KOSEN Conference Report-ISSCC
해당 분야에서 가장 진보된 기술을 가장 빠르게 발표하는 학회로써 매년 2월에 샌프란시스코에서 열린다. 올해엔 "Electronics for Healthy Living"라는 주제로 열리며, 헬스케어, 에너지 분야와 같은 Emerging technology를 중점적으로 다룬다. 또한, 기존의 RF/Analog/Digital circuits을 기반으로 한 응용 기술들 역시 소개된다.
우리나라에선 삼성전자, 하이닉스 등의 기업체를 비롯하여 KAIST, POSTECH 등에서 최신 연구결과를 소개한다. 본인은 Energy, wireless등의 분과에 참여하여 최신 기술을 습득하고 이를 보고하고자 한다. 본 보고서에서는 바이오 & 디스플레이, RF, 무선통신, 미래 기술 분야 등의 세션을 집중적으로 다룬다.
글: 최진성 / 삼성종합기술원
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
www.kosen21.org
ISSCC 소개International Solid State Circuits Conference(ISSCC 2011)는 2011년 2월 20일부터 24일까지 미국 샌프란시스코에서 열렸다. ISSCC는 세계 3대 반도체 학회(IEDM, ISSCC, VLSI) 중 하나로써 solid-state circuits와 system-on-a-chip(SoC)분야에서 그 규모와 역사가 가장 크고 길다.
회로 설계에 있어서 올림픽이라 비유할 정도로 권위가 높고, 매년 언론을 통해 국가 별, 기관 별 발표 논문 수 및 중점 발표 분야 등이 정리되어 발표 될 정도로 관련 업계의 관심이 높다. 해당 분야에서 가장 진보된 기술을 가장 빠르게 발표하는 학회로써 매년 2월에 샌프란시스코에 위치한 Marriot Hotel에서 열린다.
올해엔 "Electronics for healthy living"라는 주제로 열렸으며, 헬스케어, 에너지 분야와 같은 에머지 테크놀로지를 중점적으로 다루었다. 반도체 기술의 급격한 발전에 따라 그 응용 범위가 점차 헬스케어 쪽으로 넓어지고 있는 것을 직접적으로 반영하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 전통적 응용 분야인 기존의 RF/Analog/Digital circuits 기반 기술들 역시 소개된다.
일반적으로 제출되는 논문의 수는 경기에 영향을 많이 받는데, 2009년 세계 경제 위기로 감소된 이후 서서히 회복되어 올해엔 69건이 제출되었다고 한다. 이번 학회에선 제출 논문 수의 증가에 따라 지난 몇 년 동안 가장 낮은 31.5%의 채택률을 기록하였다. 지역별로는 미국, 일본, 한국 순으로 많은 논문을 발표하였으며, 카이스트가 9개의 논문 채택으로 세계에서 가장 많은 논문을 발표하는 기관이 되었다. 분야별로는 의료 관련 논문이 전체 논문의 14% 정도를 차지하였다.
또한, 기업에서 제출하는 논문의 수가 2007년 49%에서 2011년 42%로 줄어듦에 따라 ISSCC에선 기업의 참여를 유도하기 위해 'Technology Roundtable'과 같은 패널 세션과 'Industrial Demo Session'등의 시연 세션 등을 선보였다.
한편, 삼성 전자 반도체 사업부의 권오현 사장은 '건강한 생활을 위한 친환경적 반도체 기술'이라는 제목으로 기조 강연을 하였다. 지난 2010년 말, 삼성 전자 종합기술원의 김기남 사장이 IEDM에서 기조 강연을 한 것에 이어 반도체 관련 주요 학회 기조 연설을 삼성 전자의 사장단이 휩쓸고 있는데, 이는 한국의 반도체 산업의 세계적 위상을 나타내준다.
또 다른 기조 연설은 Medtronics사의 부사장이 발표하였다. Medtronics는 순환계와 신경계 관련 의료 기기를 만드는 세계 4위의 의료기기 전문 회사이다. 바이오메디컬 칩 및 시스템을 제공하며, 일 년 매출이 17조원이 넘는다. 의료 진단 관련 헬스 케어 기기가 매우 부가가치가 높기 때문이다. Medtronics가 개발한 칩은 두뇌에서 제공되는 정보에 따라 근육이 반응하기까지 필요한 자극의 양, 신호 전달 타이밍 등을 판단하도록 정보를 모아준다.
