[상식 한 입+] 많고 많은 반도체 칩, 다 어디에 쓰이는 걸까?

[상식 한 입+] 많고 많은 반도체 칩, 다 어디에 쓰이는 걸까?

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"삼성전자가 갤럭시 S22에 퀄컴의 AP '스냅드래곤8 1세대'를 대신 탑재했다"라는 기사 보신 적 있으신가요? 여기서 AP란 스마트폰과 태블릿PC에 주로 사용되는 반도체인데요. 이렇듯 뉴스를 보다 보면 정말 다양한 종류의 반도체를 볼 수 있습니다. 메모리 반도체부터 CPU, 이미지센서, 모바일 AP 등... 우리가 사용하는 전자기기 종류가 다양한 만큼 반도체의 종류도 정말 많죠.

오늘 <상식 한 입+>에서는 주요 반도체들을 한눈에 보실 수 있도록 종류별로 정리해드리려고 합니다. 각 반도체가 어떤 기능을 하고, 어떤 기업들이 주로 생산하는지, 알아둬야 할 기본적인 특징은 무엇인지 쉽게 소개해 드릴 텐데요. <상식 한 입+>를 읽고 나면, 이제 더 이상 반도체 뉴스가 어렵게 느껴지지 않으실 겁니다.

① 월: [DEEP BYTE] 삼성전자, 반도체 사업이 위기라고?
② 화: [마켓 인사이드] 글로벌 팹리스(반도체 설계) 시장의 구조
③ 수: [상식 한 입+] 많고 많은 반도체 칩, 다 어디에 쓰이는 걸까?
④ 목: [기업 한 입] '위기'라는 삼성전자 완전분석


많고 많은 반도체 종류

반도체는 크게 메모리 반도체와 시스템(비메모리) 반도체로 나뉩니다. 비교적 공정이 단순하고 생산이 쉬운 메모리 반도체에는 대표적으로 D램과 낸드플래시 등이 있는데요. 메모리 반도체 시장은 주로 우리나라 기업인 삼성전자와 SK하이닉스가 주도하고 있습니다.

반면 시스템 반도체는 다양한 기능을 하는 만큼 설계도 어렵고 생산도 어려운데요. 그래서 아래 보이는 각 분야마다 시장을 주도하는 기업도 각양각색입니다. 또한 최첨단 시스템 반도체를 생산할 수 있는 기술을 가진 기업은 TSMC, 삼성전자, 인텔 정도가 있는데, 이들을 파운드리(반도체 생산 전문 기업)라고 부릅니다.

[상식한입+] 반도체를 만드는 회사, 파운드리
반도체를 생산하는 회사, 파운드리에 대해 설명했습니다. 국내외 반도체 이슈에 결정적인 영향을 주는 파운드리, 모르고 넘어갈 수 없겠죠?
반도체의 종류

메모리 반도체의 종류

메모리 반도체는 이름 그대로 정보를 저장하는 기능을 담당하는 반도체입니다. 메모리 반도체는 우리나라 기업인 삼성전자와 SK하이닉스가 주력으로 삼고 있는 분야이기도 한데요. 메모리 반도체는 전체 반도체 시장의 약 28.5%를 차지합니다.

단기기억을 담당하는 RAM

RAM(Random-Access Memory)은 저장한 정보를 마음대로 읽어오거나, 변경할 수 있는 기억장치입니다. 대신 RAM은 기기의 전원을 끄면, 저장되어있던 모든 정보를 날려버립니다. RAM은 전자기기의 중요한 기억장치 중 하나이죠.

⓵ SRAM(Static RAM)

SRAM은 정적 램이라 불립니다. SRAM은 기기의 전원을 켜두고 가만히 놔두기만 하면, 한 번 저장한 정보를 없애거나 변경시키지 않는 안정적인 RAM입니다. 특별한 일이 없는 이상 정보를 변형시키지 않기 때문에 SRAM은 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 다만 많은 용량을 저장하지는 못한다는 단점도 있죠.

SRAM을 생산하는 주요 기업으로는 사이프러스 세미컨덕터, 르네사스, 삼성전자가 있습니다.

