발생하기 때문에 3개의 거리 계산 위성과 1개의 시간 오차 보정 위성까지 최소 4개 이상의 위성이 있어야 정확한 위치를 파악할 수 있는 것이죠.

내비게이션의 진화는 끝이 없다! 차세대 AR 내비게이션

과거 아날로그 방식의 필름 지도를 사용하던 내비게이션은 현재 3D지도, 위성지도, 실시간 도로 상황 연동, 텔레매틱스 시스템, 음성 인식 기능 등 최첨단의 기술을 탑재하고 있습니다. 여기에 증강현실 기술을 통한 진화가 또 한 번 진행 중인데요.

증강현실 기능이 탑재된 내비게이션은 기존의 헤드업 디스플레이(HUD)가 가진 한계를 뛰어 넘어 원활한 정보 전달을 가능하게 할 것으로 기대됩니다. 증강현실 내비게이션은 운전자 전면 유리창에 내비게이션 시스템이 연동되어 유리창 자체에 방향 지시 등의 길 안내가 표시됩니다. 즉, 현재 주행하는 환경에 가상의 홀로그램 이미지를 더해 각종 주행 정보를 운전자에게 전달하고 운전자는 내비게이션을 확인하기 위해 시선을 돌릴 필요가 없게 되는 것이죠. 또한 HUD와 기존 내비게이션 디스플레이보다 선명하고 넓은 화면을 통해 보다 다양한 정보를 접할 수 있다는 이점도 있습니다.

2D, 3D를 넘어 증강현실 기능까지 접목돼 길라잡이 그 이상의 역할을 수행하고 있는 내비게이션! 앞으로 내비게이션의 진화가 우리에게 어떤 새로운 세계를 열어줄지 기다려집니다.

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