CAR SYSTEM ON A CHIP
자동차와 반도체의 관계는 떼려야 뗄 수 없는 관계가 된 지 오래다. 차량용 반도체 시장은 세계 경기에 관계없이 지난 10년간 꾸준히 성장해왔다. 앞으로도 자동차에 탑재되는 실리콘 콘텐츠는 계속 늘어날 것이다. 특히 ADAS용 반도체 시장은 2013년부터 2020년까지 8년간 2.7배(26억 4,600만 달러)로 성장할 전망이다.
반도체 회사들의 오토모티브 시장을 향한 구애가 뜨겁다. 전에 없던 일이다. 사실 인피니언, NXP, 프리스케일, 르네사스 등이 아닌, 세계 톱 20 반도체 회사들이 요즘처럼 오토모티브 시장을 향해 뜨거운 구애의 손을 내민 기억이 없다. 이는 세계 자동차 시장이 기존의 경쟁 패러다임에서 새로운 방향으로 전개되고 있음과 궤를 같이 한다 할 수 있다.

반도체는 이제 자동차의 혁신적인 진화의 대부분을 담당하고 있다. 이에 따라 자동차 제조사와 반도체 업체 간 밀월은 전방위적으로 확대될 전망이다. 예컨대 지난 7월초 아우디는 차량용 반도체 개발 프로그램(Progressive SemiConductor Program, PSCP)의 일환으로 르네사스를 전략적 파트너로 선정했다. PSCP의 추진 분야는 기존의 파워트레인, 섀시, 바디, 안전 등 자동차 제어 분야뿐 아니라, 자동차 정보 시스템과 운전자 보조 시스템, 더 나아가 미래의 자율주행 시스템과 클라우드에 연결되는 커넥티드카, 전기자동차(EV) 등이 포함된다.

한편 차량용 반도체 회사 간 M&A도 활발하다. 지난 3월 네덜란드 차량용 반도체 회사인 NXP가 경쟁사인 프리스케일을 인수했다. 이를 놓고 다양한 해석이 있지만, 분명한 것은 NXP의 차량용 반도체 비즈니스가 더욱 탄력을 받을 것이란 점이다.
재정의 되는 자동차
자동차는 더 이상 단순한 이동수단이나 부의 상징, 성공의 척도가 아니다. 자동차는 삶의 동반자로서 재정의 되고 있다. 운전자들은 환경과 안전을 더 높은 가치로 인식하기 시작했다. 특히 젊은 운전자들은 신차를 구매할 때, 경제성과 함께 자신만의 개성을 살릴 수 있는 기능에 열광한다. 아이폰 기능을 갖춘 ‘콕핏 기술’은 어떨까?

환경과 안전에 대한 의식 향상과 IT 접목과 같은 새로운 패러다임의 등장은 자동차의 전장화와 전동화를 이끄는 원동력이 되고 있다. 우선, 환경면에서 보면 하이브리드 자동차(HEV)와 전기자동차(EV) 등 모터 구동 방식의 확대와 전자 제어의 진보에 의한 내연기관의 추가적인 개선이 이뤄지고 있다.

안전면에서는 수동안전에서 운전자 보조 시스템(Driver Assistance System, DAS), 더 나아가 자율주행을 실현하기 위한 운전자 보조 및 제어 기술이 빠르게 진화하고 있다. 차량 정보화 측면에서는 차내에서 정보 접근의 편리성을 향상시킨 기술이 도입되고 있다.
반도체 수요 꾸준히 증가
앞에서 언급했듯이, 자동차를 둘러싼 환경이 크게 바뀌고 있다. 세계적으로 환경과 안전 의식이 고조되고 있을 뿐만 아니라, 정보와 통신 기술을 활용한 차내 공간의 편리성 및 쾌적성을 높이려는 요구가 거세다.

