5G 반도체와 네트워크 장비 업체 기술 동향

[테크월드=김경한 기자] GSA(세계이동통신공급자협회)에 따르면, 2020년 8월 현재 38개국 92개 이동통신사가 상용화 서비스를 실시하고 있다. 지난 7월말까지 126개국 392개 이통사가 5G에 투자하고 있으며, 115개 사업자는 3GPP를 준수하는 기술을 그들의 네트워크에 배치하기 시작했다. UN에 등록된 국가 수가 206개국이므로 실질적으로 약 18.45%의 국가만 5G 상용화에 성공한 것이다. 이처럼 많은 국가가 5G 상용화를 위해 박차를 가하는 이유와 5G 서비스에 있어 반드시 필요한 칩셋과 네트워크 장비의 기술동향을 살펴보고자 한다. 

LTE 시대 가고, 5G 시대 온다

전 세계 국가들이 5G 상용화에 나서는 이유는 모바일 보급률의 정체기 진입과 데이터 트래픽의 폭발적 증가, 디바이스의 연결 증가라는 난제가 발생했기 때문이다. 

먼저 전 세계 모바일 보급률은 104%로 포화상태다. 특히 서유럽은 126%, 북미는 108% 수준으로 포화상태가 심각하다. 한국무역보험공사는 중국과 인도 등 신흥국의 신규 가입건수가 높은 수준이나, 전 세계 모바일 가입건수는 향후 5년간 연평균 2%로 더딘 성장세를 보일 것으로 예상했다. 

이는 통계 자료와도 어느 정도 일치하는 모습을 보인다. ITU(국제전기통신연합)가 조사한 모바일 가입자수[그림 1]에 따르면, 1993년부터 2010년대 초반까지는 가파른 상승세를 유지했으나 모바일 보급률이 포화상태에 이르러 2010년대 중반부터 상승세가 주춤하는 것을 볼 수 있다. 

에릭슨은 한국무역보험공사가 예측한 것보다 LTE 가입자수 성장률을 더 비관적으로 분석했다. 에릭슨이 예측한 LTE 가입자수를 살펴보면, 2022년부터는 오히려 줄어드는 것을 확인할 수 있다[그림 2]. 주목할 점은 시간이 지날수록 한국, 일본, 중국이 속한 동북아시아의 가입자수는 줄어드는 반면, 동남아시아와 오세아니아, 중동과 아프리카, 인도와 네팔 등의 시장이 점차 커지는 것이다. 이는 [그림 3]에서 동북아시아의 5G 가입자수 급증은 LTE를 5G로 전환하는 모바일 가입자수가 늘어나기 때문으로 추측할 수 있다. 

5G가 주목받는 두 번째 이유로는 데이터 트래픽의 폭발적인 증가를 들 수 있다. 디바이스의 성능 향상과 데이터의 집약적 콘텐츠 증가 등으로 인해 모바일 트래픽 양이 엄청난 속도로 증가하고 있으며, 사물인터넷(IoT)의 등장으로 트래픽 양은 더욱 증가할 전망이다. 

모바일 데이터 트래픽은 연평균 47%로 증가해 2021년에는 2016년 대비 7배 수준으로 증가할 것으로 보인다. 또한 동영상 스트리밍 서비스 수요가 빠른 속도로 늘어나고 있으며, 특히 풀 HD 고화질 동영상, 360도 비디오 등은 트래픽 양의 폭증을 야기하고 있다. 

세 번째로는 디바이스의 연결이 증가했기 때문이다. 인터넷에 접속하는 모바일 디바이스들과 IoT 단말기와 센서의 숫자가 폭발적으로 상승했다. 2021년에는 휴대용 개인 단말이 83억 개, M2M(Machine to Machine) 연결기기가 33억 개에 달할 것으로 예상된다. 

5G 칩셋의 기술 현황

5G 칩셋은 스마트폰, 휴대용 핫스팟, IoT 기기, 모바일 네트워크 기능을 갖춘 노트북 PC 등에서 5G 패킷 전송을 가능하게 한다. 5G 모바일 장치는 친숙한 서브 주파수 대역을 새로운 MIMO 안테나 시스템과 결합하고, 고주파 밀리미터웨이브(mmWave) 대역과 고도로 집중된 빔포밍을 결합한다.

