ARM, '네이티브 유연성' 프로세서 등장: 주류화에 필요한 것은?

ARM, '플라스틱 칩'으로 사물인터넷 시대 연다 반도체 설계 분야의 선두주자인 ARM이 유연한 플라스틱 기판 위에서 구동되는 '네이티브 플렉서블 마이크로프로세서' 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이는 기존 실리콘 기반 칩의 한계를 극복하고 사물인터넷(IoT) 시대를 더욱 앞당길 잠재력을 지닌 기술로 주목받고 있습니다. 마이크로프로세서는 바퀴, 트랜지스터, 인쇄술과 함께 역사상 가장 중요한 발명품 중 하나로 꼽힙니다. 매년 수십억 개의 프로세서가 생산되며 의료, 미디어, 유통, 운송, 정보 관리 등 다양한 산업을 혁신해왔습니다. 인텔의 첫 마이크로프로세서인 4004가 등장한 지 50여 년이 지난 지금, 마이크로프로세서의 성능은 기하급수적으로 향상되었고 비용과 에너지 소비는 극적으로 감소했습니다. 하지만 지금까지 생산된 대부분의 마이크로프로세서는 딱딱한 실리콘 기판 위에서 제작되어 일부 응용 분야에서는 통합에 어려움을 겪어왔습니다. 반면, 플라스틱이나 종이와 같은 유연한 기판 위에 박막 트랜지스터(TFT)를 제조하면 '네이티브 플렉서블 마이크로프로세서'를 만들 수 있습니다. 이는 기존 실리콘으로는 달성하기 어려운 비용으로 다양한 제품에 통합될 수 있으며, 새로운 시장 기회를 열어줄 것으로 기대됩니다. 플렉서블 프로세서, '만물 인터넷'으로 가는 길 상상해보십시오. 식품에 부착된 스마트 라벨이 취급 방식에 따라 유통기한을 변경하여 매년 16억 톤의 음식물 쓰레기를 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 혹은 수도관에 부착된 저렴한 진동 센서가 메쉬 네트워크를 통해 연결되어 누수를 정확히 파악하고, 수도꼭지에 도달하기 전에 손실되는 32조 6천억 리터의 물을 절약할 수 있습니다. 인간이 만든 물질의 양이 지구상의 모든 생명체의 무게와 맞먹는 1조 1천억 톤에 달하며 2040년까지 두 배로 늘어날 것이라는 사실은 충격적입니다. 더 많은 일상적인 물건들을 '스마트'하게 만들고, 각 부품을 원래 생산자에게 반환하여 재제조할 수 있도록 지원함으로써 이 '인공적인 물건'의 산을 줄일 수 있을지도 모릅니다. 우리는 스마트 객체, 임베디드 프로세싱, 그리고 '만물 인터넷'의 가능성을 이제 막 탐구하기 시작했습니다. PlasticArm: 접근 가능한 플렉서블 프로세싱 ARM은 최근 'PlasticArm'이라는 야심찬 연구 프로젝트의 세부 사항을 공개했습니다. 이 프로젝트의 목표는 최첨단 TFT를 사용하여 유연한 플라스틱 기판 위에 매우 저렴한 ARM 기반 마이크로컨트롤러를 구축하는 것의 실현 가능성을 탐구하는 것이었습니다. PlasticArm은 128B의 RAM과 456B의 ROM만을 갖춘 극도로 미니멀한 Cortex-M0 기반 시스템 온 칩(SoC)이었지만, 현재 최첨단 기술보다 12배 더 복잡합니다. PlasticArm은 PragmatIC Semi의 0.8µm 금속 산화물 TFT 기술을 사용하여 59mm^2 면적에 39K NAND2 게이트 등가물만으로 구현되었습니다. (자세한 내용은 최근 Nature에 게재된 논문을 참고할 수 있습니다.) 센서, 디스플레이, 배터리와 같은 플렉서블 전자 부품은 이미 존재하지만, 완전한 플렉서블 통합 스마트 시스템을 완성하기 위해 필요한 누락된 구성 요소는 마이크로프로세서였습니다. 실리콘 다이를 얇게 만들어 플렉서블 마이크로프로세서를 생산한 사례도 있지만, 이는 비용이 많이 들고 여전히 통합에 어려움이 있습니다. 반면, 네이티브 플렉서블 프로세서는 다른 플렉서블 부품과 긴밀하게 통합되어 스마트 헬스 패치와 같은 제품에 사용될 수 있는 완전한 플렉서블 통합 스마트 시스템을 만들 수 있습니다. 플렉서블 프로세싱의 상업화 PlasticArm은 완전한 상업화로 가는 복잡한 여정의 초기 단계이자 개념 증명입니다. 더 크고 복잡한 시스템을 만드는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 전력 소비입니다. 