Nikkei Electronics_2019.4 특집 요약 (p16-37)

5G 스마트폰 진화론
‘MWC 2019’에서 가시화된 미래도

● 5G 시대 도래
속도 100배, 지연 1/10로 ‘스마트폰 졸업 제1장’

• 디스플레이: 접이식으로 대 화면 화의 한계 돌파
고속화로 인해 대량의 데이터를 표시할 수 있게 되었다. 한 손에 들 수 있는 사이즈라는 제약을 접이식 구조로 돌파한다.

• 프로세서: AI엔진 탑재, 처리 다양화
저지연으로 서버에 액세스할 수 있기 때문에 AI(인공지능) 처리를 손쉽게 이용할 수 있다.

• 무선부: 밀리파 대응으로 안테나 일체 부품이 진화
전송 손실을 억제하기 위해 안테나와 회로를 일체화한 모듈이 표준이 된다.

• 센서: 안전성을 높이는 인증 다중화
기존에 비해 보안 기술의 중요성이 커지면서 단말 인증에 얼굴이나 지문 등 복수의 요소를 조합하는 가능성도 나오기 시작하였다.

제1부 임팩트
모든 업계에 침투, 산업분야의 질서를 파괴

2019년, 드디어 5G 스마트폰이 시장에 등장한다. 유저는 수 Gbit/s의 고속 데이터 서비스를 누릴 수 있게 된다. 그러나 5G시대에 스마트폰은 리치 콘텐츠(동영상이나 음성 등을 이용한 표현력 풍부한 콘텐츠)를 제공하는 역할에 그치지 않는다. 사람이나 기계에 녹아들어 협조하면서 일하는 ‘스마트폰’으로 변신한다. 5G가 모바일 기기의 역사에 기록하는 것은 ‘스마트폰 졸업 제1장’이다.

2019년 2월, 스페인 바르셀로나에서 열린 모바일 이벤트 ‘MWC2019 바르셀로나’. 관심을 끈 전시 중 하나가 카타르의 통신사업자 Ooredoo의 부스다. 2인승 소형 헬리콥터의 ‘시승’을 기다리는 사람들로 가득했다. 우레두는 자신이 제공하는 고속∙저지연의 5G망을 사용, 지상 조종실에서 원격 조작으로 헬리콥터를 비행시키는 ‘하늘 나는 택시’ 서비스를 수년 내에 제공한다. 부스에서는 이 서비스를 VR(가상현실)로 승객의 입장에서 체험할 수 있도록 하였다. 실용화할 때는 파일럿 대신에 승객을 태울 수 있어 요금을 억제할 수 있다. 5G가 하늘의 모빌리티 서비스를 더 친숙하게 만들 것으로 기대하고 있다.

독일 BMW 부스의 컨셉트EV(전기자동차) ‘Vision iNEXT’는 승객의 시선이나 행동, 말을 이해한다. 예를 들면 승객이 운전 중에 관심을 보인 시설이나 레스토랑에 관한 정보를 인터넷 클라우드 서버에서 찾아내 전달한다. 이러한 자연스러운 커뮤니케이션에 의한 신규 서비스 실현에는 서버의 정보를 즉시 전달하는 것이 중요하다. 저지연에 잘 끊기지 않는 5G가 필요하다.

MWC에서는 AR(증강현실)/VR 헤드셋도 다수 전시되었다. 이것 역시 유저의 머리의 움직임에 맞춰서 영상이나 정보를 경신한다. 엔터테인먼트나 업무 등 폭넓은 분야에서 새로운 서비스의 창출을 기대할 수 있다.

-- 스마트폰의 시대, 종언의 시작 --
5G는 사람이나 기계의 움직임과 관계된 ‘리얼’한 서비스를 포함하는 다양한 분야에서 새로운 산업을 창출할 수 있다. 이에 대해 1G는 음성 서비스, 2G는 메시지, 3G는 사진, 4G는 동영상 전달을 쉽게 만들었다. 그러나 이들은 기존의 콘텐츠 서비스의 파이프를 유선에서 무선으로 대체한 것에 불과하다. 애플의 ‘iPhone’은 단말의 주요 역할을 전화기에서 컴퓨터로 바꾼 혁명이라고 말하지만 주요 서비스는 인터넷 속, 즉 사이버 세계에 있다.

