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WE DO/인사이드

차량용 메모리 반도체, 자동차 산업 중심에 서다

2020.08.07|by SK하이닉스 Automotive 사업 심대용 담당

 

자동차 산업이 전통적인 개념에서 벗어나 끊임없이 발전을 거듭하며 혁명기에 접어들고 있다. ADAS(Advanced Driver Assistance System)1), IVI(In-Vehicle Infotainment)2), 다중 카메라 비전 처리(Multi-Vision Processing) 및 자율주행 기술이 도입되면서 초고속 컴퓨팅 처리 능력은 현시대 자동차 산업의 필수 요건이 됐다.

21세기 자동차는 19세기부터 지금까지 사용되고 있는 전통적인 내연기관 자동차와 20세기에 개발된 전기 시스템이 결합돼, 대규모 디지털 혁신을 겪고 있다. 오늘날과 미래의 자동차는 ‘C.A.S.E Revolution’이라 불리며 △연결성(Connectivity) △자율주행(Autonomy) △공유(Sharing) △전기화(Electrification)라는 키워드를 중심으로 혁신을 거듭하고 있다.

C.A.S.E Revolution은 차량 내·외부의 통합 시스템뿐 아니라 복잡하면서도 효율적인 상호 연결성이 특징이다. 자동차 전자 장치의 발전으로 인해 인포테인먼트 시스템, 수명이 긴 배터리, 초고속 5G 네트워크의 사용이 증가하면서 고용량 메모리의 필요성이 대두됐다. 이에 따라 전 세계 자동차 시장에서 D램과 NAND 솔루션에 대한 수요 역시 증가하고 있다.

1) 첨단 운전자 지원 시스템. 운전 중 발생할 수 있는 수많은 상황 가운데 일부를 차량 스스로 인지하고 상황을 판단, 기계장치를 제어하는 기술을 말한다. 복잡한 차량 제어 프로세스에서 운전자를 돕고 보완하며, 궁극으로는 자율주행 기술을 완성하기 위해 개발됐다.
2) 차량용 인포테인먼트. 차 안에서 즐길 수 있는 엔터테인먼트(entertainment)와 정보(information) 시스템을 총칭하는 용어로, 영화·게임·TV·SNS 등과 같은 엔터테인먼트 기능과 내비게이션, 모바일 기기가 연동된 다양한 서비스를 제공하는 기기 또는 기술을 의미한다.

 

미래의 자동차를 움직이는 차세대 차량용 메모리 반도체

전기자동차와 하이브리드 차량이 급증함에 따라 ADAS, GIC(Graphic Instrument Cluster, 디지털 그래픽 기반 계기판), 인포테인먼트 시스템 및 완전 자율주행 솔루션 등의 기술이 도입되고 있다. 이러한 기술에는 센서에서 신호를 받아 처리하고 제어 명령을 액추에이터(Actuator)3) 로 보내 실행하는 데 사용되는 자동차 컴퓨터 컨트롤러인 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Units)가 필요하다.

3) 처리된 신호에 대응해 동작하는 장치로, 센서에 의해 전달된 정보를 파악하고 특정 장치를 제어하는 역할을 한다.

모듈형 아키텍처와 같은 전통적인 자동차 전장부품(E/E, Electrical/Electronic)에서 분산된 각각의 ECU는 단일 기능을 독립적으로 수행한다. 최근 출시되는 자동차는 수많은 전자식 기능을 포함하고 있는 만큼 차량 내 탑재되는 ECU 수 또한 증가하는 추세다. 중저가형 자동차의 경우 약 30개, 최고급 사양의 자동차에는 100개까지 탑재된다. 이에 따라 동력전달장치(Powertrain), ADAS, 차체(Body) 그리고 IVI와 같은 네 가지 주요 영역에서 비용 절감과 전력 효율성 향상을 위해 차량 통합 플랫폼 및 기능적 중앙 집중화와 같은 통합 ECU 컨트롤러가 도입되고 있다.

특히 최근 자율주행 레벨4)이 발전하고 IVI 콘텐츠가 다양해짐에 따라, 처리해야 할 데이터의 양이 급증하고 있다. 여러 기능들이 복합적으로 동시에 작동하고, 기능간 네트워크 역시 다양한 형태로 연결돼 있기 때문이다.