⓶ DRAM(Dynamic RAM)

DRAM은 동적 램이라 불립니다. DRAM은 전원을 키고 가만히 놔두더라도, 시간이 지나면서 저장되어 있던 데이터가 조금씩 소멸됩니다. 그래서 DRAM에 저장된 정보를 오랜 시간 유지하려면 일정 시간마다 저장했던 정보를 리프레시하는 과정이 필요하죠. DRAM은 SRAM에 비해 조금 느리지만, 대신 더 많은 용량의 정보를 저장할 수 있어 훨씬 더 많은 전자기기에 사용됩니다. 전체 메모리 반도체 시장에서도 D램이 압도적으로 높은 비중을 차지하고 있죠.

DRAM의 주요 기업에는 삼성전자(42%), SK하이닉스(27%), 마이크론 등이 있습니다. 특히 DRAM 분야는 우리나라의 삼성전자와 SK하이닉스가 글로벌 시장을 거의 독식하고 있습니다. 삼성전자는 반도체 매출의 50%를, SK하이닉스는 70%를 D램 판매에 의존하고 있죠.

DRAM에도 종류가 많은데요. 최근에는 DDR5라는 차세대 DRAM이 많은 주목을 받고 있습니다. DDR5는 2020년 SK하이닉스가 처음으로 생산에 성공했는데요. 이전 버전인 DDR4보다 저장할 수 있는 용량이 크면서도 전력 소비량은 적은 DRAM입니다. 현재 삼성전자와 마이크론도 DDR5를 생산하고 있으며, 인텔과 AMD 등 CPU 개발사는 DDR5를 탑재할 수 있는 형태의 CPU 개발을 진행 중입니다.

D램 세대교체 시작…삼성·SK ‘반도체의 겨울’ 끝날까
삼성전자의 14나노 DDR5 D램.(사진=삼성전자)[이데일리 최영지 기자] 인텔과 AMD를 시작으로 서버용 중앙처리장치(CPU)개발사들이 차세대 D램인 DDR5를 지원하는 신규 제품 개발에 한창인 것으로 전해졌다. 메모리반도체의 세대교체가 속도를 내고 있는 것이다. 수...

장기기억을 담당하는 ROM

ROM(Read-Only Memory)은 기록된 정보를 읽을 수만 있고 수정이나 변경은 불가능한 메모리입니다. ROM은 전자기기의 전원을 끄더라도 저장된 정보를 그대로 가지고 있죠. 요즘에는 ROM처럼 전원을 끄더라도 정보를 계속 가지고 있으면서도, RAM처럼 정보를 자유롭게 수정할 수 있는 기능을 추가한 플래시 메모리가 많이 사용되고 있습니다.

⓵ 낸드플래시(NAND Flash)

낸드플래시는 플래시 메모리의 한 종류로, USB나 SSD에 쓰입니다. SSD란 컴퓨터의 하드드라이브 기능을 하는 저장장치인데요. 예전에는 하드드라이브에 하드디스크(HDD)를 많이 사용했는데, 요즘에는 대부분 SSD를 많이 사용합니다. SSD에는 여러 개의 낸드플래시가 탑재되어 있어, 덕분에 많은 양의 정보를 저장하면서도 저장된 데이터를 읽어오는 속도가 하드디스크에 비해 빨라 오늘날 하드드라이브에는 대부분 SSD가 쓰입니다.

낸드플래시는 DRAM보다 더욱 많은 용량의 정보를, 오래 저장할 수 있다는 특징이 있습니다. 대신 DRAM보다는 속도가 조금 느리죠. 낸드플래시의 주요 생산 기업으로는 삼성전자, SK하이닉스, 키옥시아, 웨스턴 디지털 등이 있습니다.

SK하이닉스, 인텔 낸드 인수 ‘첫 결과물’ 기업용 SSD 공개
128단 낸드와 솔리다임 컨트롤러 결합한 SSD P5530 출시SK하이닉스가 인텔 낸드 사업부를 인수한 이후 3개월 만에 3개월 만에 양사 기술력을 결합한 신제품 기업용 SSD를 시장에 ..

시스템 반도체의 종류

시스템 반도체는 논리, 연산, 시스템 제어 등 전자기기를 운영하는 기능을 맡고 있는 반도체입니다. 편의상 메모리 반도체를 제외한 나머지 반도체들을 시스템 반도체 또는 비메모리 반도체로 부르고 있죠. 시스템 반도체는 전체 반도체 시장의 약 70%를 차지합니다.