4G까지와 비교하면, 5G의 새로운 가능성이 스마트폰에 탑재되어 있는 전화기나 컴퓨터에는 없는 것을 알 수 있다. 사람이나 기기와 관계된 서비스 단말로서 융화되어 본래의 힘을 발휘한다. 5G의 도래는 스마트폰이 주역의 자리를 내주는 시대의 시작이라고 할 수 있다.

-- 그래도 스마트폰은 하드 기반의 중핵 --
그러나 이 ‘스마트폰 졸업’ 시대를 일으키는 5G 기반이 될 수 있는 하드웨어는 당분간은 스마트폰으로 집약될 가능성이 높다.

오사카대학 전지전자정보공학 산페이(三瓶) 교수는 “실은 5G는 주로 소프트웨어 처리로 실현할 수 있도록 규격화 단계부터 설계되어 있었다”라고 말한다. 소프트웨어 처리를 담당하는 것은 범용 프로세서이며 기기업체 사이에 큰 차이는 없다.

그러나 안테나나 그 주변의 RF(무선주파) 회로 등 소프트웨어로 처리하지 못하는 부분은 남는다. 이들은 5G 전용품이 된다. 5G 관련 기기로 가능한 한 사양을 공통화하여 양산하면 비용 경쟁력을 발휘할 수 있다. 양산 효과를 발휘할 수 있는 기기가, 연간 십 수 억대 규모의 스마트폰이다.

일본에서 19년 10월에 이동전화 서비스를 새롭게 시작하는 라쿠텐모바일네트워크는 이러한 발상으로 5G를 대응하고 있다. 20년에 제공 예정인 5G 서비스에서는 EC(전자상거래)에 사용하고 있는 미국 인텔의 범용 서버를 소프트웨어 처리에 활용하고, 하드웨어에는 스마트폰 기술을 전용할 생각이다. 다른 사업자와 비교해 설비투자액을 대폭으로 삭감할 수 있다고 주장하는 이유가 여기에 있다. “기지국용 하드웨어를 여러 개 비교해도 (가격 시세는) 변함없다. 전혀 다른 하드웨어를 검토하지 않으면 설비투자액은 억제할 수 없다”(라쿠텐모바일네트워크 야마다(山田) 사장)

-- 퀄컴이 전개하는 승자 독식 --
라쿠텐모바일네트워크에 스마트폰용 기술에 기초한 하드웨어를 제공하는 것은 무선통신 IC기업인 미국 퀄컴이다. 퀄컴은 5G로 인해 응용 범위가 크게 확대될 것으로 보고 있다. 통신기기 외에 컴퓨터, AR/VR 헤드셋, 자동차, IoT(사물인터넷) 기기 등이다. 실제로 퀄컴은 5G에 대응하는 스마트폰용 반도체뿐 아니라 컴퓨터나 자동차용에도 5G 대응의 반도체를 개발하고 있다. 퀄컴의 목적은 스마트폰용으로 대량 생산하는 반도체나 설계 자산을 다른 다양한 응용기기로 전개하는 것이다. 컴퓨터용은 영국 Arm의 프로세서 코어 ‘ARM’이나 5G 스마트폰용 모뎀 등 주요 회로에 의한 개발 기반이다. 자동차용은 스마트폰용과 같은 5G 주요 회로와 자동차용으로 커스터마이즈한 프로세서에 의한 개발 기반이다.

퀄컴은 5G를 중핵으로 하는 응용 전개로 새로운 분야의 반도체 시장의 독식도 노린다. 그 배경으로 10nm세대 이후의 미세화로 인해 5G의 주요 회로(모뎀 등)와 프로세서를 동일 칩에 집적 가능하게 된 것을 들 수 있다. 자사의 5G 칩을 컴퓨터의 인텔 프로세서 등 기존의 응용기기에서 강한 반도체와 조합하는 전략은 취하지 않는다. 컴퓨터 업체에는 5G 대응을 계기로 인텔의 프로세서에서 갈아타는 것을 제안한다. 이처럼 5G는 반도체업체의 경쟁 관계를 다른 응용기기 사이의 경쟁으로 모습을 바꾸고 있다. 그리고 승자는 여러 시장을 독식할 수 있는 가능성도 있다.