4) 자율주행자동차의 발달 수준으로 레벨 0부터 레벨 5까지 6단계로 구분한다.
 0단계- 자율주행 기능없는 일반차량
 1단계- 자동브레이크, 자동속도조절 등 운전 보조기능
 2단계- 부분자율주행, 운전자의 상시 감독 필요
 3단계- 조건부 자율주행, 자동차가 안전기능 제어, 탑승자 제어가 필요한 경우 신호
 4단계- 고도 자율주행, 주변환경 관계없이 운전자 제어 불필요
 5단계- 완전 자율주행, 사람이 타지 않고도 움직이는 무인 주행차

ECU에 기능을 통합적으로 관리할 수 있는 중앙처리장치(Central Gateway)가 추가된 DCU(Domain Control Units, 도메인 제어 장치)는 기존 ECU 대비 비용, 무게, 소비전력이 개선된 장치다. DCU는 자율주행 차량에서 시간당 약 4TB 데이터를 처리하는 등 다중 센서 융합, 3D 로컬라이제이션과 같은 고급 기능을 구현한다. 예를 들어 자율주행 레벨 4~5 수준의 기능을 수행하기 위해서는 △최대 12개의 카메라 △최대 8M 픽셀 △60프레임/초 △16색깊이(bit depth)5) 등을 갖춘 비전 처리(Vision Processing) 기술이 필요한데, 이때 데이터 스트리밍 속도는 10GB/s에 도달한다.

5) 비트맵 이미지나 비디오 프레임 버퍼에서 하나의 화소의 색을 지시하기 위해 사용되는 비트 수 또는 하나의 픽셀의 각 색요소를 위해 사용되는 비트 수를 말한다.

본래 모바일용으로 설계된 LPDDR4나 LPDDR5를 자동차에 탑재하기 위해서는 더욱더 까다로운 인증 기준을 만족시켜야 한다. 특히 정교해진 내비게이션 이미지와 조정석의 제어 영역을 관리하기 위해 더 큰 디스플레이가 요구되면서 미래 자동차에 맞춤화된 LPDDR5의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 나아가 이전 IVI에서 파생된 내장 카메라를 사용한 디지털 클러스터, 전·후면 센서, 드라이버 모니터링 시스템에도 LPDDR5의 기능이 요구된다.

컴퓨팅 및 통신 성능이 향상될 경우 전력 소모가 커져, 최소 4kW 이상의 전력이 더 필요하다. 하지만 내부 연소 엔진(ICE, Internal Combustion Engine)에 대한 CO2 배출 규정과 배터리 전기 차량(BEV, Battery Electric Vehicles)에 대한 기준이 강화됨에 따라 소비전력이 제한되므로, 미래의 전장부품 아키텍처와 자동차 메모리에는 더 높은 에너지 효율이 요구된다. 따라서 차세대 자동차 메모리는 대역폭, 대기시간, 전력 및 용량 측면에서 한계를 뛰어넘어야 한다.

한편, 대용량 NAND 메모리 모듈 역시 자동차 응용 프로그램과 시스템에서 중요한 역할을 수행한다. 주행 중 사고가 발생했을 때, 실시간으로 특정 센서의 데이터를 캡처해 메모리에 영구 저장하는 것이 중요하기 때문. 마찬가지로 ADAS는 자동차나 다른 장애물과 같은 잠재적인 위험에 운전자의 주의를 환기시켜야 한다.

자율주행기능은 다양한 역할을 수행한다. 전조등을 자동으로 켜거나 주행속도를 조절하고, 비상 제동을 시작하거나 GPS 및 교통 라디오에서 경고를 전송하기도 한다. 차량을 스마트폰에 연결하거나 운전자에게 주변 차량에 대해 경고하고, 차선을 유지하거나 사각지대를 모니터링하는 것도 적응형 기능의 역할이다. 또한, 인포테인먼트 시스템은 정전 시 데이터가 손실되지 않게 즉시 저장하도록 설정돼야 한다. GIC와 인포테인먼트 시스템 모두 고품질 그래픽으로 작동돼 많은 양의 데이터를 저장하고 처리할 수 있어야 한다. 이 모든 기능에는 NAND 메모리와 같은 비휘발성 메모리가 사용된다.

 

자동차 산업에서 SK하이닉스의 역할

자동차 산업이 단순히 차량에 전자장치를 탑재하는 것을 넘어 자율주행자동차가 개발되고 상용화하는 방향으로 빠르게 발전함에 따라, 자동차 제조사와 반도체 업체들은 서로 힘을 모으고 있다.

특히 자동차에 탑재되는 메모리 반도체는 탑승자 안전을 위해 예측 가능한 안정성과 우수한 품질을 보장해야 한다. SK하이닉스는 이러한 시장 특성을 고려해 최고의 성능과 우수한 품질을 끊임없이 추구하고 있으며, 그 결과 SK하이닉스는 올해 자동차용 반도체 시장에서 큰 성과를 거두고 있다.

SK하이닉스는 고품질 자동차 메모리 솔루션 제공을 위해 AEC-Q1006) 기준을 충족하는 제품 생산을 위해 노력하고 있다. 또한, 연구개발(R&D) 시 설계 단계부터 제조에 이르기까지 자동차품질경영시스템(IATF16949)7) 기반의 표준 프로세스를 구축하기 위해 노력을 기울이고 있다. 또한, 프로세스 품질 측정을 위한 프레임워크인 ASPICE8), 자동차 기능 안전성 국제 표준(ISO 26262)9) 등 이 분야에서 요구되는 인증과 자격을 얻기 위한 모든 기준을 충족하고자 총력을 다하고 있다.