뉴런그룹들을 대상으로 한 최초의 장시간 기록에 나서고 있고, 뇌신호는 뉴런의 이상으로 발생하는 병의 치료에 이용된다. 이식기기로부터 나온 2개의 전극은 채널당 5mW의 전류를 내보내 네 개의 뉴럴 사이트를 동시에 모니터 할 수 있게 해준다. 만일 디바이스가 뭔가 잘못되었음을 감지하면 리드가 뉴런자극을 위해 높은 출력을 전달한다. 뿐만 아니라, medtronics는 파킨슨병, 간질병, 우울증 같은 특정 뇌신경의 부조화 패턴을 감지하는데 최적화된 제품을 생산하고자 한다. 각 디바이스는 개별 환자의 뇌파에 있는 변화에 맞춰 특별히 프로그램 된다.
참고로 세계 의료 기기 시장 1위는 미국의 Johnson & johnson이다. 의료 기기 부문은 J&J 전체 매출의 35% 이상이며 수술 및 진단 장비, 인공 관절과 척추 관련 제품 등 다양한 제품을 생산하고 있다. 세계 2위의 GE 헬스케어는 영상진단 및 정보 네트워크 분야에서 높은 경쟁력을 가지고 있으며 글로벌 3위 의료 기기 업체인 SIEMENS Medical은 세계 초음파 시장의 대표 기업이다. 아시아 태평양 지역에서 1위를 나타내는 일본의 도시바는 세계 시장에서는 17위에 불과해 미국과 유럽 기업들의 상대적 강세가 두드러진다.
실제로 10위권 내 기업들은 모두 미국과 유럽 지역의 기업들로 이루어져 있다. 아시아 태평양의 10위권 내 기업 대부분이 일본 기업인 가운데 국내 1위의 메디슨과 아시아 태평양 1위의 도시바는 매출액만 15배 이상 차이가 나며 세계 1위의 J&J와는 150배의 매출 격차를 나타낸다. 국내에서 삼성전자가 메디슨을 인수하면서 본격적으로 의료 기기 사업에 발을 들여놓았다. 앞으로 바이오 시밀라 제품을 통한 제약업과 더불어 바이오 관련 국내 대기업의 국제 업계 진출이 기대된다.
Technical Session
바이오메디컬 디스플레이 분야
이 세션에선 바이오메디컬과 디스플레이 회로 및 시스템에서 최신 발전 모습을 보여준다. IMEC과 Delft 대학에선 gel-free active electrodes를 이용한 Electroencephalogram(EEG) 시스템을 발표하였다.
Active electrode는 높은 게인 특성과 큰 입력 임피던스를 달성해야 정확한 프로빙이 가능한데, 제안된 회로는 2GOhm의 입력 임피던스와 82dB Common Mode Rejection Ratio(CMRR)을 달성했다.
UC Berkeley에선 DC-coupled neural-signal acquisition system의 면적을 3배 정도 줄인 칩을 발표하였다. 65nm CMOS 공정을 이용하여 만들었고, 5.04uW의 전력을 소모한다.
이 세션에서 특히 주목할 만한 논문 중 하나는 스탠포드 대학의 Bruce A. Wooley 교수 연구팀에서 선보인 생체 내 형광물질 검출을 위한 매립형 저잡음 전류 검출 회로이다. 이를 통해 질병(대표적으로 암)의 조기 발견 및 치료 경과를 관찰하는 용도로써 유용하게 사용 가능하다. 연구팀에서 기존에 개발한 형광 센서와 이번에 발표된 검출 회로를 이용해 실제로 살아있는 쥐에 센싱 시스템의 동작을 검증하였다. 기존의 형광 센서는 전류를 출력하는데, 약 5pA의 리솔루션이 필요하고, 15nA까지 센싱이 되어야 한다.(측정되는 detector signal의 전류 레벨이 약 5pA-15nA정도라고 한다.)