-- 화웨이는 내제화로 퀄컴과 경쟁 --
5G는 ‘화웨이 문제’로 상징되는 미중 무역 마찰에서 화제의 중심이 되었다. 5G야말로 폭넓은 업계에서 새로운 서비스의 기반이 될 것으로 관계자들이 판단하고 있음에 틀림없다.

중국 화웨이는 가격 대비 성능에 뛰어난 통신기기로 시장에 널리 확산되어 있다. 5G 시장에서도 기존 업체를 압도해 나갈 기세다. 이 때문에 IT 업계를 좌우하고 있는 미국 정부나 산업계에는 차세대 산업의 근간을 중국 기업에게 빼앗길지도 모른다는 공포감이 있다.

미국 측에서 5G의 근간을 쥐고 있는 것은 퀄컴이다. 미중 무역 마찰은 5G를 축으로 보면 ‘퀄컴 대 화웨이’가 된다.

-- 퀄컴을 꺾은 애플은 5G에서 지연 --
퀄컴과 화웨이의 대립은 1대 1의 단순한 대립이 아니다. 애플, 인텔, 한국 삼성전자 등 관련 기업의 인해 관계로 복잡하게 변화한다. 그러나 현재로서는 퀄컴이 개발과 사업 전략에서 앞서고 있다.

MWC에서 퀄컴이 적극적으로 어필했던 말은 ‘5G ONLY ON android’다. 5G 대응 스마트폰을 개발할 수 있는 것은 퀄컴이 칩을 제공하고 있는 ‘안드로이드 기기 뿐’이라는 의미다.

컴퓨터용 프로세서 시장에서는 강력한 기술력을 보유한 인텔이지만 양산 시기에서는 열세에 있다. 애플이 공개한 5G 칩의 출하 대수를 보면, 애플이 5G 대응 기기를 출하는 것은 2020년으로 보인다. 한편 퀄컴은 5G 칩 개발에서 일찍부터 제2세대 제품을 개발하고 있으며 이를 탑재하는 5G 스마트폰은 19년 중반에 등장할 전망이다.

-- 미중 대립에서 관건은 삼성 --
하지만 5G 관련 기업을 둘러싼 복잡한 대립 관계는 시시각각 변하고 있다. 퀄컴이 스마트폰 시장에서 큰 고객을 잃을 가능성도 있다. 그렇게 되면 스마트폰 시장에서 5G 칩의 양산 효과를 얻기 어려워진다.

실제 화웨이는 안드로이드 기기에 퀄컴의 칩을 탑재하는 퀄컴의 거대 고객이었다. 그러나 화웨이는 스마트폰용 칩의 내제화를 추진하면서 퀄컴의 칩을 탑재하지 않게 되었다. 미중 무역 마찰을 거치면서 양사는 확실하게 경쟁 관계가 되었다. 게다가 내제 칩을 탑재한 스마트폰을 시장에 출시하는 시기는, 퀄컴 칩 탑재 기기와 같은 19년 중반이 예정이다.

거대 스마트폰 생산 기업인 삼성은 퀄컴의 큰 고객이다. 한편, 직접 5G 칩을 개발하고 있다. 모뎀과 RF칩도 이미 개발하였다. 퀄컴이 삼성마저도 잃는다면 5G 스마트폰용 칩 시장에서 화웨이가 우위에 설 가능성이 있다.

제2부 부품 등의 진화
민생의 비용 압력이 지배, 핵심은 고집적 RF칩

5G 스마트폰을 구성하는 주요 디바이스에서 지금까지와 크게 바뀌는 것이 RF(무선주파) 부품이다. 트랜시버 IC나 RF 프런트앤드, 안테나 등이다. 스마트폰용에서 실적이 있는 대형 업체는 CMOS화와 고집적화로 비용 경쟁력을 더욱 강화하였다. 한편, 회로의 규모를 줄여 비용을 저감하는 기술도 나왔다.

