시스템 반도체(System-on-Chip, SoC)는 메모리와 프로세서, 소프트웨어 등의 여러 가지 반도체를 칩 하나에 집적한 전자시스템 부품이다. 여러 기능의 칩을 한곳에 모아 보드 공간을 줄임은 물론, 시스템 전체 크기도 줄일 수 있다. 또한 제작비용과 조립과정을 단순화해 비용을 크게 절감할 수 있어 다양한 산업군에서 활용하고 있다.



기존의 SoB(System-on-Board)에 기반을 둔 시스템은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 위에 다수 칩을 사용해 설계됐다. 이 칩들은 Standard product나 특정 애플리케이션을 위해 설계된 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)으로 구성됐다. 하지만 오늘날 반도체 공정 기술과 집적도, 설계 기술의 발전으로 인쇄회로기판 전체를 하나의 칩으로 통합하는 기술이 가능하게 됐다. 시스템 반도체는 SoB 시스템보다 전력 소모나 안정성 측면에서 장점을 가진다.
시스템 반도체는 하나의 칩에 전체 시스템을 구성하기 위한 다양한 기능 블록이 포함된다. 하지만 각각의 기능 블록을 모두 설계하기는 어려우며 시간적인 제약이 따른다. 따라서 기존에 활용하던 검증된 기능 블록 IP(Intellectual Property)를 통해 설계가 이뤄지고 있다. IP 설계의 목적은 설계 정보를 표준화해 재사용이 가능하도록 함으로써, IP의 단순한 통합 및 검층 절차에 의해 설계를 가능하도록 한다. 현재는 미리 검증된 IP의 재사용을 위한 시스템의 구성을 설계하고 IP뿐만 아니라, 시스템 기본 구성도 재사용해 시스템을 개발하는 플랫폼 기반 시스템 반도체 설계 방법으로 발전했다.



주요 기술 및 설계 방식
시스템 반도체를 설계하기 위해서는 다양한 기술을 하나의 칩에 내장할 수 있는 공정기술과 고성능 마이크로프로세서 및 DSP 내장 기술, IP 블록을 활용한 통합 기술, 내장 메모리 기술, 하드웨어/소프트웨어 co-design 적용 기술, 내장 프로세서를 위한 드라이버 및 펌웨어 설계 기술 등이 필요하다.
시스템 반도체가 기존의 ASIC 설계와 가장 큰 차이점은 하드웨어 설계뿐만 아니라 소프트웨어 기술을 통합한다는 것이다. 특히 HDL(Hardware description Language) 기반의 하드웨어 설계는 C/C++ 언어로 시스템 검증 후, HDL로 변환하는 방식이었다. 하지만 시스템 반도체 설계는 C/C++ 언어를 이용해 시스템 검증 후, 하드웨어 설계에 직접 사용되고 있다. 또한 최근 IC는 많은 양의 데이터를 처리하는 복잡한 시스템이 대부분 오디오나 비디오 같은 멀티미디어 데이터를 처리하는 시스템이나 알고리즘을 구현하고 있다. 물론 고성능 프로세서로 복잡한 알고리즘을 실시간으로 동작하도록 구현할 수 있다. 하지만 시스템의 전력이나 가격 측면에서 고성능 프로세서를 사용할 수 없는 경우, 하드웨어 기반의 시스템을 구성하면 설계보다 검증하는 데 더욱 많이 비용과 시간이 발생할 수 있다. 따라서 복잡한 시스템을 다루기 위해 하드웨어 구조를 고려하지 않고 알고리즘 수준에서 시스템을 설계해 하위 수준으로 내려가는 방법을 사용한다. 이를 시스템 수준 설계라고 한다. 즉 설계자는 보다 상위 레벨에서 설계하고 하위 레벨 작업은 EDA(Electronic Design Automation) 툴에 의존하는 것이 시스템 반도체 설계의 또 다른 특징이다.



해외 현황
2012년 기준 전 세계 시스템 반도체는 1,952억 달러로 메모리 반도체의 529억 달러보다 4배 이상의 큰 규모를 나타내고 있다. 또한 스마트 기기의 확대 보급으로 앞으로 5년간 2,022억 달러( ’13)에서 2,550억 달러( ’17)로 연평균 약 6.5% 지속 성장할 것으로 전망된다. 주요 기업은 퀄컴이 모바일 분야에서 오토모티브는 르네사스와 ST마이크로일렉트로닉스, 가전용은 브로드컴 등이 시장을 선도하고 있다.
국내 기업으로는 삼성전자가 모바일 AP와 CMOS 이미지센서, DDI(디스플레이 드라이버 칩) 등에서 경쟁력을 확보했지만, 일부 2~3개 사를 제외한 대부분의 팹리스는 1,000억 원 미만의 영세한 중소기업이다. 2012년 국내 탑 50개 팹리스의 전체 매출액은 17억 달러로 퀄컴의 132억 달러의 13% 수준이다. 업계 관계자는 “낮은 기술 경쟁력으로 핵심 시스템 반도체의 국산화율이 5% 미만”이라며 “우수한 시스템 반도체 기업을 육성하기 위해 시스템 반도체 팹리스 기업 발굴과 지원은 물론, 오토모티브와 모바일 등의 수요 산업과 연계해 시장 규모가 크고 단기 상용화가 가능한 핵심 기술을 확보해야 한다”고 말했다.