제안된 회로는 capacitive trans-impedance amplifier를 이용해 전류를 전압으로 변환하고, 이를 델타 시그마 변조기를 통해 디지털 신호로 변환된다. 이 때, 충분히 높은 샘플링 주파수를 선택하여 quantization noise를 최소화 하여 만족할만한 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다. 제작된 시스템은 1cm3의 부피를 갖고 0.7g정도의 질량을 갖는다. 기존에 발표된 시스템에 비해 약 10배의 동적 범위를 갖는다. 0.18um CMOS 공정을 이용하여 설계되었다.
또 하나의 매우 흥미로운 연구 결과는 Michigan 대학의 David Blaauw 교수 연구팀에서 발표한 녹내장 관리나 실명 예방을 위한 Energy-Autonomous Wireless 안압 모니터 시스템이다. MEMS 기반 센서를 통해 안압을 캐패시턴스로 나타내고, capacitance-to-digital converter를 이용해 데이터를 얻어 이를 시그널 프로세싱 한다.
제안된 센서는 0.5mmHg의 pressure resolution을 달성하였다. 또한, 설계된 칩은 태양 전지와 박막 형태의 Li-battery를 내장하고 있어 태양으로부터 에너지를 공급받아 자체 필요한 전력을 생성한다. 그리고 수집된 안압 정보는 내부에 존재하는 무선 송신회로를 통해 외부 디바이스로 전송할 수 있다.
이 세션에서 마지막으로 발표된 메디컬 분야 논문은 55ps의 분해능을 가지고 포톤을 검출해 낼 수 있는 160×128 픽셀 어레이 센서에 관한 것으로 Delft 대학에서 발표하였다. 각 픽셀은 counter, time-to-digital converter, 10b 메모리 등으로 구성되어 있고, 프레임은 20us 마다 읽혀진다. 이 센서는 fast fluorescence lifetime imaging에 매우 적합하다.
RF 분야
TI의 Digital RF 분야 CTO에서 네덜란드 Delft 공대 교수로 얼마 전에 적을 옮긴 Bogdan Staszewski 교수가 자신이 제안한 ADPLL의 최신 개선 버전을 발표하였다. ADPLL은 Digitally-Controlled Oscillator, Time-to-digital converter 등 새로운 개념의 디지털 회로들을 기반으로 기존의 Analog PLL 회로를 대체하여 많은 주목을 받아오고 있다.
이번에 발표한 내용은 65nm CMOS 기술을 기반으로 리퍼런스 클락에 time-to-digital 컨버터를 이용하여 시스템 클락 으로 인한 송신파 간섭을 줄이는 것이 주된 내용이다. 아날로그 분야에서 최고의 회사중 하나인 TI의 CTO가 네덜란드의 공대 교수로 옮긴 것은 교수라는 직업이 주는 매력 때문일 수도 있지만, 디지털 RF 기술 자체가 디지털 PLL을 제외하곤 생각만큼 파격적인 영향을 RF 회로 설계에 미치진 못했다는 반증일 거란 얘기도 심심치 않게 들린다.
브로드컴에선 direct conversion 혹은 zero-IF conversion이 아닌, super-heterodyne 구조를 갖는 RF 리시버 구조를 발표하였다. 일반적으로 direct conversion receiver에서는 baseband low-pass filter를 이용하여 채널 섹션 기능을 수행하는데, R과 C는 기술 발전에 따른 스케일링 효과를 누리지 못해 칩 사이즈가 줄어들지 않는 단점이 있다.
또한, 1/f noise, 2nd-order nonlinearity, DC offset 등의 문제점 등이 있어 설계가 어렵다. Super-heterodyne receiver 구조의 경우, 이러한 문제 점은 없지만, 이미지 리젝션과 채널 섹션을 위한 external high-Q filter가 필요하다.
발표된 논문에선 clock-based frequency-translation band-pass filter를 이용해 65nm CMOS 공정상에서 on-chip high-Q filter를 구현하였다. 이 때, 필터는 thin-oxide transistors로 이루어진 스위치들과 MOS-cap으로 구성되어 있으므로 로우 파워 특성과 process-scalability를 갖기 때문에 CMOS 공정의 스케일 다운에 따른 이득을 그대로 활용할 수 있다. 싱글 칩으로 고성능 super-heterodyne receiver를 구현한 것과 더불어 process-scalable한 RF 리시버 구조를 제안했다는 것에 큰 의의가 있다.
