[특집-MCU] 멀티코어 MCU로 미래 준비해야

지속 발전하는 MCU의 무한도전 ①
  • 2016-09-02
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr


마이크로컨트롤러(Microcontroller 또는 MCU; Micro Controller Unit, 이하 MCU) 시장의 미래가 매우 밝은 것으로 전망되고 있다. 특히 다양한 기능을 요구하는 IoT 산업의 성장과 더불어 32비트 MCU의 사용량이 비약적으로 증가할 것으로 전망되고 있다.

마이크로컨트롤러는 1개의 칩 내에 CPU 기능은 물론이고 일정한 용량의 메모리와 입출력 제어 인터페이스 회로까지 내장한 것을 의미한다. 즉 다양한 전자 기기에 탑재되는 핵심 부품으로 프로그래밍을 통해 다양한 제어나 연산작업이 가능하다.

MCU는 마이크로프로세서(Micro processor)가 널리 사용되기 시작한 1970년대부터 등장했다. 최초의 MCU는 계산기에 탑재된 바 있는 집적 회로(ICs; Integrated Circuits)였다. 이후 부품을 더 적게 사용하는 더 나은 계산기 개발이 시도되면서 발전을 거듭해왔다. 과거의 MCU는 CPU 기능에 한정된 용량의 메모리(기본적으로 SRAM을 탑재했으며 EPROM, OTP ROM 또는 플래시 메모리를 함께 내장하는 모델도 있었다)와 인터럽트 제어기, 직렬 및 병렬 인터페이스, 카운터, 타이머 등을 내장하는 정도였다.

이어 주로 기기 제어용으로 사용됐던 것이 자동차, 가전기기를 비롯해 산업전반에 전자 기기나 기술의 사용이 급격히 증가하면서 MCU 역시 흐름에 비례해 중요성과 활용성이 커지고 있다.

최근의 MCU는 DMA 제어기와 같은 고성능의 I/O 기능, 고속의 직렬 통신기능, A/D 컨버터, PWM 출력, PLL 회로 등을 내장해 각종 제어 시스템에 사용하기에 편리하게 발전했다. 현재의 MCU는 PC에서의 CPU와 비슷하지만 저성능, 저전력에 저비용으로 자동제어에 이용하기 위한 많은 주변장치를 포함하고 있다는 점이 가장 큰 특징으로 자리잡고 있다.

이는 시장의 요구에 의한 것이다. 기술의 발전으로 현재의 다양한 부품군에서 고집적도, 저전력, 효율성 등을 요구하고 있는데, 이와 함께 MCU가 처리해야 할 작업의 범위 역시 점차 넓어지고 있다.

MCU는 크게 상태 정보 확인, 모터 및 밸브 통제, 전자 신호 측정 및 출력, 통신, 계산 등으로 구분할 수 있다. 상태정보 확인 기능은 사용자가 기기의 동작 상태 정보를 확인하는 것으로 LCD, LED 상에 텍스트를 표시하기도 하며, 음성 기능을 제공해 사용자에게 소리로 동작 상태를 알리기도 한다.

모터 및 밸브 통제는 모터의 방향이나 속도를 변환하거나 밸브를 열고 닫는 신호를 출력하는 기능으로, 대표적인 예로 리모컨 등을 들 수 있다. 전자 신호 측정 및 출력은 센서 부품의 전압을 직접 측정하는 기능으로 온도 센서와 연결한 온도 측정, 빛 센서와 연결한 밝기 측정, 배터리 전압 측정 등의 기능을 수행하며, 일정한 전압 출력도 가능해 기준 전압을 제공하는 레귤레이터 역할도 하게 된다. 통신 기능의 경우, 최근 많은 MCU가 CAN, LIN을 지원해 자동차 전체가 하나의 시스템으로 작동하게 하는 역할을 한다.

MCU의 가장 원초적이자 기본적인 기능인 계산은 특정 작업을 처리하기 위해 여러 가지 기능을 통합하고 조율한다는 측면에서, 예를 들어 전압을 온도로 변환해 표시하거나 모터사용량을 계산해 성능을 조절하는 등의 기능 수행을 들 수 있다.