5G 이후, 스마트폰 기술은 모든 분야로 침투해 나갈 것이다. 상징적인 기기는 기지국이다. 처음에는 기지국 전용 기술도 채용될 전망이지만 보급이 진행되면 비용 경쟁력이 있는 스마트폰 기술이 우위에 설 가능성이 높다.

5G의 경우, 지금까지와 비교해 스마트폰과 기지국에 요구되는 사양의 차이가 좁아진다. 스마트폰에서 기지국으로 보내는 업로드 회선과 다운로드 회선의 데이터 전송 속도가 모두 Gbit/s로 고속이다. 4G까지는 데이터를 다운로드 하는 응용을 생각해 다운로드가 빠르다. 스마트폰은 수신을, 기지국은 발신을 중시하고 있어 쌍방에 큰 차이가 있다.

5G의 경우도 기지국은 다수의 스마트폰을 상대하기 때문에 부하는 크다. 그러나 10대의 스마트폰과 통신하는 기지국에는 10대의 스마트폰에 상당하는 능력이 있으면 좋다. 스마트폰의 하드웨어를 10개 탑재하면 동등하다고 할 수 있다.

사업자 입장에서도 기지국의 ‘스마트폰화’는 좋은 것이다. 5G의 기지국 커버 범위가 좁아지면 보다 많은 기지국을 설치할 필요가 있다. 기존과 같은 기지국을 설치할 경우 설비투자가 늘어나 채산이 맞지 않는다. 연간 10수억 대 규모의 시장이 이미 존재하고, 처음부터 대량 생산되는 스마트폰용 기술을 사용하면 압도적인 비용 경쟁력을 전망할 수 있다. 실제로 국내 제4의 통신사업자로서 19년 10월에 서비스를 시작하는 라쿠텐모바일네트워크가 싼 설비투자로 5G를 도입할 수 있는 이유에는 스마트폰 기술의 전용이 있다.

유저 단말 측과 기지국 측의 쌍방에 들어가는 스마트폰은 그 비용 경쟁력을 강점으로 다양한 분야에서 ‘파괴와 창조’를 야기할 것이다. 그 의미에서 5G 스마트폰 기술은 지금까지와 같은 커스텀 사양의 산업용 통신기기 시장을 일소할 가능성이 있다.

-- 퀄컴이 단말과 기지국의 공용 칩 --
스마트폰을 기지국에 전개할 수 있다는 것을 구체적으로 제시하고 있는 것은 퀄컴이다. 기지국용과 스마트폰용의 RFIC를 공통화하는 기술의 일환을 18년 2월에 반도체 회로 국제학회인 ‘2018 ISSCC(International Solid State Circuits Conference)’에서 밝혔다. 이 학회에 참가한 연구자는 ‘발표를 들은 통신기기업체 관계자들 사이에서 동요가 일었다”라고 말한다.

퀄컴이 발표한 IC는, 28Ghz대역용 트랜시버(송수신회로)를 24채널 집적한 RF 칩이다. 각 채널에 송신용 파워앰프와 수신용 LAN(저잡음 앰프), 신호 위상을 바꾸는 위상 시프터 등을 집적하고 있다. 무선주파수(RF) 측은 안테나 소자에 접속하고, 중간주파수(IF) 측은 모뎀에 접속한다. 5G의 경우, 단말에서 수~10수, 기지국에서 수백~1000수백의 안테나 소자를 나열하여 Massive MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)라고 부르는 구성이 일반적이다.

안테나 소자가 적은 스마트폰에는 예를 들면 1~2개의 RFIC와 소수의 안테나 소자를 탑재한 기판과 조합한다. 기지국에는 예를 들면 10~20개의 RFIC와 안테나 기판과 조합한다. RFIC를 모듈러 구조로서 스마트폰과 기지국의 쌍방에 사용하는 발상이다.