5G 칩셋은 퀄컴이 주도하는 가운데, 삼성전자와 화웨이가 뒤를 쫓으며 삼파전을 진행하는 양상이다. 삼성전자는 최근 출시한 갤럭시 노트20, 울트라 갤럭시 노트20, 갤럭시 폴드2, 갤럭시 탭 S7/S7+에는 퀄컴의 스냅드래곤 865 플러스 5G 모바일 플랫폼을 탑재했다. 삼성전자가 자체 칩셋인 엑시노스를 제작하면서도 퀄컴의 제품을 탑재한 것에서 알 수 있듯, 퀄컴의 기술력은 타사보다 월등한 것을 알 수 있다. 퀄컴코리아는 지난 9월 14일 온라인 행사를 통해 LG전자의 새로운 전략 스마트폰인 ‘LG 윙’에 퀄컴의 5G 통합 칩셋인 스냅드래곤 765G를 탑재한다고 밝히기도 했다. 이 칩셋은 퀄컴이 7nm 공정으로 설계해 탁월한 성능과 배터리 수명을 갖춘 것으로 알려졌다. 

그렇다고 삼성전자가 5G 칩셋 분야에서 주춤하고 있는 건 아니다. 국내 한 언론에서는 지난 9월 14일 삼성전자는 퀄컴의 5G 스마트폰 AP 칩셋인 스냅드래곤 875를 전량 수주했다고 밝혔다. 스냅드래곤 875는 삼성전자의 차세대 5G 스마트폰인 ‘갤럭시 S21’에 탑재될 전망이다. 삼성이 퀄컴과 계약한 수주 금액만 1조 원 대인 것으로 전해진다. 파운드리 글로벌 2위를 잘 활용한 사례인 듯해서, 삼성전자 관계자에게 문의해보니 “고객사 내용이라서 확인해 줄 수는 없다”는 답변만 들을 수 있었다. 

지난 9월 15일부터 미국 정부의 추가 제재조치에 따라 미국의 소프트웨어나 기술, 장비를 사용한 제품을 화웨이에 납품하기 위해서는 사전 승인을 받아야 하는 상황이다. 이런 강력한 조치에도 불구하고 화웨이는 지속적으로 5G 관련 칩셋을 제작하고 있다. 미국의 추가 조치에 앞서 화웨이는 9월 6일 IFA 2019에서 기린 990(Kirin 990)과 5G 기린 990으로 구성된 플래그십 칩셋 기린 990 시리즈를 발표했다. 리차드 유(Richard Yu) 화웨이 컨슈머 비즈니스 그룹 CEO는 “5G 기린 990은 향상된 5G 경험에 대한 사용자 요구를 충족하기 위해 성능, 전력, 효율성, AI 컴퓨팅, SIP 측면에서 개선을 이뤄내 모바일 경험을 새로운 수준으로 끌어올렸다”고 자평했다. 5G 기린 990은 대형 NPU 코어와 소형 NPU 코어로 구성된 다빈치 아키텍처 기반의 듀얼 코어 NPU를 탑재한 플래그십 SoC로, 스마트 캐시를 활용해 대역폭을 효과적으로 절약하고 전력 소비를 줄일 수 있다. 

5G 네트워크 장비의 기술 현황

5G 네트워크 장비는 대표적으로 기지국을 들 수 있다. 무선통신의 서비스를 위해 네트워크와 단말기를 연결하는 무선 통신설비를 말한다. 

트렌드포스(TrendForce)는 기지국 주요 판매업자가 에릭슨, 화웨이, 노키아, 삼성전자, ZTE라고 밝혔다. 2019년 세계 모바일 기지국 시장의 30%를 에릭슨이 차지했으며, 2위는 화웨이가 27.5%를 점유했다. 하지만 2020년에는 화웨이가 시장점유율 28.5%로 1위에 오를 것으로 추산했다. 소식통에 의하면 5G 네트워크와 전광통신망 등 신흥 인프라가 화웨이에 상업적 기회를 창출할 것으로 예상된다. 