MCU 기술이 발전할수록 크게 4가지방향으로 변화가 일어났는데, 경량화, 저비용, 시스템 신뢰성 향상, 유연성 확장 등이다. 그리고 최근에는 저전력과 보안 이슈의 등장으로 이 두 가지 기능을 적용한 MCU가 출시되고 있다.

이렇게 다양한 기능을 탑재하고 있는 MCU는 IoT 시장, 자동차 시장 등이 성장함에 따라 그 규모와 활용성, 그리고 기술 개발 측면에서 다양한 이슈가 등장하고 있다. 무엇보다 가장 큰 이슈는 MCU 시장 자체의 규모가 매우 크게 성장하고 있다는 점이고, 또 다른 하나는 기존의 8비트와 16비트 MCU에 비해 32비트 MCU의 성장이 두드러지고 있다는 점이다.

2020년 MCU 시장 규모 207억 8,000만 달러 전망 

말한 바와 같이 기술의 발전, 특히 IoT가 세상을 변화시키는 힘으로 등장하면서 4차 산업혁명이 대두되자 MCU의 중요성은 점점 커지고 있다. MCU가 시스템 전체를 제어하는 두뇌 역할을 하고 있기 때문에 일반 가전제품은 물론, 자동차, 센서, 의료 장비, 산업 기기 등 각종 임베디드 분야에서 활용할 수 있는 분야가 넓다. 즉 버튼을 통해 기기를 조작해야 하는 거의 대부분 제품에 MCU가 탑재되어 있다고 보는 것이 맞을 것이다.

이에 다양한 조사 기관에서는 MCU의 장밋빛 미래를 전망하고 있는 추세다. 세계적인 통계 분석 기관인 스태티스타(Statista)에 따르면, MCU 시장은 2005년 120억 8,200만 달러에서 2015년 158억 6,200만 달러로 증가했으며, 2020년에는 207억 8,000만 달러를 기록해 연평균 4.8%씩 성장할 것으로 전망된다(그림 1).

 

이와 같은 마이크로컨트롤러의 성장세는 스마트카드, 스마트카, 웨어러블 디바이스의 꾸준한 성장으로 새로운 임베디드 시스템 애플리케이션이 지속적으로 등장하고 있는 데 힘입은 것이다.

32비트 MCU, 2020년 전체 시장의 66% 이상 차지할 것 

여기서 우리는 32비트 MCU의 비약적인 증가를 눈여겨 볼 필요가 있다. 2005년 34억 1,100만 달러(비중 28.2%)였던 32비트 MCU는 2010년 57억 8,000만 달러(38.1%), 2015년 85억 6,000만 달러(53.97%)를 거쳐 2020년에는 137억 7,100만 달러를 기록, 전체 MCU 시장 규모의 66.2%를 차지하게 된다.

스태티스타의 통계 자료처럼, MCU는 16비트에서 32비트로 대체되고 있는 경향을 보이고 있다. 32비트 MCU는 집적도를 높여 직렬 포트, 병렬 주변장치, 네트워킹 인터페이스뿐만 아니라 LCD, 키보드 등을 위한 타이머, 드라이브 회로 등을 지원해 전적으로 첨단 프로세서가 집약된 애플리케이션용으로 인식되어 왔다.

하지만 최근 다양한 휴대용 전자장치 및 단말기에서 첨단 기능과 성능에 대한 요구가 증가하면서 중간급 이하의 임베디드 애플리케이션에도 32비트 MCU의 사용량이 증가하고 있다. 이는 아날로그 회로와 멀티미디어 기능, 통신, 데이터 변환 등을 위해서는 16비트 MCU만으로는 한계가 있어 32비트 탑재 비중이 증가하고 있음을 의미한다.

32비트 MCU의 가격 하락도 한 요인으로 작용하고 있다. 대체적으로 MCU시장은 글로벌 반도체 기업(르네사스, 인피니언, NXP, TI, 마이크로칩 등)이 주도하고 있는데, 진입장벽이 높아 평균 판매 가격이 일정하게 유지되어 왔다. 하지만 최근 몇 년간 마케팅 전략의 변화, 출하량 증가 등으로 평균 판매 가격은 점점 하락하고 있는 추세다.