주요 기업 제품 소개
퀄컴은 지난 1월 ‘CES 2013’에서 처음으로 스냅드래곤 800을 공개하고, 자사의 스냅드래곤 S4 Pro 대비 75% 이상 향상된 애플리케이션 구동 속도와 그래픽 성능을 제공한다고 발표했다. 스냅드래곤 800은 GPU 성능이 강화되어 2배 빠른 게이밍 성능을 제공함은 물론, Full HD 보다 선명한 4K UHD 영상도 녹화 및 재생이 가능하다. 특히 스냅드래곤 800은 가장 최신 통신 기술인 LTE-A까지 지원해 많은 모바일 제조사가 도입하고 있다.
ST마이크로일렉트로닉스는 지난 1월 HD 지상파와 케이블, IP, OTT 및 위성 등의 TV 장비용 시스템 반도체 신제품 2종을 발표했다. STiH253 풀 기능 디지털 동영상 브로드캐스트 디바이스는 DVB-T2 디모듈레이터를 고집적도의 지상파 셋톱박스와 통합한 제품이다. STiH271EL는 비디오 성능을 떨어뜨리지 않고, 기본 재퍼 기능을 얻고자 하는 가격 민감도가 높은 시장의 요구를 완벽하게 만족시킬 수 있다. ST의 셋톱박스 시스템 반도체 IC 제품군은 더욱 강화된 프로세싱 엔진으로 최종 제품 설계 시의 효율성을 높이기 위해 통합 온칩 기능을 탑재했다. 이 프로세싱 엔진을 사용하면 메모리는 저렴하게 사용하면서도, 저전력 목표치를 달성할 수 있다.
브로드컴은 지난 6월 새로운 임베디드 기기용 와이파이 시스템 반도체를 발표했다. 브로드컴의 싱글칩 디자인은 급속히 확장되고 있는 사물 인터넷(Internet of things, IoT) 시장에서 새로운 범위의 가전 기기로의 보급을 촉진하기 위해 설계됐으며, OEM 업체에게 고집적과 저전력, 비용효율적인 솔루션을 제공한다. WICED BCM4390 SoC가 최초 애플리케이션은 스포츠, 피트니스, 건강, 웰빙 및 보안, 자동화기기를 포함한다.





국내 현황
최근 반도체 산업은 스마트 기기의 열풍으로 수요구조가 크게 변화해 메모리 반도체에서 시스템 반도체 중심으로 이동하고 있다. 지난 1월 지식경제부가 발표한 ‘2012 IT 무역현황’에서 시스템 반도체 수출액이 메모리 반도체를 처음으로 넘어섰다. 시스템 반도체는 2011년 31%, 2012년 23% 증가한 245억 달러를 기록해 사상 처음으로 193억 달러를 기록한 메모리 반도체 수출을 앞질렀다. 업계 관계자는 “모바일 AP와 파운드리 증가 등, 시스템 반도체 분야의 경쟁력 증대로 수출이 많이 증가했다”며 “실제 우리나라 기업은 반도체 불황 시기에도 과감한 시설투자와 기술개발로 해외 경쟁사를 추월해 선두를 유지하고 있다”고 말했다. 그는 “시스템 반도체가 20 nm의 공정 도입으로 고부가 제품 생산을 확대해 쿼드코어 AP 등의 제품 매출 증가가 예상된다”고 덧붙였다.
반도체산업협회의 발표로는 지난해 우리나라의 전 세계 시스템 반도체 시장 점유율이 5.4%로 대만을 제치고 미국, 일본, EU에 이어 4위를 차지했다. 이는 지난 2011년 대비 1.1% 상승한 수치다. 우리나라의 시스템 반도체 전 세계 시장 점유율은 지난 2011년 1.8%에 불과했지만, 정부와 관련 업계의 적극적인 기술 개발로 급격히 성장했다. 이유는 최근 몇 년간 모바일 기기 시장이 급속히 확대하면서, 애플리케이션 프로세서와 DDI, CIS(CMOS 이미지센서) 등의 주력제품이 수출을 선도했기 때문이다. 2012년 애플리케이션 프로세서 수출액은 77억 달러를 넘어섰다. 반도체 수출 중 시스템 반도체 비중은 지난 2004년 34.5%에서 계속 증가하는 추세다.  ES

 

2분기 시스템 반도체 기업 매출 감소 국내 시스템 반도체 업계는 스마트폰과 태블릿 관련 업체의 매출 감소로 평균 매출액이 감소했다. 하지만 중국 시장과 제품 다변화에 성공한 업체는 증가세를 보이는 것으로 나타났다. 반도체산업협회가 발표한 ‘2Q 2013 시스템 반도체 산업동향’ 보고서를 보면 시스템 반도체 관련 주요 업체의 2분기 매출액 규모가 지난해 같은 기간보다 하락했다. 특히 국내 33개 팹리스 기업의 2분기 평균 매출액이 지난해 같은 기간보다 12.5% 감소한 113억1,400만 원으로 나타났다. 다만 평균 순이익은 1억7,000으로 30.5% 증가해 수익성은 개선된 것으로 조사됐다. 업계 평균 영업이익은 3억6,200만원으로 3.2%의 영업이익률을 보였다. 상위 10개 팹리스 업체 매출액은 265억2,000만원으로 지난해 같은 기간보다 3.8% 하락했다. 업계 1위인 실리콘웍스 매출액은 아이패드용 디스플레이 드라이버 IC 매출 감소로 지난해 같은 기간보다 28.8% 감소한 반면, 어보브반도체는 지난 1월 이타칩스를 인수합병하면서 53.8% 증가했다. 또한 실리콘화일은 판매 단가가 높은 200만 화소 이상의 이미지센서 판매량이 증가하고, 중국 수출이 확대되면서 매출액이 지난해 같은 기간보다 37.8% 증가했다. 동운아나텍도 중국 스마트폰용 AF 드라이버 IC 판매 확대와 신규 제품 DDI 파워 IC의 판매 본격화로 매출이 지난해 같은 기간보다 114.6% 증가했다.