시애틀에 위치한 워싱턴 대학의 Allstot 교수 연구팀에선 Switched-Capacitor 기술을 기반으로 한 Envelope Elimination & Restoration 기법을 이용한 Wireless LAN에 적합한 고효율 전력 증폭기 구조를 발표하였다. 일반적으로 아날로그 및 혼합신호 회로 등에서 사용하는 기법인 switched 캐패시터 회로를 RF 회로에 적용하였다. 이는 스케일링 다운에 의해 트랜지스터의 스위칭 속도가 충분히 빨라졌기 때문에 가능하다. 제안된 회로의 핵심은 capacitor에 저장되는 전하량을 제어함으로써 신호의 Envelope에 해당하는 출력 전압을 제어할 수 있다는 것이다.(그림 3을 참조: Con/(Con+Coff)가 출력 신호의 크기가 된다.)
또한, switching frequency를 RF carrier frequency과 일치시키고 L을 직렬로 연결하면 자연스럽게 Band-pass filter가 형성된다. 이 때, 캐패시터는 AC 그라운드인 VGND나 VDD에 연결되어 있기 때문에 출력 정합에 영향을 주지 않는다. 이는 캐패시터의 전하 재분배를 통한 capacitive power-combining 개념을 전력 증폭기에 적용한 것으로 아이디어가 참 신선하다. 25.2dBm에서 55.2%의 매우 높은 효율을 달성하였고, OFDM 신호를 인가했을 때에도 32.1%의 매우 높은 효율을 나타내었다.
다만, 전력 레벨이 높은 셀룰러 응용에 있어서는 안정적인 switched-capacitor 회로 동작이 보장되어야만 적용이 가능할 것으로 사료된다.브로드컴의 네덜란드 지사에선 Rx의 하드웨어를 이용해 Tx의 비선형성을 calibration하는 Tx 구조에 대해 발표하였다. Transmitter image, local oscillator feed-through(LOFT), 아웃풋 파워가 트랜스미터 스팩트럼을 서브 샘플링하여 calibration되었다. 그럼으로써 55dBc 이상의 ACPR과 -64dBc이하의 IM3를 200MHz 대역까지 달성하였다. 그리고 55dBc의 이미지 리젝션, 40dBc의 Local Oscillator Feed-Through, 0.6dB의 gain accuracy를 달성하였다.
인텔에선 shielded concentric transformer를 이용한 class-AB PA를 발표하였다. 플립 칩 팩키지 되었으며 28dBm의 최대 전력을 낼 수 있고, 효율은 31.9%이다. OFDM-64QAM 신호에 대해서 21dBm의 평균 출력 전력을 갖고, 16%의 효율을 나타낸다.
삼성전기의 김우년 박사는 GSM과 EDGE를 동시에 지원하는 dual mode quad-band CMOS PA를 발표하였다. EDGE 동작에선 28.5dBm 출력에서 22%의 효율을 갖고, 1.6%의 EVM을 달성하였다. GSM 응용을 위해선 스위칭 증폭기로 동작하는데, 34.5dBm의 출력 전력에서 55%의 효율을 나타낸다. IPD라는 매우 손실이 낮은 공정을 이용하여 트랜스포머를 구현하였고, 팩키지 안에 하나의 CMOS PA와 두 개의 IPD 트랜스포머 칩이 존재한다.
무선 통신 분야
2G를 지나 3G에서 4G로 향하고 있는 셀룰러 분야는 스마트폰 시대를 맞이하여 더 높은 데이터 레이트를 지원하는 시스템을 매우 낮은 전력으로 구현하는 것이 핵심이 되고 있다. 또한, 외부 소자들을 줄임으로써 가격을 낮추고 집적도를 높임으로서 소비자들에게 더 많은 혜택을 주는 것이 주요 경향이다. 또한, 다중 표준과 대역을 지원하는 라디오 칩의 개발도 매우 활발히 이루어지고 있다.