컴퓨터의 두뇌 역할, CPU
ⓒ Unsplash

CPU(Central Processing Unit)는 사용자의 명령이나 데이터를 읽고, 연산 과정을 거쳐 결과를 도출하는 기능을 합니다. 검색이나 문서 작성 등 온갖 종류의 명령을 이해하고 결과를 출력해주는, 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 칩이죠. 컴퓨터, 노트북, 스마트워치 등 사용자의 명령을 받고 결과를 출력하는 모든 기기에는 CPU가 탑재됩니다.

MPU(Micro Processor Unit)이라는 단어도 있는데요. 주로 전자기기나 산업용 장비에 쓰이는 CPU를 MPU라고 부릅니다. 컴퓨터에 쓰이는 칩을 CPU, 기타 전자기기에 쓰이는 칩을 MPU라고 이해하면 되겠습니다.

한편 MCU(Micro Controller Unit)이라는 칩셋*도 있습니다. MPU나 CPU는 RAM이나 ROM 등 다른 반도체와 함께 동작해야 제 기능을 수행합니다. 반면 MCU는 CPU 기능을 하는 칩은 물론 주변 반도체까지 하나의 칩 안에 통합해 놓은, 말하자면 초소형 컴퓨터입니다. 따라서 MCU는 혼자서도 주변 장치를 제어하는 등 자체적인 기능을 수행할 수 있죠.
*칩셋: 작은 반도체칩들이 모여 하나의 기능을 하는 부품을 말합니다.

CPU를 생산하는 주요 기업은 1971년 CPU를 최초로 개발한 인텔(대표 모델 : i7, i9 등)AMD(라이젠 시리즈)가 있습니다.

복잡한 화면을 구현하는 GPU
ⓒ Unsplash

GPU(Graphics Processing Unit)는 복잡한 화면을 효과적으로 구현하기 위해 만들어졌습니다. 고화질의 화면을 구현하려면 디스플레이의 각 픽셀을 하나하나 통제해야하는데요. 고해상도의 동영상을 재생하려면 1초에 12억번 정도의 연산이 필요합니다. 이렇게 한번에 많은 연산을 병렬적으로 수행하기 위한 장치가 바로 GPU입니다.

GPU는 유사한 연산을 병렬적으로, 한번에 처리한다는 특징이 있습니다. 따라서 화면 구현 뿐만 아니라 CPU의 연산을 분담해 속도를 더욱 빠르게 하거나, 빅데이터 분석과 인공지능은 물론 가상화폐 채굴에 사용되기도 합니다. 실제로 인공지능이 발전하고 가상화폐 채굴이 늘어나며 GPU 품귀 현상이 일어나기도 했죠.

새 시대의 GPU, 그리고 인공지능
[테크월드=이건한 기자] 흔히 컴퓨터 그래픽 가속을 담당하는 칩으로 잘 알려져 있는 ‘GPU(Graphics Processing Unit)가 PC 역사에 처음 등장한 건 1980년대다. 초기 모듈 형태의 GPU는 별달리 화려한 그래픽 요소가 없던 당시 PC 환경에서 CPU에 비하면 별로 주목받는 장치가 아니었는데, 정식 명칭조차 없어 ‘그래픽 가속기‘나 ‘비디오 디스플레이 프로세서(VDP)’ 같은 다양한 이름으로 불리곤 했다. 지금의 GPU란 명칭이 일반화된 시기는 등장 후 한참이 지난 1999년 엔비디아가 자사의 첫 지포스(Gef

GPU를 생산하는 주요 기업에는 엔비디아가 있습니다. GPU라는 단어를 처음 사용한 기업도 엔비디아이며, 많은 사람들이 GPU라고 하면 엔비디아의 지포스(GeForce) 시리즈를 떠올리죠. 엔비디아 외에 AMD와 인텔도 GPU를 생산하고 있습니다.