화웨이 관계자는 이처럼 화웨이가 승승장구하는 이유가 과감한 R&D 투자에 있다고 밝혔다. 5G와 관련해 화웨이는 2008년부터 10여 년간 약 60조 원에 달하는 금액을 5G 네트워크 부문 R&D에 투자해 왔다. 뿐만 아니라, 글로벌데이터의 ‘5G 무선접속네트워크(RAN) 경쟁력’ 평가에서 1위를 차지하며 기술력을 인정 받았다. 해당 보고서에서는 기저대역 유닛(BBU) 용량, 무선통신 포트폴리오, 설치 용이성, 기술 진화 등 4개 항목을 평가해, 조사 기업들의 5G 무선접속네트워크(RAN) 경쟁력을 분석했으며, 화웨이는 4개 항목 모두에서 최고점을 받았다.

화웨이 관계자는 “화웨이가 5G와 관련한 강력한 특허를 바탕으로 5G 표준화 정립에도 크게 기여하고 있다”고 강조했다. 아이피리틱스(IPlytics)가 지난 1월 발표한 보고서에 따르면, 화웨이는 2012년 이후로 5G 패밀리특허 선언(2618건)을 가장 많이 한 기업으로 조사됐다. 2020년 1월까지 화웨이의 5G 패밀리특허 선언 수는 3147건, 특허 승인 수는 1274건이다.

지난 3월 유럽특허청(EPO)이 발표한 2019년 유럽 특허 출원 수에서 화웨이가 3524건으로 1위를 차지했다. 특허 출원 대상에 5G 네트워크 구축에 필요한 다양한 기술이 포함됐다고 EPO는 설명했다. 세계지적재산권기구(WIPO)의 ‘2019 연례보고서’에서도 화웨이의 특허협력조약(PCT)에 따른 국제특허출원 수가 4411건으로 3년 연속 1위 자리를 지켰다.

에릭슨의 5G 네트워크 장비는 4G에서 5G로 전환하는 과정을 원활하게 할 수 있는 포트폴리오를 가지고 있다. 에릭슨 관계자는 “에릭슨은 2015년부터 4G 장비를 납품했는데, 이 장비들은 소프트웨어 업그레이드만으로도 충분히 5G 기능을 수행할 수 있다”고 밝혔다. 또한 스펙트럼 쉐어링이라는 기능도 유용하다. 나라별로 주파수를 할당할 때 4G와 5G를 각각 몇 %씩 할당하는데 이때 딱 지정되는 게 아니라 상황에 따라 달라진다. 스펙트럼 쉐어링은 바뀌는 상황에 맞춰 밀리세컨드 이하의 지연을 갖고 바로 대응하면서 알아서 할당해주는 편리한 기능이다. 에릭슨 관계자는 “에릭슨은 무엇보다 유럽, 아시아, 아메리카 대륙 등 전 세계 180여 곳에 5G 네트워크 장비를 납품하고 있다”며, “다양한 나라와 환경에서 쌓은 경험을 바탕으로 어느 곳에서든 고객이 원하는 기능과 일정을 맞출 수 있는 것이 강점”이라고 덧붙였다. 

3위권인 노키아는 5G와 관련해서 모든 솔루션을 갖추고 있다. 특히 5G 네트워크 관련 유선장비에서 강점이 있다. 5G 유선 장비는 광전송장비, 교환장비, 가입자망 장비, 광 모듈과 같은 광네트워크 장비를 통틀어 말하며, 무선장비는 일반적으로 말하는 기지국, 중계기, 스몰셀과 같은 이동통신 장비를 지칭한다. 

노키아 관계자는 “에릭슨과 삼성전자는 무선장비 위주라면, 노키아와 화웨이 같은 경우는 유선 장비도 제작하고 있다”며, “유선 장비의 장점은 무선장비처럼 속도 지연이 없고, 전통적인 케이블로는 불가능한 양의 다중 접속도 가능하다”고 밝혔다. 

삼성전자는 최근 미국 이통사인 버라이즌(Verizon)에 7조 9000억 원 규모의 5G 통신 장비를 공급하는 계약을 체결했다. 워낙 큰 규모의 거래라 삼성전자 측은 이 사실을 공시를 통해 공개하기도 했다. 이에 대해 삼성전자 관계자는 “이미 3G 시절부터 버라이즌과 거래를 해왔고, 2018년부터는 5G 장비를 공급하고 있었다”며, “이번 계약은 여러 계약을 갱신하면서 진행한 장기 계약이므로, 규모가 커서 공시한 것”이라고 말했다. 