대만의 미디어텍에서 두 편의 논문을 발표하였다. 먼저 65nm CMOS 공정을 이용해 SAW 필터 없는 GSM/GPRS/EDGE용 수신기를 내장한 SoC를 제안하였다. Class-AB 저잡음 증폭기와 전류모드 저대역 필터를 내장한 수동형 믹서를 이용하여 감도저하 없이 1dBm의 높은 P1dB를 달성하였다. 2.8V의 공급전압으로부터 58.9mA의 전류를 소모한다.
또 다른 논문은 shunt-shunt 피드백 구조를 이용해 인덕터 없는 front-end를 갖는 65nm CMOS 2G/3G 수신기에 관한 것이다. -2dBm의 out-of-band IIP3를 갖고, 2.2GHz까지 2.5dB 이하의 잡음 특성을 갖는다. Front-end의 칩 면적이 0.9mm2에 불과하다.
ST-Ericsson, 퀄컴, 인피니온 테크놀로지 등에서 멀티모드 / 멀티밴드 RF 트랜시버 등을 발표하였다. 스웨덴의 ST-Ericsson에서는 9개의 밴드에 대해 송수신이 가능하고, DigRF 인터페이스를 갖는 WCDMA/EDGE용 RF transceiver IC를 발표하였다. 90nm CMOS 공정을 기반으로 SAW-less Rx 구조를 갖는다. 2.3-2.5dB의 잡음 특성을 갖고 IIP2는 58dBm, IIP3는 -6dBm이다. 송신기는 2G에서 1.5%이하의 EVM을, 3G에선 4%의 EVM을 달성하였다. 2G RX/TX+LO는 129mW/126mW의 전력을 소모하고, 3G TX+RX+LO는 269mW의 전력을 소모한다.
미국의 퀄컴은 7개의 밴드에 대해 송수신이 가능하고, 디지털 베이스밴드, 메모리, 오디오 프로세서등을 모두 집적한 최초의 SoC를 발표하였다.
65nm CMOS 공정을 기반으로 만들어졌다. 베터리로부터 LB에선 38.3mA/48.2mA, HB에선 45.3mA/47.8mA의 전류를 소모한다. 이 때 센시티비티는 -111.4dBm이다.
독일의 인피니온은 polar modulation 구조를 갖는 17b RF DAC 베이스 디지털 멀티모드 트랜스미터를 발표하였다. 디지털회로를 이용하여 트랜스미터 회로를 꾸미게 되면 디지털 클락에 의해서 모든 것들이 조정 가능하기 때문에 GSM/EDGE/WCDMA 등의 모든 밴드에서 사용이 가능하며, 각 밴드 별 성능의 변화가 거의 없고, 칩 면적이 대폭 줄어들 수 있는 장점이 있다.
지금까지 발표된 RF DAC 기반의 디지털 포머 트랜스미터들은 amplitude path에 delta-sigma modulation 기법을 적용하여 unit cell의 개수를 줄이고, 저전력 동작을 가능하게 하는데 초점을 두었다.
하지만, 이럴 경우에 quantization noise및 repetition noise 등에 의해 3G mode의 강력한 spurious regulation을 만족시킬 수 없는 단점이 있다.
제안된 논문에서는 10b의 트랜스미터 코드와 4b의 바이너리 코드를 이용해 이와 같은 문제를 제거하였다. 이로써 디지털 도메인에서 대부분의 스팩을 만족시키는 트랜스미터를 구현하였다.
하지만, 유니트 셀의 개수가 늘어남에 따라 생기는 전력 소비량의 증가는 해결되지 못한 상태로 발표하였다. 이는 공정 기술의 발달로 어느 정도 줄어들 수 는 있겠으나, 근원적인 해결책은 아니다.
벨기에의 유명한 반도체 연구소인 IMEC에서는 40nm CMOS공정을 이용하여 multi-band SAW-less modulator를 선보였다. 제안된 모듈레이터는 Rx 밴드에서 -162dBc/Hz의 잡음 레벨을 갖고, 모든 LTE FDD 밴드에 대해서 최대 11dBm의 OP1dB를 갖는다. 이 때, 24.8에서 38.5mW의 전력을 소모한다. 미국의 브로드컴에서는 투-포인트 PLL을 기반으로 한 65nm polar 트랜스미터를 발표하였다.