 

그리고 자동차 분야에서의 변화도 요인으로 꼽을 수 있다. 10여 개에서 최대 100개 이상 탑재되고 있는 자동차 분야에서 최근 몇 년간 파워트레인, 엔진 등에 사용됐던 32비트 MCU가 안전 장치등으로 확대되고 있는 추세다. 이러한 양상은 앞으로도 계속될 것으로 전망된다.

물론 8비트, 16비트에서 32비트로의 전환은 아키텍처 설계 측면에서 추가적인 투자와 설계공정의 재정의가 필요하다. 하지만 32비트로의 전환은 성능, 비용, 출시 시간 등 여러 측면에서 유리하다는 것이 시스템 설계자들의 평가다.

따라서 32비트 MCU 시장은 새로운 기회를 맞고 있는 셈이며, 이를 위해 중간급 이하의 애플리케이션에 적합한 가격대비 성능을 갖춘 32비트 MCU를 공급하는 업체가 점차 증가하고 있는 추세로, 시스템 설계자들 역시 32비트 MCU의 향상된 성능을 통해 제품을 차별화하기 위한 아키텍처 설계에 집중하고 있다.



IoT 시장에서의 MCU 약진

MCU 시장에서 과거 가장 큰 규모를 차지하고 있는 분야는 스마트카드 부분이었다. 2014년의 스마트카드용 MCU물량은 92억 개에 달했는데, 이는 전체 186억 개의 약 49.5%에 해당하는 비중이다.

하지만 IoT용 MCU의 성장세가 만만치 않다. IoT 시장은 하드웨어, 소프트웨어 그리고 서비스가 혼합된 복잡한 밸류 체인(value chain)을 형성하고 있으며 그 범위도 가전부터 산업 인프라까지 전 분야에 걸쳐 있다. 1990년대 개인용 컴퓨터(PC)가, 2000년대는 스마트폰이, 그리고 최근에는 IoT가 반도체 산업의 성장을 견인하고 있는 형국이다. 즉 스마트폰과 태블릿 시장이 포화상태에 접어든 만큼, IoT라는 새로운 돌파구를 놓고 와이파이, 블루투스, 지그비 등 연결 제품 수요 급증으로 MCU 제조사에게는 수혜가 돌아갈 것으로 관측되고 있다.

이와 관련해 시장 조사 기관인 ABI 리서치에 따르면, IoT용 MCU 출하량은 2015년 약 1억 5,000만 개로 2020년까지 연평균 성장률 54%를 기록하며 약 13억 개로 늘어날 전망이다.

산업 분야의 IoT, 웨어러블, 특히 스마트홈은 현재 MCU 시장을 견인하는 핵심이자 미래 성장에서도 중요한 부분을 차지하고 있다. 따라서 해당 분야에서 멀티코어 MCU는 2020년까지 시장 점유율 36%를 차지하며 450만 달러의 규모가 예상된다. ABI 리서치는 이러한 성장의 원인으로 더욱 통합된 연결성과 센서 프로세싱 허브, 그리고 혁신적인 소프트웨어 솔루션의 구현을 꼽았다.

 

ABI 리서치의 기술 전략을 담당하고 있는 말릭 사디(Malik Saadi) 부사장은 “전통적으로 장치 제조는 다중 센서기능과 연결 솔루션을 처리하기 위해 다수의 싱글코어 MCU를 사용하는 경향이 있었다”며, “이러한 경향은 디자인 단순화, 빠른 프로토타이핑 그리고 OTA(over-the-air) 업데이트를 이유로 유연성이 부족한 제품 생산으로 이어졌으며, 싱글코어 MCU를 추구하려는 전략을 유지한 탓에 제품 수명을 제한하는 결과를 초래했다”고 분석했다.

사디 부사장은 “따라서 MCU가 미래의 IoT 애플리케이션을 수용하기 위해서는 네트워크 확장성, 호완성, 임베디드 인텔리전스 그리고 더 중요한 에너지 효율성이 반드시 필요한 차세대 IoT디바이스에 적합하도록 설계돼야 한다”고 말했다.