삼성전자는 5G 장비 시장 선점을 위해 특허권 인수에도 적극적이다. 한국지식재산연구원은 지난7월 21일, 삼성전자가 노키아 특허자산 500개를 인수했다는 소식을 전했다. 연구원의 보도자료에 따르면, 삼성전자가 노키아로부터 양도받은 특허 포트폴리오는 총 52개의 미국 특허자산(52 US Patent Assets)으로 이들 특허자산은 광범위한 글로벌 특허패밀리로 구성돼, 특허 목록에는 넓은 국제 관할권을 갖는 약 500개의 특허권이 포함돼 있다. 이번 특허권 인수는 노키아와 직접 경쟁하는 5G 통신장비 분야에서 유리한 고지를 선점할 수 있는 호재로 여겨진다. 

5G의 기술적 특성 파악 중요

IITP(정보통신기호기평가원)는 네트워크 장비 시장은 ICT 하드웨어 중 3번째로 규모가 큰 시장이지만, 우리나라의 생산 점유율은 낮은 편이라고 지적한다. 2017년 글로벌 네트워크 장비의 시장 규모는 1159억 달러(약 134조 원)인데, 우리나라의 장비 생산은 3.3조 원 수준이어서 세계 시장 대비 2%대 점유율에 그치고 있다. 특이한 점은 우리나라의 생산과 수출 비중이 무선(이동통신) 장비에 높은 편인 반면, 수입 면에서는 유선 장비의 비중이 과반 이상을 차지할 정도로 사업 자체가 한 쪽으로 편중돼 있다. 대부분의 업체가 연 매출 1000억 원 미만의 중소기업이라는 점도 문제다. 중계기 시장의 축소로 일부 중소 업체가 경쟁에서 밀려나고, 경쟁력 있는 소수 업체들로만 시장 구조가 재편되고 있기도 하다. 

중국 이동통신 시장의 급성장과 함께, 화웨이, ZTE와 같은 중국업체들이 저렴한 가격과 우수한 성능으로 세계 시장을 잠식해 가고 있는 점도 위협요소로 작용한다. 

이런 상황에서도 업계 관계자들은 5G 시대에 국내 산업 경쟁력은 호전될 것으로 평가하고 있다. 그 근거는 통신사업자들이 LTE 대비 5G 설비투자를 늘릴 계획이기 때문이다. 5G 설비투자는 최근 침체된 국내 네트워크 장비 수요를 자극하고 해외 판매 기회를 제공할 것으로 기대된다. 

5G 설비투자 증가는 5G의 기술적 특성에 기인한다는 게 전문가들의 설명이다. 먼저 LTE 대비 20배 빠른 최대 20Gbps의 전송 속도와 용량 증대를 위해 5G에서는 MIMO 기술의 확장이 필수적이다. 5G 목표 속도를 지원하기 위해선 이론적으로 100개 이상의 안테나가 필요하고, 안테나 수에 비례해 각종 RF부품(필터) 수요도 증가하게 된다. 

또한, 음영지역 해소 문제도 잇다. 5G가 사용하는 고주파수 대역은 회절성이 낮고 직진성이 강해 LTE보다 전파 도달 거리가 단축된다. 따라서 도심 인구밀집지역에서는 촘촘하게 더 많은 기지국이 설치돼야 하며, 이는 LTE보다 더 많은 중계기와 스몰셀 구축이 필요함을 의미한다. 중계기와 스몰셀은 기지국에 비해 건설 비용과 관리비가 적게 들기 때문에 중소기업에 안성맞춤인 장비다. 

5G 서비스로 전송 속도가 빨라지고 용량이 증대되면 데이터를 모으는 트래픽을 처리하는 유무선 전달망에서도 장비 교체 수요가 늘어날 수 있다. 

5G의 기술적 특성을 감안한다면 5G 산업에서 네트워크 장비 산업의 성장 가능성은 충분하다는 점에서, 대기업과 중소기업의 상생을 통해 기술경쟁력을 높이고 유통 체인을 높여나가는 것이 중요할 것이다. 이를 통해 5G의 글로벌 니치 시장에서 충분히 승산있는 게임을 할 수 있으리라 생각된다. 