Rx 밴드에서 -159dBc/Hz의 잡음 레벨을 달성하였고, PLL안에 광대역 frequency-locked loop를 통해 VCO 이득을 선형화하여 0dBm 출력 전력에서 배터리로부터 40mA의 전류를 소모한다. 이 때, EVM은 2.9%이다.
오스트리아의 Graz 대학과 인피니온 에서는 13.56Hz-2.45GHz의 넓은 주파수를 대응하는 RFID 센서 노드를 발표하였다. 소비전력은 7.9uW, 최대 수신 감도는 -10.3dBm이고 0.13um CMOS 공정을 이용하여 제조하였다. 발표된 RFID tag는 온칩 온도 센서와 오프칩 센서 인터페이스를 지원하며 태크 다중 주파수 대역에서 전자기파를 이용해 무선으로 전력을 공급하는 지원하는 최초의 수동 RFID tag이다.
카이스트와 Phychips 에서는 UHF 대역 RFID 리더를 위한 RF front-end 회로를 발표하였다. RFID 리더에서는 Tx의 leakage와 P/N-induced noise에 의해 잡음 특성이 좋지 않아 bulky한 isolator로 T/Rx를 분리해주어야 한다. 또한, Tx의 효율이 매우 낮아 배터리로 동작하는 모바일 디바이스의 사용시간이 줄어드는 단점이 있다. 발표된 논문의 주된 내용은 isolator 없이 높은 SNR을 달성하여 회로 구성을 매우 단순화한다는 것이다. 기존의 bulky한 isolator를 매우 작은 45도 phase shifter로 대체할 수 있게 해준다. 또한, polar ASK 모듈레이션을 이용하여 Tx의 효율을 극대화하였다.
미래 기술 분야
미래 기술 분야는 technologies for health와 energy harvesting 등의 관련 기술 등이 있다. 건강 및 의료 분야에선 센싱 및 monitoring에 관한 기법과 저전력 설계 기술의 발전에 따라 next-generation medical electronics의 실현이 이루어지고 있다. 이 분야에선 최근 들어 카이스트의 유회준 교수 연구실에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이번 세션에서도 2개의 논문이 발표되었다. 먼저 세계 최초로 IEEE 802.15.6 Task Group 규격을 만족하는 Wireless Body Area Network(WBAN) 시스템 논문이 발표되었다. Resonance matching, contact impedance monitoring, 그리고 low power scalable double-FSK modulation scheme 등을 통해 0.24nJ/b의 극소전력에서 동이 가능하다. 0.18um CMOS 공정을 이용하였고, 칩 면적은 2.5x5mm2이다.
두 번 째 논문은 70배 전력 소모가 줄어들었고, 무게를 기존보다 1/10 이하로 달성한 수면 뇌파 모니터링 시스템을 발표하였다. 14개의 센서 패치와 1개의 네트워크 컨트롤러 IC로 구성된다. 센서 패치를 얼굴에 붙여 ExG(EEG, EMG, EOG, ECG 등)의 실시간 관측이 가능하고, 패치가 떨어지더라도 fault tolerant 기능을 통해 동작을 계속해서 유지할 수 있다. 실시간 스케일러블 네트워크 컨트롤러는 75uW의 전력을 소모하고, ExG 센서는 25uW의 전력을 소모한다. 0.33pJ/b의 매우 낮은 커뮤니케이션 에너지를 달성했다.
워싱턴 대학에서는 혈당치 센서를 내장한 컨택트 렌즈를 발표했다. 15cm의 거리에서 무선으로 전력을 공급받을 수 있고, 2.4GHz 대역에서 load-shift keying(LSK)를 통해서 통신이 가능하다. 3uW의 전력을 소비한다. 1.67uAmm-2mM-1의 센시티비티를 달성했다. 칩 면적은 0.5mm2이고 외부 소자가 전혀 필요하지 않다. 침습이 필요하지 않기 때문에 매우 효과적인 방법이지만, 무선 전력 공급을 위해선 전력 송신기가 매우 가까이에 존재해야 하는 단점이 있다.
이 기술과 더불어 앞의 Univ. of Michigan의 침습형 안압측정 칩에서 사용한 solar cell과 Li-베터리를 칩상에 구현한다면 더욱 매력적인 메디컬 디바이스가 구현되지 않을까 한다.