즉 멀티코어 MCU가 향후 IoT 시장에 필요하다는 의미다. 멀티코어 MCU 측면에서 통합이라는 필연적인 요구사항은 미래의 디바이스에 수명과 지속적인 소프트웨어 및 콘텐츠를 업데이트할 수 있는 유연성을 보장할 수 있어야 한다.

따라서 추후 멀티코어 MCU는 지능형 소프트웨어에 센서 융합이나 인공지능과 같이 혁신적인 특성과 진보된 기능들을 지원할 수 있는 방향으로 발전될 것으로 전망된다.

이미 시장에는 와이파이, 블루투스, IEEE 802.15.4 뿐만 아니라 가속도계, 자이로스코프, 온도계, 자력계 등 다양한 MEMS 센서 등과 같이 통합된 연결성을 포함하고 있는 잘 설계된 저전력, 저비용 멀티코어 MCU가 있다. NXP와 TI 같은 일부 MCU 공급사들은 이기종 연결 및 센서 기능을 타깃으로 하는 멀티코어 MCU를 전략으로 삼아 미래를 준비하고 있다.

 

ABI 리서치는 “MCU 공급사가 시장규모를 키우고 비용, 실리콘 면적, 전력소모 그리고 스마트 기능 등을 통합하기 위해 단일 MCU에 가능한 많은 연결성과 센싱 솔루션을 지원해야 하는 것은 이미 기본”이라고 말했다.

결국 IoT 디바이스 제조사들은 고급기능 중 다수를 활성화하고 다양하고 빠르게 변화하는 시장 요구를 수용함으로써 시장에서 가능한 다양한 연결성과 센싱 기능을 사용해 그들의 제품을 커스터마이즈할 필요가 있을 것이다.

사디 부사장은 “MCU 제조사는 멀티코어, 멀티 기능의 MCU를 개발하는 방향으로 전략을 전환해야 한다”며 “IoT제품 제조사는 대부분 시장에서 사용할 수 있는 다른 연결성과 센싱 솔루션을 혼합하고 매치할 수 있는 디바이스를 선택하므로, 이 선택은 미래 제품의 성공을 결정지을 것”이라고 말했다.

한편 모건스탠리는 MCU 등 사물인터넷 부품사의 주요 의사결정자 117명을 대상으로 조사한 결과, 이들 중 90%는 선행기간 12~18개월을 대비해 제품 구체화를 본격화하고 있는 것으로 나타났다. 모건스탠리 측은 “IoT 시장이 장기적으로 반도체 시장을 15% 가량 넓혀 줄 것”으로 전망했는데, 연결 장치 시장이 10% 성장할 경우 수반되는 반도체 시장규모의 증가는 10억 달러로 추정했다.

 

이러한 흐름에 맞춰 MCU는 최근 기기에 내장된 센서가 감지한 아날로그신호를 수집·분석해 데이터화하는 형태로도 진화하고 있다. 이 데이터를 다른 기기와 연동할 수 있도록 통신 기기도 제공하고 있으며, 최신형 MCU에는 웨어러블과 IoT 기기의 센서를 제어하는 허브 역할을 할 수 있는 기능도 적용되고 있는 상태다. 여기에 가속도계, 디지털 나침반, 근접 센서, 압력 센서, 마이크, 불빛 등 다양한 주변 정보를 인식하는 센서가 보낸 신호를 한꺼번에 모아 분석해 애플리케이션 프로세서(AP)로 전달하는 역할도 한다. 이를 통해 AP의 부하를 줄임으로써 전력 소비 효율과 처리 속도를 높일 수 있다.

IoT 시장에서의 32비트 MCU 

MCU 전체 시장에서 32비트가 증가될 것이라는 전망과 마찬가지로 IoT용 MCU 역시 증가할 전망이다. 시장 조사 기관인 그랜드 뷰 리서치(Grand View Research)는 세계 IoT용 MCU 시장이 2022년 35억 6,000만 달러에 달할 것이라고 발표했다.