킬러 콘텐츠 절실한 5G 산업

국내의 한 5G 전문가는 예상했던 것보다 5G가 활성화되지 않은 점을 지적하고 있다. 그 근거를 코로나19 팬데믹에서 찾기에는 다소 무리가 있다는 입장도 전했다. 코로나 때문에 5G 장비가 제대로 개발되지 않고 공급되지는 않는 것 같기 때문이다. 아무래도 3G에서 4G로 전환될 때보다 활성화가 안 되는 건 사실이다. 

그 이유는 3G에서 4G로 넘어갈 때는 속도라는 명확한 명제가 이었으나, 4G에서 5G로 넘어갈 때는 이런 이슈가 설득력을 잃고 있기 때문이다. 소비자 입장에선 지금도 4G 스마트폰으로 지하철에서 인터넷이나 영상을 충분히 즐길 수 있는데 굳이 5G를 가입할 이유가 없는 것이다. 

그보단 5G의 킬러 콘텐츠가 부족하다는 게 좀더 설득력이 있다고 주장한다. 때문에 4G에서 5G로 넘어가는 것에 대해 소비자들은 큰 매력을 느끼지 못하고 있다. 

그렇다면 5G를 활성화하는 방안은 무엇일까?

이번 기고문에서는 그 해결책으로 글로벌 컨설팅업체인 BCG(Boston Consulting Group)의 보고서에서 찾고자 한다. BCG는 지난 9월 14일 ‘미국의 5G 경제 구축(Building the US 5G Economy)’ 보고서를 발표했다. 우선 BCG는 5G 성장의 3단계를 제시한다. 

1단계는 강력한 5G 네트워크를 구축하는 것이다. 이 네트워크들은 미래 경제 성장의 중추 역할을 할 수 있을 것으로 여겨진다. 미국 무선 통신사들은 이미 전국적으로 네트워크를 구축하고 5G 서비스를 제공하고 있다. 네트워크가 확장되고 가입자 기반이 증가함에 따라, 소비자와 사업 경험은 개선된다. 이는 미국보다 한 발 앞서 5G를 상용화한 한국에도 해당하는 사항이다. 

2단계는 5G 사용 가능 사용 사례를 개발하는 단계다. 5G 보급률을 높이면 기존 무선 애플리케이션의 개선과 5G 경제의 초석이 될 새로운 애플리케이션의 개발에 박차가 가해질 것이다. 

3단계는 광범위한 이점이 발생하는 단계다. 10여 년이 지나고 5G기반의 사용 사례를 완벽하게 실현하면, 생산성 향상, 비용 경쟁력 향상, 건강 및 안전성 향상을 통해 모든 시민과 기업에 혜택을 제공할 수 있다. 이러한 단계는 중복될 것이며, 네트워크가 구축되는 동안에도 일부 애플리케이션이 개선될 수 있다. 아 단계에는 5G가 국가 내 거의 모든 주요 산업을 변화시킬 것이다. 

이런 미래적 예측은 4G의 성장 과정을 되짚어봄으로써 확인할 수 있다고 BCG는 강조한다. 2010년 미국 4G 네트워크가 등장했을 때, 아무도 4G가 2015년까지 미국 인구의 75%가 이용할 수 있는 공유 서비스, 2019년 중반까지 미국 음악 시장의 80%를 차지하는 음악 스트리밍 서비스, 모바일 시장의 거대한 확장을 이끌 것이라고 예측하지 못했다. 이런 무선 서비스는 10년도 안 되어 사람들의 일상생활을 변화시켰다.

5G의 성장을 촉진하기 위해선 혁신 생태계의 수립이 무엇보다 중요하다. 통신사와 기기 제조사의 연구개발 노력은 우리나라가 산업 주도권을 유지하는데 기여할 지렛대 역할을 할 수 있다. 미국의 기술 및 통신 회사들은 매출의 7.2%를 R&D에 지출하는데 비해 일본은 1.7%, 중국은 2.6%, 독일은 3.6%, 한국은 5.6%를 지출하고 있다. 5G 성장 촉진을 위한 한국 정부와 기업의 더 많은 기술개발 노력이 필요한 시점이다.