[TECH웨이브] 더 똑똑한 사물인터넷 만드는 AIoT 칩

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 사물인터넷(IoT)은 사물과 주변 환경에 대해 감지·수집한 데이터를 유무선 통신으로 전달하는 시스템으로, 그 주요 기술은 감지(sensing)와 전송(connecting)이다. 그리고 이 과정에서 필요한 연산과 입출력 명령을 처리(processing)하는 기술도 포함된다. 따라서, IoT 장치의 주요 부품은 센서, MCU, 통신 칩셋이다.

인공지능(AI)이 결합된 지능형 사물인터넷(AIoT)이 등장한 것은 엣지 컴퓨팅과 무관치 않다. IT 기술이 발달하면서 데이터의 양과 종류가 급증했고, 데이터를 생성 지점과 가까운 곳에서 분석·처리하는 ‘엣지 컴퓨팅’이 더 효율적인 방법으로 대두됐다. IoT 또한 장치 자체에서의 데이터 처리가 중요한 과제가 됐다. 따라서 AIoT 부품은 보다 높은 성능을 요구하게 됐고, 부품 공급 업체들은 제한된 공간과 공급 전력 내에서 요구사항을 해결해야 하는 어려움에 직면하게 됐다.

센서

AIoT에서, ‘감지’는 사물, 상태, 환경과 관련된 다양한 정보와 데이터를 인식·수집하는 기본 구성요소다. 센서는 외부 정보를 감지하는 데 그치는 기존의 형태에서 벗어나 자가 진단을 수행하고, 감지 데이터를 처리하며, 다양한 상황에 적응할 수 있도록 스마트해지고 있다.

리서치앤마켓에 따르면, 전 세계 IoT 센서 시장 규모는 2020년(69억 달러)부터 2027년(452억 달러)까지 매년 약 30.7%씩 성장할 것으로 예상된다. 또한, T 센서 서밋에 따르면 전 세계 센서 수요는 2024년에 1조 개를 넘어설 것으로 전망된다. 센싱 기술이 발전하고 IoT 장치 수가 늘면서 센서 시장 규모가 커지고 있는 반면 가격은 15년 이상 계속 하락해왔는데, 마이크로소프트에 따르면 2004년 이후 지속되는 센서 평균가격 하락세의 원인으로는 센서의 범용화가 꼽힌다. 고성능화와 가격 하락의 추세가 지속되는 센서 시장 동향은 전체 AIoT 산업 발전을 돕고 있다.

특히, 최근 센서는 액추에이터와 회로를 함께 실리콘 기판에 집적한 MEMS(미세전자기계시스템)로 개발되는 추세다. IC인사이트가 발간한 O-S-D 보고서에 따르면, MEMS 기반 센서/액추에이터의 전 세계 출하량은 2015년부터 2020년까지 매년 약 14.1%씩 늘었으며, 같은 기간 매출 역시 매년 10.3%씩 성장했다. 향후 2025년까지 출하량과 매출은 매년 약 13.4%, 11.8%씩 성장할 것으로 전망된다. 작고 가벼운 MEMS 센서는 통신, CPU, 배터리 등 다양한 부품이 혼합 탑재되는 IoT에 통합이 비교적 수월하기 때문에, 개발자들의 MEMS 센서 선호도는 꾸준히 증가할 것이다.

MCU

마이크로컨트롤러(MCU)는 IoT 장치에서 센서가 수집한 데이터를 바탕으로 통신/인터페이스, 액추에이터, 디스플레이 모듈 등에 작업 명령을 내리는 처리·조치를 담당한다. 더 높은 연산 성능이 필요한 IoT 장치에는 MCU보다 연산에 더 특화된 마이크로프로세서(MPU)가 사용되기도 한다. 부품 탑재 공간, 열 관리, 전력 공급량 등의 제약이 많은 IoT 장치에 PC·서버용 CPU, GPU를 사용하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서, 작은 크기와 적은 전력으로도 최소한의 성능을 내도록 만든, IoT에 특화된 처리기(processor)가 등장했고, IoT의 확산에 따라 MCU·MPU 시장도 성장을 거듭했다. QY리서치에 따르면, 전 세계 IoT용 MCU 시장 규모는 2026년 59억 1660만 달러를 기록, 2019년(28억 180만 달러)부터 7년간 매년 평균 11.37%씩 성장할 것으로 전망된다.

AIoT는 장치 내에서 센서가 수집한 정보를 판단하고 분류하는 지능 작업이 수반되므로, 연산력이 뒷받침되는 고성능 칩이 필요하다. 클라우드 기반 AI 컴퓨팅 대신 엣지 컴퓨팅이 IoT 업계의 주목을 받기 시작하면서, 글로벌 반도체 회사를 중심으로 엣지 컴퓨팅을 위한 초고속·초저전력·고신뢰 프로세서가 개발·출시되고 있다. 이 엣지향 프로세서는 센싱, 분석 딥러닝 처리를 가속화하고 다양한 수요기업의 니즈를 만족하기 위해 플랫폼화, 오픈화된 형태로 개발되고 있다. 특히, 공급기업은 수요기업의 반도체 활용을 이끌어내기 위해 하드웨어와 이를 뒷받침하는 소프트웨어를 결합한 통합 서비스 플랫폼의 형태로 제품을 공급한다. 또, 기존 SoC에 AI 연산 처리 기능을 추가한 통합형 AI 반도체도 공급한다. 예를 들어, Arm은 머신러닝 처리 시 최대 10TOPS의 성능과 30%의 면적 효율을 갖추고 D램 사용량을 40% 줄여 소비 전력을 절감하는 ETHOS-N78을 2020년에 출시했다. 그리고 IoT 개발을 지원하는 ‘Open-CMSIS-Pack’과 ‘카일 스튜디오 클라우드(Keil Studio Cloud)’ 소프트웨어를 6월 14일 공개하며 Cortex-M 기반 MCU의 호환성 문제 해결을 지원하기 시작했다.