스마트폰의 두뇌, AP
ⓒ 삼성전자

AP(Application Processor)는 스마트폰의 CPU 역할을 하는 칩입니다. 그러나 AP에는 단순 CPU 기능뿐만 아니라, 그래픽, 카메라, 통신(전화) 등 여러 추가적인 기능을 하는 반도체까지 포함되어 있습니다. 즉, CPU와 함께 다양한 기능을 하는 여러 반도체를 하나의 칩에 다 몰아넣은 것이 AP이죠. 이렇게 여러 시스템을 하는 반도체를 모아 하나의 칩에 올려놓은 것을 SoC(System on Chip)이라 부르기도 합니다.

AP에는 여러 기능을 실행하기 위해 반도체들을 하나의 칩에 모았기 때문에, 여러 반도체를 따로따로 뒀을 때보다 소비하는 전력이 상당히 낮습니다. 그러나 그만큼 작은 칩 안에 여러 반도체를 넣어야 하기 때문에 생산 공정이 까다롭고 비싸죠. 따라서 AP는 스마트폰이나 태블릿PC 등 크기가 작은 모바일 기기에 주로 사용됩니다. 비싸고, 속도도 비교적 느린 AP를 굳이 PC에사용할 필요가 없겠죠.

AP를 만드는 기업은 정말 많습니다. 퀄컴(대표 모델 : 스냅드래곤)미디어텍이 대표적인 AP 제조회사인데요. 스마트폰을 만드는 애플(애플 실리콘)삼성전자(엑시노스) 역시 자체적으로 AP를 만들고 있습니다. 하지만 삼성전자를 제외하면 AP를 직접 '생산'하는 기업은 없는데요. 생산 공정이 까다로워 대부분 삼성전자나 대만의 TSMC 파운드리에 위탁해 생산합니다. 퀄컴이나 애플, 미디어텍은 설계와 판매만을 맡고, 생산은 파운드리 기업에 맡기는 것이죠.

전자기기의 심장, PMIC

PMIC(Power Management IC)는 전자기기에 전력을 공급하는 역할을 하는 반도체입니다. PMIC는 전자기기에 전원을 공급하고, 전류의 방향을 설정하며, 기기를 충전시키는 등의 기능을 수행하는데요. 모든 전자기기에는 전력이 반드시 필요하기 때문에 PMIC는 모든 전자기기에 최소 1개는 탑재됩니다.

PMIC 시장은 2024년 약 8조원 규모가 될 것으로 추정되는데요. PMIC를 생산하는 주요 기업에는 퀄컴, 미디어텍, 다이알로그 세미컨덕터 등이 있습니다. 삼성전자 역시 2030년에 시스템 반도체(비메모리 반도체) 1위 기업이 되겠다는 비전을 달성하기 위해 PMIC 사업을 적극적으로 육성하고 있습니다.

삼성 시스템반도체 2030 전략, 핵심 부품은 ‘전력관리반도체’
전자기기의 심장으로 불리는 전력관리반도체(PMIC)가 삼성전자의 ‘시스템반도체 2030’ 전략을 이끌 핵심 부품으로 주목 받고 있다. PMIC 시장은 2024년까지 연평균 6.6%의 고성장으로 69억달러(7조8000억원)까지 확대가 기대되는 시장으로 시스템 반도체에선 빼놓을 수 없는 주요 분야다. 지난 18일 삼성전자는 차세대 D램 모듈의 성능을 높이고 전력 사용을 줄이는 PMIC 신제품 3종을 공개했다. 차세대 D

디스플레이 전용 반도체, DDI

DDI(Display Driver IC)는 디스플레이를 구동할 때 반드시 필요한 핵심 반도체입니다. DDI는 CPU에서 오는 디지털 신호를 아날로그 신호(RGB)로 바꾸어 디스플레이 패널에 전달해주는 역할을 하는데요. 디지털 신호를 색으로 표현하는 역할을 하는 것입니다. 보통 스마트폰에는 1개의 DDI가 들어가며, 노트북이나 TV 등 화면이 비교적 큰 전자기기에는 여러개의 DDI가 탑재됩니다.

DDI 시장은 한국과 대만의 반도체 기업이 이끌고 있습니다. 스마트폰 OLED용 DDI는 삼성전자가 50%가 넘는 점유율을 차지하고 있으며, 매그나칩, 실리콘웍스가 뒤를 잇고 있습니다. TV 등 대형 디스플레이 DDI 시장에서는 대만의 노바텍, 하이맥스가 두각을 드러내고 있죠. 그러나 최근들어 중국의 DDI 업체가 점점 점유율을 높이고 있는 상황입니다.