프랑스의 CEA-LETI-MINATEC에선 0.13um CMOS 공정을 기반으로 Terahertz(THz) 이미징을 위한 저가 CMOS imager를 발표하였다. MOSFET을 bow-tie antenna에 연결시키고, 셀프 믹싱을 통해 라이트 모듈레이션을 위해 사용되는 low-frequency band로 direct-conversion된다.
Imager는 in-pixel low-noise amplifier와 싱글 비디오 아웃풋을 위한 멀티플렉싱 회로 등으로 이루어져 있다. 측정된 결과를 살펴보면 약 90kV/W의 최대 반응을 나타내는데, 이는 기존에 발표된 최고 수준의 12%를 상회한다. 또한, 픽셀은 97uW의 전력을 소모하는데, 이는 기존의 최고 수준인 5.5mW 보다 약 57배 뛰어난 수준이다.
센서 및 에너지 하베스팅 분야에선 총 9개의 논문이 발표되었다. 이 분야는 많은 응용군이 주변 환경을 입력으로 받아들이고 때론 원거리 혹은 접근이 불가능한 위치에 놓여야만 하는 경우가 생기면서 점점 더 중요해지고 있다. 향상된 MEMS 센서들은 매우 정확한 인터페이스 회로들이 필요하다. 또한, 접근이 힘든 지역에 위치한 센서 시스템에선 주변의 환경으로부터 에너지를 harvest 혹은 scavenge하는 것이 필요하다.
이탈리아의 STM에선 3-axis gyroscope drive와 transduction 회로를 발표하였다. 3.2x3.2mm2 3-axis 24um-thick poly-silicon surface micromachined gyro를 CMOS 멀티플렉스 디지털 리드아웃을 통해 센싱한다. 네덜란드의 Delft 대학에선 저전력 thermal wind speed/direction sensor를 발표하였다.
표준 CMOS 공정을 이용해 2-D thermal wind sensor를 구현하였다. 두 개의 2nd-order delta-sigma modulator를 이용해 센서의 flow-dependent heat distribution을 제어하고 양자화한다. 바람의 속도를 4%이내로, 온도를 2도 이내로 측정이 가능하다. 50mW의 전력을 소모한다.
같은 대학에서 precision bridge transducer와 ADC도 발표되었다. 21b의 read-out IC(ROIC)는 40mW의 풀스케일을 갖는다. 다이나믹 엘리먼트 메칭을 이용하여 5ppm의 INL과 1.2ppm/degree의 gain draft를 달성하였다.
또한 multi-stage chopping을 통해 16.2nV/Hz에서 1mHz의 1/f noise corner를 달성하였다. 5V 공급전압에서 270uA의 전류를 소모한다.
University of Idaho에선 imaging array위에 비치는 빛을 이용해 전력을 만들어내는 implantable retinal image sensor를 발표하였다. 7.4fps video capture가 가능하고, 3.5uW의 전력을 소모한다. 10b supply-boosted SAR-ADC와 charge pump circuits은 1.2V에서 14.25uW를 소모한다. University of Michigan에선 피에조 소자를 이용해 진동에서 전력을 얻는 전력 관리 회로를 발표하였다. 69Hz, 0.3G의 진동으로 15분 이내에 0~1.25V로 reservoir를 충전할 수 있다.
동경대학에선 95mV의 매우 작은 전압에서 외부 클락 없이 0.9V까지 승압 할 수 있는 전원 회로를 발표하였다. 전원 변환 효율은 72%이다. NEC에선 가정 내 기기의 실시간 전류 파형을 센싱 할 수 있는 칩을 발표하였다. 전력 공급이나 소비 전력 모니터링과 그 결과의 송신 기능을 하나의 칩으로 통합하였다. AC 전력선에서 전력을 수집하여 외부 전지를 필요로 하지 않는다.
결론2011년 2월 샌프란시스코에서 열린 ISSCC는 그 어느 때보다 열기가 뜨거웠다. 최근 2, 3년간 경기 침체의 여파로 학회에 참석하는 인원이 줄어드는 추세였는데, 올해는 다시 예전의 모습과 분위기를 회복해가는 느낌이다. 또한, 새로운 융합 연구에 대한 세션이 점점 늘어나면서 이에 대한 청중들의 갈망이 확연했다.