IoT 업계는 초전력 아키텍처를 대상으로 하는 IoT 애플리케이션을 통합하고 있는 MCU로 여러 소비자들의 디바이스의 연결을 강화하기를 원한다. 이러한 초전력 MCU는 주로 무선 디바이스를 수용하기 위해 설계된다.

그랜드 뷰 리서치는 “MCU 산업이 향후 7년여 간 IoT의 성장에 의해 견인될 것”이라며, “IoT 산업의 발전은 반도체 제조사에게 기회를 제공하므로, 해당 분야가 발전하는 동안, 반도체 제조사들 역시 지금을 기회로 삼아야 할 것”이라고 조언했다.

 

게다가 IoT용 MCU 시장에서 중요한 요인은 어떻게 하면 불충분한 보안, 빈약한 소비자 수요, 기술장벽 그리고 표준의 부족 등과 같은 문제를 고민하고 해결할 수 있는 방법을 찾아 빠르게 시장에 참가하느냐에 있다. 이 문제 해결은 반도체 산업을 유지하거나 향후 몇년간 현재의 수요를 넘어설 수 있는 데 상당한 도움이 될 것으로 보인다.

그랜드 뷰 리서치에 따르면, IoT 시장에서 32비트 MCU는 2015년부터 2022년까지 연평균 10%를 초과해 성장할 것으로 전망된다. 

이전에는 전자분야 디자이너가 8051 아키텍처를 갖춘 8비트 MCU를 많이 사용했지만, 애플리케이션 분야의 범위가 성장함에 따라 기술이 발전하면서 32비트 MCU가 가장 확실한 선택으로 등장했다. 이러한 변화는 이미 상당히 진행되고 있으며, IoT는 주로 MCU 기술을 개발하는 방법에 영향을 주고 있다.

IoT 시장에서 MCU 시장의 성장을 견인할 부분은 가전, 산업자동화, 스마트홈 분야이며, 지역별로는 북미지역에서 큰 성장이 예상된다.

2014년에 가전은 전체 MCU 매출의 30% 이상에 해당하는 시장 점유율을 기록했다. 또한 산업 자동화 분야에서의 MCU는 IoT 내에서 2022년에 100만달러를 넘어서는 수익을 거두며 성장할 것으로 예상된다.

그랜드 뷰 리서치는 IoT 분야에서 매우 수익성이 좋은 부분으로 보여지는 홈 자동화는 MCU가 중추적인 역할을 함에 따라 가전 제품의 디자인과 관련한 다양한 아이디어 측면에서 변화가 예상된다고 분석했다. 따라서 MCU 제조사들은 잠재시장을 확장하기 위한 전략으로 이 분야를 눈여겨보고 있으며, 이 목적에 적합한 제품군을 개발, 제공하고 있는 추세다.

북미지역에서 IoT용 MCU 시장은 기술적 발전에 힘입어 2014년에 30% 이상의 성장을 기록했으며 2015년부터 2022년까지 연평균 9%의 성장률을 보일 것으로 기대되고 있다. 특히 북미지역에서 스마트홈 분야에서의 수요 증가는 성장의 주요 요인으로 작용할 것으로 예상된다.

한편, 아시아 태평양 지역에서는 스마트 웨어러블, 가전제품, 스마트폰, 태블릿, 카메라, TV 등과 같은 소비자용 전자 제품의 높은 보급률이 예측 기간 동안 아시아 태평양 지역의 IoT용 MCU 시장을 이끌 것으로 기대된다.

반도체 산업은 치열한 경쟁과 빠른 기술 발전, 가격 하락, 짧은 제품 라이프사이클 등이 특징이다. 따라서 해당 시장에서의 성공은 R&D에 투자하고 새로운 제품을 개발하는 제조사의 능력에 크게 의존한다.

종합해보면, 향후 MCU 시장은 32비트에서 어떻게 승부를 내느냐가 관건이 될 것이다. 특히 다양한 기능성을 제공하는 IoT 기기 개발에 대한 수요를 충족시킬 수 있는 기능을 제공한다는 측면에서 MCU는 초저전력, 고신뢰성, 그리고 향후 가장 큰 이슈로 등장할 보안이 주요한 경쟁 포인트가 될 것이다. 

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