카메라에 사용되는 반도체, 이미지센서
ⓒ SK하이닉스 뉴스룸

이미지센서는 외부에서 오는 빛에너지를 읽어 전기 신호로 변환해주는 반도체입니다. 카메라로 따지면 필름 역할을 하는 반도체인데요. 이미지센서 덕분에 우리는 스마트폰 카메라로 들어오는 빛을 전기 신호로 바꿔, 휴대폰 액정에서 사진이 어떻게 나오는지 볼 수 있죠.

이미지센서의 70% 이상은 스마트폰에 사용됩니다. 8.6% 정도는 자동차에 활용되는데요. 최근에는 자율주행으로 차량용 이미지센서의 수요가 크게 늘어나면서, 이미지센서 생산에 뛰어드는 반도체 기업도 늘어나고 있습니다. 이미지센서 시장에서는 일본의 소니가 40%가 넘는 독보적인 점유율을 자랑하고 있습니다. 2위는 25% 점유율을 가진 삼성전자이며, 옴니비전SK하이닉스가 그 뒤를 잇고 있습니다.

올해 이미지센서 시장 26조원 전망…소니・삼성・옴니비전이 77%
올해 이미지센서 시장 26조원 전망소니・삼성・옴니비전이 77%

요즘 뜨는 인공지능 반도체

NPU(Neural Processing Unit)라고도 불리는 인공지능 반도체는 딥러닝에 최적화된 반도체입니다. 인공지능 반도체는 사람 뇌의 뉴런 구조를 본따 설계되었는데요. 인공지능을 구현하기 위해서는 엄청나게 방대한 데이터를 빠르게 연산해야 합니다. 따라서 예전에는 병렬 연산에 강점을 가진 GPU가 인공지능 연산에 많이 사용되었죠. 하지만 GPU보다 더욱 인공지능 구현에 유리한 설계를 가진 반도체가 인공지능 반도체입니다.

인공지능 반도체 분야에서는 엔비디아, 인텔, 퀄컴 등의 회사가 두각을 드러내고 있습니다. 이들이 개발하는 인공지능 반도체는 데이터센터에 사용되거나, 자율주행용 반도체로 사용되는데요. 엔비디아는 자율주행용 인공지능에 최적화된 "테슬라 V100 GPU"라는 반도체를 개발하기도 했습니다. 최근에는 구글과 아마존, 테슬라 등 빅테크 기업들이 자사 플랫폼과 가장 잘 맞는 AI반도체를 연구해 성과를 내고 있기도 합니다.

우리나라에서도 인공지능 반도체 분야에서 미국에 뒤쳐지지 않도록 많은 연구개발이 이어지고 있는데요. 특히 삼성전자는 메모리 반도체와 시스템 반도체를 합친 새로운 형태의 AI 반도체, PIM(Processing-in-Memory) 반도체를 공개했습니다. PIM 반도체는 메모리 반도체 내부에 연산 작업을 담당하는 프로세서 기능을 더한 반도체로, 인공지능 분야는 물론 사물 인터넷 등 다양한 4차 산업과 시너지를 낼 수 있는 차세대 반도체입니다. 정부는 PIM 반도체 개발에 2029년까지 1조원을 투입해 산업을 육성할 계획이죠.

AI 반도체 86兆 시장 전망… “韓 기업, 원천 기술 확보하라”
AI 반도체 86兆 시장 전망 韓 기업, 원천 기술 확보하라 美, AI 반도체 미래 산업 핵심동력으로 주목 엔비디아, 인텔, 구글, 퀄컴 등 두각 韓, AI 반도체도 메모리 관점으로 접근 경쟁력 확보 위해 원천기술 가져야

지금까지 세상에 존재하는 여러 반도체 중 대표적인 반도체 종류들을 알아보았습니다. 각 반도체마다 핵심적인 기능과 함께 어떤 기업들이 시장을 주도하고 있는지 알아둔다면, 반도체 시장이 돌아가는 것을 잘 이해하실 수 있을 것입니다.

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