IoT용 프로세서 아키텍처는 국내외를 막론하고 저전력에 강점을 갖는 Arm 코어가 시장의 90%를 점유하고 있으며, 지능형 엣지를 적용할 수 있는 AIoT용 AP 시장에서는 ARM-Cortex M4 코어 기반의 SoC가 점유율을 늘려가고 있다. 그리고 해외 팹리스, IT 서비스 기업들의 연합으로 탄생한 오픈 프로세서 아키텍처 RISC-V도 확산되고 있다. 일례로, 퀄컴은 RISC-V 기반 IoT용 프로세서를 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.

무선통신

유선 인터페이스를 통한 데이터 전송도 가능한 방법이긴 하지만, 최근 대부분의 IoT 장치는 하드웨어적 제약을 최소화하기 위해 무선통신으로 데이터를 주고받는다. IoT 무선망은 주로 디바이스·센서와 게이트웨이 간의 데이터 전송용으로 구축되며, 게이트웨이와 서버 간에도 유선 사용이 어렵거나 무선이 더 유리한 경우 무선통신망을 적용할 수 있다.

과거에는 RF칩, 모뎀이 개별적으로 공급됐으나, 최근에는 MCU와 메모리 등 서로 다른 부품들이 하나의 실리콘 기판에 집적되는 SoC(System-on-Chip)의 형태로 만들어진다. SoC는 크기와 소비전력을 절감하고 성능은 유지할 수 있어 IoT에 탁월한 기술이다. 이로 인해 SoC를 뒷받침하는 임베디드 소프트웨어 또한 하드웨어 못지않게 전체 시스템의 성능과 안정성을 좌우하는 중요한 요소가 됐다.

많은 수의 기기를 동시에 연결하고 대기 시간을 줄이기 위해서는 고도의 네트워크·통신 기술이 뒷받침돼야 한다. IoT 장치와 게이트웨이 간 상용 저전력 광역통신망(LPWAN)에는 NB-IoT, LoRa, SigFox 등이 있다. 근거리 무선통신에는 Wi-Fi, 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등 표준이 사용된다. 이 기술들은 Wi-Fi 6, Zigbee 5, LPWAN 6(NB-IoT 7, LoRa 8)처럼 전송률, 대역폭, 연결용량, 저전력, 지연 성능이 개선된 차기 버전으로 꾸준히 업그레이드되면서 AIoT 산업 발전을 촉진한다.

일반 소비자들이 가장 접하기 쉬운 근거리 무선통신 기술은 스마트폰을 중심으로 대중화된 Wi-Fi 와 블루투스다. Wi-Fi는 현재 가장 높은 전송률을 자랑하는 무선통신 기술이다. 마이아리서치(Maia Research)는 2019년 전 세계 Wi-Fi 모듈 시장 규모를 60억 7400만 달러로 추산했으며, 2020년부터 6년간 매년 10.26%씩 성장해 2025년에는 109억 1400만 달러를 기록할 것이라고 예상했다. 특히, 2019년 최종 표준안이 확정된 Wi-Fi 6(802.11ax)는 이전 버전인 Wi-Fi 5(802.11ac)보다 대폭 개선된 성능을 제공한다. 총 대역폭은 2.4Gbps에서 9.6Gbps로, 연결 가능 장치 수는 5~10개에서 50개로 늘었고, 네트워크 지연 시간은 30㎳에서 20㎳로 줄었다. 그리고 이 개선된 성능을 더 낮은 소비전력으로 제공한다.

블루투스 기술은 무선 데이터 전송과 음성 통신이 가능한 개방형 무선 연결 표준이다. 건물 내 고정기기, 모바일 기기(휴대폰, PDA, 무선헤드셋, 노트북 등) 등 단말기 간 단거리 통신을 지원한다. 다중 기기 적용성, 국가 작동 주파수 대역, 저렴한 모듈 비용, 낮은 패킷 손실률과 데이터 전송 지연, 스마트폰 직접 지원, 간섭 방지 성능 등 많은 장점을 갖춰 스마트폰과 웨어러블 기기를 중심으로 급속 확산됐다. 블루투스SIG는 전 세계 블루투스 탑재 장치 수가 2020년 40억 대 출하됐으며, 2025년에는 64억 대가 출하돼 연평균성장률 10%를 기록할 것이라고 분석했다. 또한 올해 총 블루투스 탑재 IoT 장치는 130억 대로 추산되며, 2025년에는 블루투스를 채택한 장치의 96%가 저전력 블루투스를 탑재할 것으로 보인다. 최근에는 다대다 통신을 설정할 수 있는 블루투스 메시(Bluetooth Mesh) 네트워크, 소비전력을 낮춘 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 등 더 개선된 블루투스 기반 기술이 지원되고 있다.