28nm 세대의 Si CMOS 프로세스로 제조한다. SiGe나 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용하는 것보다 저비용화를 기대할 수 있다. 스마트폰과 기지국용을 공통화하는 것은 (비용이 커지는) 커스텀화를 피할 수 있다. 퀄컴의 철저한 비용 지향은 5G 스마트폰이나 기지국의 극심한 가격 경쟁을 예상하기 때문일 것이다.

스마트폰과 기지국을 공용화하는 발상은, 기존의 통신기기 시장에서 가격 대비 높은 성능으로 시장 점유율을 늘리고 있는 중국 화웨이에도 있다. CPE(Customer Provider Edge)라는 유저가 설치하는 무선 루터에 화웨이의 모뎀을 탑재한다. CPE는 기지국은 아니지만 아주 유사한 구성으로 기지국을 개발할 수 있다. 같은 모뎀이나 동일 IP코어를 기지국에 전용하는 것이 가능하다.

-- 민생 제품의 저비용화 경쟁 --
5G 디바이스의 비용 저감에는 2개의 흐름이 있다. (1)디지털 회로가 주체인 IC의 첨단 프로세스에 의한 고집적화와 (2)RF부의 모듈화다.

(1)에서는 10nm 등의 첨단 프로세스를 사용하여 AI 처리나 이미지 처리 등을 실행하는 어플리케이션 프로세서와, 무선통신용 디지털 신호 처리를 담당하는 모뎀을 1칩화한다. 여기에는 서브6(6GHz 미만의 주파수대)의 트랜시버도 채용한다. 첨단 프로세스에 의한 아날로그 CMOS 기술로, 수 GHz대역폭의 서브6의 RF 신호를 디지털 신호로 변환하는 A-D변환기를 내장한다. 여기서 중요한 것은 5G 스마트폰 칩이라면 방대한 설계 개발비를 회수할 만큼의 매출을 전망할 수 있다는 것이다. 설계나 제조에는 그 나름대로의 기술은 필요하지만 돈이나 인력으로 대처할 수 있다.

한편 (2)에서는, 서브6의 파워 앰프나 LNA, 안테나, 밀리파의 IF부부터 안테나까지를 모듈화한다. 특히 밀리파를 저손실로 전송하기 위한 재료 기술, 고효율의 파워앰프 기술, 고 S/N(신호 대비 잡음)의 LNA 기술이 중요하다. 재료 등 다채로운 분야의 ‘장인’에 의한 종합적인 기술이 요구된다.

-- RF 디바이스가 화웨이의 아킬레스건? --
주요 기기∙반도체 업체는 모두 5G 칩 개발에 착수하고 있다. 중에서도 퀄컴은 스마트폰 구성에 필요한 모든 요소를 그룹 회사를 포함하여 전개한다. 현재 퀄컴의 강점은 RF 프런트엔드까지 전재하고 있다는 점이다.

“화웨이가 무라타제작소 등에 스마트폰용 전자 부품 공급의 확대를 요구하였다”. 19년 3월 6일자 일본경제신문(전자판)은, 스마트폰용 반도체의 내제화를 추진하는 화웨이의 아킬레스건은 의외의 부품이었다는 사실을 공개하였다. 화웨이는 어플리케이션 프로세서 ‘Kirin’이나 모뎀 ‘Balong’은 각각 산하의 반도체 회사에서 개발하고 있으며, 19년 중반에 발매하는 5G 스마트폰에 탑재한다. 그러나 RF 프런트엔드 부품은 내제하고 있지 않기 때문에 외부에서 조달하지 않으면 안 된다. “(5G 대응 모뎀에는) 표준적인 인터페이스를 구비, RF 프런트엔드 부품의 종류를 한정하지 않는다”(화웨이). 타사 제품의 이용을 전제로 한 설계인 것이다.

-- 인텔은 RF을 직접 A-D 변환 --
-- 송수신 회로의 공통화로 칩 면적 삭감 --
-- 복수 대역을 통합하여 A-D 변환 --
-- 복수 대역을 커버하는 앰프, 고효율로 --
-- MIMO의 A-D 변환기를 삭감 --
-- 무라타제작소는 모듈에서 실적 --
-- 저손실 재료에서 경쟁 --
-- 주파수는 동적 할당으로 --

 -- 끝 --