환경과 관련해서는 HEV와 EV 등 모터 구동 방식의 이용 확대와 정교한 전자 제어에 의한 내연기관의 개선이 가속화하고 있다. 구동계 뿐만 아니라 여러 곳에서 모터가 사용되고 있으며 다양한 전압 및 전류 요건을 충족하기 위해, 또한 에너지 절약 및 저소음화를 달성하기 위해 제어용 마이크로컨트롤러(MCU)와 구동용 반도체의 고성능화가 이뤄지고 있다.

안전과 관련해서는 수동안전에서 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 그리고 자율주행을 실현하는 운전자 보조 및 제어 기술을 구현하기 위한 핵심 센서와 화상인식 및 처리 IC가 요구되고 있다. 또한 기능안전 국제 표준인 ISO 26262를 지원하는 IC의 개발과 그 개발 계획을 지원하는 고장 검증 기술이 개발되고 있다.

정보화와 관련해서는 카 내비게이션 시스템의 비약적인 고기능화와 함께 엔터테인먼트를 위한 대용량 데이터의 차내에서의 활용, 핸즈프리 통화의 실현 등 쾌적성과 편리성 요구가 높다.



환경 대응
자동차의 연간 생산 대수는 2014년 약 9,010만 대를 기록했다. 1억 대 돌파를 눈앞에 두고 있다.

지구온난화와 그 원인인 신흥국에서의 자동차 대중화에 의한 화석연료의 소비 확대를 고려하면, 환경문제는 자동차 분야에서 시급한 과제다. 이를 반영해 다양한 구동 방식이 도입되고 있다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 2020년에는 가솔린엔진 차량 60%, 디젤엔진 차량 17%, HEV 및 EV 20%, 기타 3%의 구성이 될 것으로 예상된다(그림 1).

이 중 가솔린엔진과 디젤엔진을 합친 리시프러케이팅 엔진 탑재 차량에도 스톱앤고(Stop & Go) 시스템과 48 V 배터리 시스템을 탑재한 마이크로-하이브리드 자동차가 연 4,000만 대에 이르며, 구동계의 전동화가 꾸준히 진행될 것으로 예상된다. 이외에도 직분사 엔진 탑재 차량이 확대되고 기존의 내연기관 자체도 전장화에 의한 정밀 제어로 연비가 더욱 개선될 것으로 예상된다. 기존 내연기관의 효율은 현재 40%에 이르고 있지만, 주행거리 당 이산화탄소(CO2)와 질소산화물(NOX) 배출량을 더 줄이기 위해 효율 50%를 목표로 개선이 진행되고 있다.

유럽에서는 스트롱 하이브리드, 플러그인 하이브리드(PHEV), EV 외에도 기존의 12 V 배터리와 48 V 배터리를 함께 탑재한 마이크로 하이브리드를 2015년~2016년 차량 모델에 도입하려는 움직임이 있다. 그 주된 이유는 제너레이터의 출력을 10 kW 정도로 끌어올리고, 고출력 시스템이나 이후에 추가될 새로운 시스템의 소비 전력을 모두 커버하는 데 있다.

아이들링 스톱이나 내리막길에서 엔진을 멈추고 타성으로 주행하는 코스팅 주행 시에도 구동해야 하는 엔진 냉각용 펌프와 팬 모터, 헤드라이트, 에어컨 컴프레서, 블루어 모터, 전동 파워 스티어링(EPS), 유압 유지 시스템 등 전력 소비가 큰 장비를 48 V 배터리 측에 설치하면 15% 정도의 연비 개선 효과를 얻을 수 있다고 알려져 있다. 또한 같은 출력이면 전류를 약 1/4로, 와이어 하네스 및 반도체의 발열을 1/16로 할 수 있다. 이것은 와이어 하네스의 지름과 질량, 반도체 출력단의 온저항을 줄이고, 방열 구조를 단순화 할 수 있다는 것이며, 결국 경량화에 의한 연비 향상과 저 비용을 실현할 수 있게 된다.
안전과 정보화
전 세계적으로 매년 교통사고로 연간 130만 명이 사망(세계보건 기구 2014년 발표)한다. 이에, 각국은 ‘교통사고 제로화’를 목표로 법제화 및 추진체제를 정비하고 있다. 기존 자동차 업계는 예방안전 기능으로 ABS(안티록 브레이크 시스템)과 미끄럼 방지 시스템을 도입하고, 충돌안전으로 에어백과 충돌 안전 바디, 안전벨트 프리텐셔너 등을 도입했지만, 여전히 수동안전에 머문 것이었다.