전자 회로의 가장 기본이 되는 아날로그 회로 설계 기술에서 시작하여 이를 기반으로 한 고속 회로의 설계 및 응용, 디지털 회로 설계 기술을 아날로그 회로 설계 기술과 접목한 믹스 모드 회로 설계 기술, 그리고 RF 회로 기술을 이용한 유무선 통신 회로 기술 등이 기존 학회에서부터 이어져 온 큰 흐름이라면, 요 몇 년 전부터 미약하게 시작해왔던 에너지, 헬스케어, 바이오메디컬 디바이스 관련 분야들은 작년부터 시작해 학회의 큰 테마로 자리 잡았다.
Amplifiers, ADC, DAC 등의 전통적인 회로 설계 기술의 발달이 어떻게 메디컬 디바이스, 바이오센서, 에너지 하베스팅 등의 이머징 기술에 적용되어 기존의 시스템을 개선할 수 있는지를 잘 보여주었고, 앞으로 새로운 디바이스 들은 어떤 형태를 띌 수 있을 것인가에 대한 보다 확실한 비전을 제시해 주었다. (필자의 의견으로는 주변으로부터 에너지를 공급받아 필요한 전력을 만들고, 이를 이용해 센서를 구동하고 정보를 파악하며 이를 무선으로 외부의 기기에 전달하는 휴대형 혹은 침습형 디바이스의 개발이 주류를 이룰 것이라 생각된다.)
인류의 건강과 행복을 위하여 반도체 회로 기술이 적용될 수 있는 분야가 어마어마하게 많고, 또 더 늘어날 것이라는 것이 더욱 분명해졌다.
앞으로 더 많은 의료 관련 서비스들을 나노 반도체 기술을 통해 인류에게 더 가까이 다가갈 수 있게 해 줄 것이다. 인체의 각 부위에 실시간 진단을 위한 칩들이 내장되고, 스마트 폰과 같은 일상 생활용 IT기기를 통해 제어 및 통신을 할 수 있게 될 날들이 정말 멀지 않았음을 새삼 느낄 수 있었다.
앞으로의 ISSCC는 다가올 미래에 인간의 삶을 풍요롭게 해 줄 전자 기기들의 면면을 미리 들여다 볼 수 있는 좋은 기회가 되지 않을까 생각된다. 그리고 미국과 유럽뿐 만 아니라 아시아, 특히 한국에서도 인류의 삶의 질 향상에 도움이 되는 의료 진단 관련 칩 및 시스템이 ISSCC에서 발표되길 바란다.
ReferenceAnantha Chandrakasan MIT-Jan van der Spiegel(University of Pennsylvania), -Bill Bowhill(Intel Corp.), -Chorng-Kuang Wang(National Taiwan University), -Albert Theuwissen(Harvest Imaging/Delft University of Technology)-Takayuki Kawahara(Hitachi, Ltd.), -Wanda Gass(Texas Instruments Inc.), -Hoi-Jun Yoo(KAIST), -Makoto Ikeda(University of Tokyo),-Bryan Ackland(NoblePeak Vision),-Quiting Huang(ETH-Zurich), -Laura Fujino(University of Toronto), -Bram Nauta(University of Twente), -Arano Parssinen(Nokia Corporation), -Kenneth C. Smith(University of Toronto)-Willy Sansen(K.U.Leuven-ESAT MICAS), -James Goodman(Kluless Technologies), -Siva Narendra(Tyfone Inc), -Melissa Widerkehr(Widerkehr and Associates)-Donhee Ham(Harvard University), -Gyuhyung Cho(KAIST), -Jaeyoon Sim(POSTECH), -Seonghwan Cho(KAIST), -Changsik Yoo(Hanyang Univeristy), -Ohkyung Kwon(Hanyang University)-Aaron Partridge(SiTime), -Uming Ko(Texas Instruments), -Eric Colinet(CEA-LETI), -Jan Crols(AnSem), -Sam Kavusi(Bosch Research and Technology Center),-Young-Sun Na(LG Electronics), -Taizo Yamawaki(Renesas Electronics), -Francesco Svelto(Universita degli Studi di Pavia), -Christoph Hagleitner(IBM Research)
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