일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
배터리가 필요 없는 마이크로 컴퓨터
초 저전력, 사람의 움직임이나 바람으로도 작동

-- 르네사스, AI 응용도 --
충전할 필요가 없는 심전계나 토양 센서를 만들 수 있다---. 반도체 대기업인 르네사스 일렉트로닉스는 센서를 장착한 사람의 운동 에너지나 빛 등으로부터 발생되는 미소(微小)전력으로 움직이는 초 저전력 마이크로 컴퓨터를 개발했다. 20년 전에 연구를 시작해 경영 위기 시의 중단도 있었지만, 결국 실용화에 도달했다. 평상 시의 10분의 1이라는 배터리가 필요 없는 저 소비 전력을 무기로, 인공지능(AI)으로의 응용에도 도전한다.

11월에 독일 뮌헨에서 열린 유럽 최대급의 전자 부품 박람회 ‘일렉트로니카 (Electronica). 르네사스는 20년간 갈고 닦아 온 비장의 기술을 처음으로 선보였다. 농지의 토양 센서 및 심전계, 던진 볼의 속도를 알 수 있는 구속 측정계---. 이것이 장착된 마이크로 컴퓨터는 모두 빛이나 바람, 사람의 움직임이나 공의 힘으로 발전(發電)한 미소 전력만으로 작동한다.

핵심 기술은 개발을 완료한 지 얼마 안 된 반도체 프로세스 기술인 ‘SOTB’이다. 실리콘 웨이퍼에 두께 15나노(나노는 10억분의 1 미터)라는 얇은 산화물의 절연막 층을 형성. 쉽게 깎을 수 있기 때문에 1장의 칩 상에서 절연막이 있는 층과 없는 층을 만드는데 성공했다.

-- 2가지 특성을 1장에 --
얇은 절연막이 있는 부분에서는 반도체의 동작 전류를 높이는 불순물을 억제하는 것도 가능. 특수한 제어 기술을 사용해 대기 시의 전류도 절감할 수 있다.

반도체의 기능 중 연산을 담당하는 CPU(중앙연산처리장치) 및 일시 기억을 담당하는 RAM은 저전압으로도 동작이 가능하기 때문에 절연막을 사용한 트랜지스터로 작동하는데 안성맞춤이다. 한편, 데이터의 보존을 담당하는 플래시 메모리 및 아날로그 정보를 디지털 데이터로 변환하는 반도체는 절연막이 없는 일반적인 트랜지스터가 적합하다.

일반 반도체 칩은 절연막을 형성할 지 여부를 둘 중에서 하나만 선택해야 함으로 2가지 특성을 1장에 다 넣을 수는 없다. 그러나 SOTB를 사용하면 저 전압으로 작동하는 트랜지스터와 일반적인 트랜지스터를 1개의 칩에 혼재(混載)할 수 있기 때문에 소비 전력을 줄일 수 있다.

기존의 반도체는 회로 선의 폭을 가늘게 만들어 소비 전력을 낮춰 왔다. 가늘게 하면 할수록 동작 시의 성능이 높아져 동일한 성능을 내기 위해 필요한 전력이 작아 지기 때문이다. 그러나 회로 폭이 가늘어 지면 대기 시의 전류는 커진다. 모든 사물이 인터넷으로 연결되는 IoT는 대기 시간이 길어 지는 경향이 있으나, SOTB를 사용하면 이런 딜레마도 해소될 수 있다.

그 결과, 가전제품 및 산업기기에 사용되는 일반적인 마이크로 컴퓨터가 동작하는데 필요한 동작 전압 3볼트의 경우, 소비 전류는 1㎒당 20마이크로 암페어(㎂), 대기 전류는 150 나노 암페어로 10분의 1로 줄일 수 있게 되었다. 일반적인 마이크로 컴퓨터의 작동에 필요한 배터리 등은 불필요로, 교환해야 하는 번거로움도 없다.

전시회에서 선보인 토양 센서는 온도나 습도 등의 데이터를 SOTB에 의한 마이크로 컴퓨터가 처리해 PC에 송신한다. 항상 채광이 밝은 식물 공장 안에서라면, 빛에 의한 발전만으로 계속해서 작동할 수 있다.

-- 새로운 분야에 도전 --
방문객의 주목을 모은 심전계는 특수한 셔츠에 센서와 SOTB의 마이크로 컴퓨터를 탑재. 이것을 장착한 사람이 움직이는 동작으로 발생되는 미약한 전력으로 움직인다. 피트니스 등에서의 이용이 예상되며 그 외에도 기계의 진동이나 태양 및 지면 등으로부터 얻을 수 있는 열, 강이나 파도의 유량 등도 전원으로서 상정하고 있다.

새로운 마이크로 컴퓨터는 2019년 10월부터의 양산을 예정하고 있다. 개발을 담당하고 있는 인더스트리얼 솔루션 사업본부의 모리야(守屋) 씨는 “기존 마이크로 컴퓨터의 대체품을 노린 것이 아니다”라고 강조한다. 자칫 가격 경쟁에 빠질 수 있는 기존 시장이 아닌, “헬스케어나 농업, 인프라 관련 등 기존 마이크로 컴퓨터가 활약하지 못했던 분야를 공략하고 싶다”라고 강조한다.

또한, 앞으로는 AI로의 응용을 시야에 넣고 있다. 르네사스는 마이크로 컴퓨터로 AI를 작동하게 하는 ‘e-AI’를 제창하고 있다. 미국 인텔 및 엔비디아가 전개하는 반도체에는 계산 능력이 미치지 못하지만, 소비 전력이 낮다는 점에서 어필 할 수 있는 분야는 넓다. 실생활에 관련된 분야나 터널 및 다리와 같은 대규모 인프라까지 모든 것에 AI를 탑재하는 미래상을 그릴 수 있다.

르네사스는 동일본 지진 등으로 경영 위기에 빠져 어려운 시기가 이어졌다. SOTB의 개발도 멈췄다가 다시 시작되는 것의 반복이었다. “최초의 칩이 움직인 순간, 개발진으로부터 환호성이 터져 나왔다”(모리야 씨).

마이크로 컴퓨터의 미세화 회로로 최첨단을 달리는 르네사스이지만, SOTB는 경쟁의 축을 바꾼 또 하나의 최첨단 제품이다. 본격적인 AI 및 IoT시대를 맞이하여 앞으로의 시장 확대를 향한 잠재력에 기대가 모아 지고 있다.

 -- 끝 --