현재는 예방안전으로 진화하여, 밀리파 레이더와 레이저 레이더, 암시 카메라, 후방 카메라 등 주변을 감시하는 기능이 탑재되는 등 주변을 인식해 이를 차량 제어에 활용하는 능동안전으로 진화하고 있다(그림 2).

이러한 안전을 위한 자동차의 전장화와 정보화가 진행되는 한편, 차내 쾌적성과 편리성을 높이기 위한 정보 활용도 활발하게 진행되고 있다. 카 내비게이션 시스템도 단순한 지도 정보 제공에서 인포테인먼트 시스템이라는 정보와 엔터테인먼트를 결합한 보다 고기능의 시스템이 주류로 부상하고 있다. 또한 차량 내 무선 통신은 고속 데이터 통신과 클라우드 시스템을 활용하는 서비스까지 제공할 수 있게 됐다.

반도체 : 고성능, 저전력, 다기능, 그리고 더 작게
환경 지원
환경 대응을 위해서는, 먼저 초희박 연소를 실현하는 직접 분사 기술과 밸브 개폐의 타이밍 제어, 폐열 에너지 회수, 배기가스 재순환(EGR) 개선 등의 요구가 있다. 이와 관련해서는 플래시 메모리를 통합한 마이크로컨트롤러의 고속화 및 인젝터 드라이버의 80~130 V 고전압화, 브러시 모터와 3상 모터 드라이버 PWM 제어의 고속화 등에 대응한 IC가 제공되고 있다.



둘째, 모터 제어가 중요하다. 현재 소형차부터 중형차에는 30~40개 정도, 하이엔드 차량에는 80개 정도의 크고 작은 모터가 탑재되는 것으로 알려져 있다(표 1). 모터 구동의 큰 이점은 기구부품이나 배관, 베어링 등의 기능을 모터로 대체함으로써 경량화와 그에 따른 전력비용을 개선할 수 있다는 점이다. 현재 스티어링 샤프트 기능도 모터와 전기신호선 만으로 실현하는 기술(Steer-by-Wire)이 개발되고 있다. 이와 같이 연비 개선을 위해 많은 모터가 탑재된다. 이러한 모터에 요구되는 특성은 용도에 따라 다양하다.

주행계 모터로는 대표적으로 EPS 구동용 모터가 있다. 유압에 의한 조작기구의 기능을 모터로 대체해 스티어링 토크를 지원해 3~5%의 연비 개선 효과를 거둘 수 있다. EPS는 자동차의 진행 방향을 제어하는 중요한 장치이기 때문에, ISO 26262 준수와 크랭크 시 배터리 전압이 떨어지는 것을 고려해 3 V의 매우 낮은 전압에서도 동작해야 한다.

구동계 HEV/EV용 모터는 저소음, 고효율 제어와 15,000 rpm 이상의 고속 회전 제어가 필요하며, 모터의 소형화와 토크 유지를 위해 모터 회전수와 PWM 제어의 주파수는 더욱 높일 필요가 있다. 또한 냉각수, 조작기구의 작동유와 연료를 순환시키는 기능은 엔진이 아닌 펌프 모터에서 이루어지고 있어, 저소음화 및 저속 회전, 급속 시동 등을 실현한 3상 모터의 개발 및 시스템을 소형화하는 기술이 필요하다.