29kHz로 작동하는 PlasticArm은 21mW의 전력을 소비합니다. 이는 주로 n형 전용 공정으로 구현되었기 때문에 발생하는 정적 전력 소비입니다. P형 TFT가 CMOS 로직의 상업적 실현 가능성에 도달하는 즉시, 80년대 실리콘에서 그랬던 것처럼 이 정적 전력 소비는 극적으로 감소할 것입니다. 공정 축소에 있어서 플렉서블 전자는 실리콘보다 40~50년 뒤처진 속도로 무어의 법칙을 따르는 것으로 보입니다. 예를 들어, 2011년 인텔 4004 출시 40년 후, IMEC은 8비트 플라스틱 ALU를 선보였습니다. 그리고 2020년, 최초의 실리콘 ARM 출시 35년 후 PlasticArm이 등장했습니다. 이러한 추세가 계속된다면 플렉서블 전자 분야의 급격한 성장을 볼 수 있을 것입니다. 하지만 이는 결코 실리콘을 따라잡거나 대체하지는 못할 것입니다. 또 다른 과제는 전원 공급 장치와 관련될 것입니다. 리튬 이온 배터리는 대량 생산되는 플렉서블 응용 분야에 비실용적이고 비용이 많이 들 가능성이 높습니다. 이러한 장치 중 일부는 수년간 작동해야 하므로 신뢰성이 매우 중요합니다. 따라서 에너지 하베스팅과 간헐적인 컴퓨팅의 결합이 필요할 것입니다. 플렉서블 프로세서는 인쇄형 배터리, 압전 소자 또는 RF 주파수를 이용한 에너지 하베스팅을 필요로 할 가능성이 높습니다. 이러한 기술들은 모두 유망하지만, 아직 초기 실험 단계에 머물러 있습니다. 마찬가지로 메모리, 스토리지, 소프트웨어, 펌웨어, 보안 및 네트워킹, 그리고 플렉서블 프로세서를 보완할 기타 기술들도 개발되어야 합니다. 일부는 실리콘 생태계에서 직접 가져올 수 있습니다. PlasticArm은 ARMv8 아키텍처를 기반으로 구축되었기 때문에 소프트웨어 개발자는 기존 툴체인을 활용할 수 있습니다. 그러나 다른 기술들은 상당한 수정이나 재발명이 필요할 것입니다. 데이터 관리도 주요 과제 중 하나가 될 것입니다. 플렉서블 SoC는 네트워크 트래픽과 스토리지를 최소화하면서도 들어오는 데이터를 적절히 분석하여 소비자나 제조업체가 가치 있다고 판단할 만한 결과를 생산해야 합니다. 장치 및 엔드포인트에서의 AI 강화는 이러한 상충되는 요구 사항의 균형을 맞추는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 환경 문제 극복 더 많은 칩, 심지어 작은 칩이라도 플라스틱 및 전자 폐기물 증가로 이어질 것입니다. 2019년에는 5천 3백만 톤의 전자 폐기물 중 17.4%만이 제대로 재활용되었습니다. 플라스틱 프로세서는 재활용 가능하거나, 더 나아가 원래 수명이 다한 후 재활용될 수 있어야 합니다. 전자 제품의 재활용 기술은 주요 시장이 될 것으로 예상되지만, 연구, 개발 및 배포는 아직 초기 단계에 있습니다. 물론 비용도 거의 제로 수준으로 낮아져야 합니다. 장치를 호스트 제품에 직접 통합하는 기술, 산업 표준, 라이선스 가능한 코어 설계, 오픈 소스 라이브러리 등이 향후 몇 년간 비용 절감을 주도할 것입니다. 이러한 기술들이 발전함에 따라 장비 세트 및 파운드리 서비스 개발에 대한 관심도 증가하여 선순환 구조를 더욱 강화할 것입니다. 공급망과 경제 관계도 변화할 것입니다. 수십억 달러 규모의 팹이 수백 명의 고객에게 서비스를 제공하는 대신, 플렉서블 IC는 최종 고객 시설에 위치한 더 작고 분산된 팹에서 반전문가에 의해 운영될 수 있습니다. 이 시장이 정확히 어떻게 발전할지 예측하기는 어렵지만, 잠재적인 이점과 사용 사례가 너무 커서 무시할 수 없기 때문에 시간이 지남에 따라 성공할 것이라고 확신합니다. 플렉서블 전자는 실리콘을 대체하지도, 성능 면에서 따라잡지도 못할 것입니다. 대신, 현재의 능력을 증폭하고 반도체의 도달 범위를 확장하는 병렬 우주로서 존재할 것입니다. 이 기사는 원래 Semiconductor Engineering에 게재되었습니다. ARM에서의 연구는 우리의 업무의 중심입니다. ARM Research Impact Report 2021은 엔드포인트 AI, 고성능 컴퓨팅, 사이버 보안 등에 대한 우리의 탐구 아이디어를 개괄적으로 보여줍니다. ARM Research Impact Report를 읽어보십시오.