6) 자동차전자부품협회(Automotive Electronic Council)에서 인증하는 자동차용 반도체 신뢰성 시험 규격을 말한다.
7) 국제자동차전담기구인 IATF(International Automotive Task Force)와 ISO/TC 176이 기존의 개별적인 자동차품질경영시스템 표준을 통합해 제정한 표준을 말한다.
8) 완성차 업체에 부품을 공급하는 공급업체의 능력을 평가하고, 평가 결과를 공식적으로 등급화하여 공급업체의 품질 능력향상을 목적으로 하는 표준(Automotive Software Performance Improvement and Capability Determination)을 말한다.
9) 차량용 소프트웨어의 품질 관리 기준인 IEC 61508 표준을 기반으로 하며, 차량에 탑재되는 소프트웨어의 오류로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 ISO에서 제정한 기능 안전 규격을 말한다.

이러한 자동차 산업 표준을 획득하는 것은 제품 수명 주기(Life Cycle) 전반에 걸쳐 이해관계자와 더 명확한 커뮤니케이션을 할 수 있도록 보장해준다. 제품 설계자, 엔지니어, 테스트 담당자가 자신감을 갖고 개발할 수 있게 도와주고 더 안전한 차량을 안정적으로 공급할 수 있게 도와주기 때문. 표준을 준수함으로써 품질과 효율성을 향상시키고 불량률을 낮춰 제품의 신뢰성도 높일 수 있다.

현재 SK하이닉스는 ECC10) , BIST11) , CRC12) 기술을 비롯해 내열성이 우수하고 오류 수정이 가능한 비트셀(bit-cell)13)을 개발 중이다. 이러한 기능들을 D램 내부뿐 아니라 D램 인터페이스에도 적용해 자동차용 메모리의 오류 발생 가능성을 낮추도록 한다.

10) Error Correction Code. 작업 수행 중 발생할 수 있는 오류를 검출하고 수정할 수 있는 메모리 반도체를 말한다.
11) Built-In Self-Test. 주 논리 회로의 동작이 적절한지를 시험하기 위해 이를 위한 부가적 논리 회로를 함께 설계하는 기술을 말한다.
12) Cyclic Redundancy Check. 데이터 전송 과정에서 오류를 검사하는 방식 중 하나로, 블록(Block) 혹은 프레임(Frame)마다에 여유 부호를 붙여 전송하고, 그것에 따라서 전송 내용이 정확한지 여부를 조사한다.
13) 하나의 단일 비트가 기록되는 자기 테이프의 길이, 디스크 표면의 면적, 또는 집적 회로의 일부이다. 하나의 2진수를 나타내는, 테이프나 디스크 위의 자화된 영역을 말한다.

또한, 고성능 사양을 구현하기 위해 차량용 UFS(Universal Flash Memory)14)에 PUC(Peri Under Cell)15) 기술이 적용된 TLC(Triple-Level-Cell)16) 4D NAND를 적용했다. 이 제품은 eMMC(Embedded Multi-Media Card)17) 5.1 인터페이스보다 빠른 랜덤 쓰기 및 읽기 속도를 자랑하며, 차량 내 인포테인먼트 시스템 및 계측기 클러스터의 성능을 향상시킨다.

14) 초고속 부팅 기능과 자동차 등급의 안정성이 필요한, 고급 자동차 시스템에 적합한 고성능 스토리지 인터페이스를 말한다.
15) 셀(Cell) 작동을 관장하는 주변부 회로인 페리(Peri)를 데이터 저장 영역인 셀 아래에 배치하는 기술로, 공간 효율을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.
16) 낸드 플래시 메모리의 데이터 저장 방식 중 하나로, 하나의 셀(Cell)에 3비트의 정보를 담을 수 있는 기술을 말한다.
17) 데이터를 고속 처리하기 위해 모바일 기기에 내장하는 메모리 반도체로, 컨트롤러와 낸드플래시 메모리가 패키지로 통합돼 제품에 내장돼 있다.

▲20나노급 8Gb LPDDR4

SK하이닉스는 SK그룹 관계사인 SK텔레콤, SK이노베이션과 함께 e-모빌리티 산업 혁명을 이끌며 친환경 반도체 기술로 경제적/사회적 가치 창출에 기여할 전망이다. 특히 SK하이닉스의 고품질 자동차용 메모리 제품은 전 세계 운전자에게 편의를 제공하며 새로운 e-모빌리티 시대를 앞당길 것으로 기대된다.