이에, 반도체 업체들은 고성능 마이크로컨트롤러와 전원 IC, 게이트 드라이버 등의 아날로그 주변장치와 낮은 온저항 파워 MOSFET 칩셋을 제공하고 있다. 기능안전을 실현하기 위해서는 FMEA(Failure Mode Effects Analysis)와 FTA(Fault Tree Analysis)를 활용해 시스템에 미치는 영향과 잔존 고장률을 분석하고, 리던던시 및 모니터링 시스템 기능을 기본 사양으로 제공하고 있다. 또한 배터리 전압 3 V에서도 동작할 수 있도록 지원한다.
안전 및 정보화 지원
ADAS는 용도에 따라 다양한 시스템이 탑재된다. 차량용 카메라를 이용한 장거리 전후방 감시 및 주변 감시 시스템은 100만 화소 이상의 지원으로 보행자 검출 거리의 연장을 시도하고 있다. 1프레임 당 정보량의 증가와 여러 인식 애플리케이션을 동시에 실행할 필요가 있기 때문에, 저 전력의 고속 이미지 처리 및 인식 프로세서 제품이 필요하다. 차량용 CMOS 센서 시장의 50% 가까이를 점유하고 있는 온세미컨덕터에 따르면, 2020년에 자동차 한 대당 19개의 이미지 센서가 탑재될 전망이다.

한편, 자동차에 탑재되는 ECU 수는 100개 이상, 소프트웨어는 약 1,000만 라인에 이르고 있다. 당초 자동차의 안전에 관한 통일된 규격은 존재하지 않았다. 각사 나름의 규격에 의존했다. 하지만, 차량용 전자 제어 시스템의 고도화 및 복잡화로 차량용 전자 장치의 안전성에 관한 표준화의 필요성이 대두되면서 유럽 주도로 ISO 26262 규격이 제정됐다.

기능 안전은 위험 자체를 없앤 본질적인 안전과는 달리, 위험을 초래할 수 있는 장비 및 시스템에 제어 기능을 부가해 안전을 유지한다는 생각에서 출발했다. 기능 안전은 ASIL(Automotive Safety Integrity Level)을 충족하기 위해 IC에 추가해야할 리던던시 기능과 감지 기능을 다음의 검토를 통해 결정한다.
△ 시스템의 위험요인으로부터의 FTA
△ 부품 고장 모드에서 시스템에 대한 최종
효과(최종 제품에 미치는 영향) 분석
△ 발견할 수 없는 잔존 고장률 검증


정보화는 인포테인먼트 시스템으로 대표되듯 내비게이션 시스템의 고기능화가 진행되면서 지도뿐 아니라, 음악이나 영상 등의 정보 저장소도 고속화, 대용량화, 고 신뢰화 등의 다양한 요구가 있다. 또한 차량용 무선 애플리케이션 관점에서도 고속 데이터 통신과 클라우드 접속 요구가 커지고 있다. 이와 관련해서는 전력 증폭기(PA)의 출력 왜곡 디지털 보상 및 송신기의 교정을 최적화하는 반도체 기술이 소개되고 있다.
합종연횡 가속

IHS가 발표한 2014년 차량용 반도체 공급업체 순위에 따르면, 르네사스 일렉트로닉스가 선두를 지켰다. 그 뒤를 인피니언 테크놀로지스가 이었다(표 2). 그러나 올해부터 순위 변동이 예상된다. 5위 NXP가 4위 프리스케일을 인수했고, 인피니언은 차량용 전력반도체 전문업체인 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier, IR)를 인수했기 때문이다. NXP와 프리스케일의 2014년 시장점유율을 합산하면 13.6%로 르네사스를 3% 이상 웃돈다. 또한 2위를 차지한 인피니언은 르네사스와의 격차를 계속 줄여가고 있다.

차량용 반도체는 기술 장벽이 높다. 까다로운 품질과 신뢰성 수준을 충족해야 한다. 자동차에서 안전은 가장 중요한 요소이기 때문에, 차량용 반도체는 AEC-Q100이나 심지어 ISO26262 등 자동차 업계가 요구하는 엄격한 규격을 충족해야 한다. 특히, 자동차라는 열악한 환경은 반도체에 여러 가지 물리적 특성은 물론, 노이즈 내성과 넓은 온도범위를 요구한다. 대다수의 반도체 회사들이 오토모티브 시장에 많은 공을 들이지만 빗장을 쉽게 열지 못하는 이유가 바로 여기에 있다.