다양한 웨어러블 시장을 발굴하기 위한 시도

 

퀄컴의 스냅드래곤 웨어는 스마트워치 같은 웨어러블 디바이스 용 SoC(System on a Chip) 제품군입니다. 스마트 워치는 요란하게 등장했으나 시장의 확대는 미적거리는 상황입니다. 어느 정도의 시장은 쌓을 수 있었으나, 스마트폰이라는 넓은 시장과 비교하면 아직입니다. 따라서 칩 업체는 웨어러블 디바이스를 성공시키기 위한 칩 개발에 주력하기 시작했습니다.

 

1세대 스마트워치는 이전 세대의 모바일 용 SoC를 저전압으로 구동시킨 제품이 많습니다. 따라서 저전력에도 한계가 있고, 1주일 이상의 배터리 라이프를 웨어러블 디바이스에서 실현할 수 없었습니다. 또한 많은 제품이 호스트 디바이스와의 연결에 의존하고 있으며, 무엇보다 활동 추적 같은 간단한 웨어러블 디바이스보다 가격이 훨씬 높았습니다.

 

1세대 스마트워치의 대부분은 모바일 디바이스를 웨어러블로 가져온 제품이었습니다. 고기능 다용도라는 장점은 있어도 특정 용도에 특화해서 쓰기 쉬운 제품은 아닙니다. 비싼 칩과 디스플레이를 갖춘 고가의 제품은 여러 분야에 쓸 수 있기를 기대하는 것이 당연합니다. 그리고 많은 기능을 실현하다 보면 가격이 비싸진다는 악순환이 이어집니다.

 

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다양한 시장에 쓰이는 웨어러블 디바이스

 

웨어러블 시장을 확대하기 위한 길은 간단합니다. 많은 기능을 추구하지 않는다는 것이지요. 특정 기능에 맞춰 훨씬 저렴한 가격에 판매되며 1주일 이상 사용 가능한 배터리 사용 수명에 독립적으로 운용이 가능한 장치. 이것이 시장 확대의 열쇠가 될 것으로 전망되고 있습니다. 한마디로 몇 만 원이면 부담없이 살 수 있어, 어린이의 위치 추적과 활동량 측정과 같은 용도로 쓸 수 있고, 충전을 별로 걱정하지 않는 장치를 만들자는 것입니다.

 

PC와 다르게 웨어러블 디바이스는 하나의 제품으로 모든 것을 대응하지 못합니다. 다양한 시장에 쓰이는 웨어러블 디바이스를 커버하기 위해선 폭넓은 범위의 제품이 필요합니다. 칩 아키텍처, 물리적 디자인, 공정 기술, 소프트웨어 스택까지. 모두가 변화해야 할 필요가 있습니다.

 

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웨어러블 시스템 아키텍처

 

 

1주일의 배터리 수명에 최적화된 스냅드래곤 웨어 1100

 

퀄컴의 스냅드래곤 웨어 제품군은 이러한 상황에 대응한 칩입니다.

 

우선 현재의 다기능 스마트워치를 위해선 웨어러블에 최적화된 설계인 스냅드래곤 웨어 2100이 있습니다. 28nm 공정으로 낮은 전력 사용량과 저렴한 가격이 가능한 칩입니다. 쿼드코어 Cortex-A7, 초소형 쉐이더 GPU인 Adreno 304, 올웨이즈 온 센서 허브를 탑재하고 무선 통신은 LTE / Wi-Fi / 블루투스가 있습니다. 스냅드래곤 2100의 특징은 고기능 스마트워치에서 스마트폰 SoC 수준의 시스템을 보다 저전력으로 구현했다는 것입니다. 퀄컴의 특기인 LTE 모뎀을 탑재해 독립적으로 운용도 가능합니다.

 

그러나 스냅드래곤 웨어 2100에서는 다기능 스마트폰을 커버할 수 있으나, 웨어러블 시장을 넓혀 더 저렴한 가격에 최적화된 디바이스는 커버하지 못합니다. 그래서 퀄컴은 스냅드래곤 웨어 1100을 컴퓨텍스에서 발표했습니다. 스냅드래곤 웨어 1100은 적은 수의 기능을 갖춘 스마트워치와 활동 추적 장치, 스마트 헤드셋, 스마트 액세서리 등의 시장을 커버합니다.

 

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스냅드래곤 웨어 2100과 1100의 차이

 

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스냅드래곤 웨어 2100이 커버하는 제품 분야

 

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스냅드래곤 웨어 1100이 커버하는 제품 분야

 

스냅드래곤 웨어 1100은 싱글 코어 Cortex-A7, 기본 기능만 갖춘 GPU ,센서 허브, LTE 모뎀을 탑재합니다. 퀄컴은 LTE를 통합해 LTE의 장점을 모바일 뿐만 아니라 웨어러블 디바이스에서도 살리자는 전략을 갖고 있습니다. 기능적으로는 스냅드래곤 웨어 1100이 상위 모델인 2100에서 기능을 줄인 것처럼 보이나 실제론 전혀 다릅니다.

 

퀄컴에 따르면 코어의 구성과 구형 등 모든면에서 저전력에 최적화됐다고 합니다. 같은 Cortex-A7 코어라 하지만 2100과 1100은 구성과 구현이 다른 것으로 보입니다. 따라서 스냅드래곤 웨어 1100은 LTE에 연결해 대기 상태에서도 1주일 동안 배터리가 유지되는 것이 가능합니다.

 

1주일의 배터리 수명이라는 건 진정한 웨어러블 디바이스를 실현하기 위한 스펙이며, 보다 넓은 사용자 층에 보급하기 위한 핵심 요소입니다.  "매일 충전하거나 3일에 한번 충전하는 걸 기억하기란 어렵습니다(웃음). 충전하지 않으면 쓰지 않게 됩니다. 충전에 습관을 붙이는 데 관건은 사용 주기에 맞는 배터리 사용 시간입니다."라고 ARM의 James Bruce(Director of Mobile Solutions, ARM)는 말합니다.

 

 

스냅드래곤 웨어 2100과 1100의 큰 차이

 

스냅드래곤 웨어 2100과 1100을 좀 더 자세히 보면 차이가 더욱 명확해집니다. CPU 코어는 두 제품 모두 Cortex-A7이며  최고 1.2GHz로 동작합니다. CPU 코어 수는 2100이 쿼드코어로 저가형 모바일 SoC 수준이나, 1100은 싱글 코어입니다. 또한 CPU 코어 자체의 구성도 달라 스냅드래곤 웨어 1100 코어 쪽이 더 저전력에 최적화돼 있습니다. 누설 전류가 많이 나오는 캐시 SRAM의 용량도 256KB로 작습니다.

 

GPU 코어는 2100이 최소 구성의 쉐이더 3D 그래픽인 Adreno 304로 OpenGL ES 3.0를 지원합니다. 640 × 480 해상도를 60fps로 구동할 수 있습니다. 반면 1100은 2D 그래픽을 상정한 기본적인 기능을 갖춘 그래픽 엔진입니다. 메모리 컨트롤러는 2100이 LPDDR3을 지원하며 1100은 현재 가격이 저렴하고 용량도 작은 LPDDR2를 지원합니다.

 

통신은 2100이 퀄컴 X5 모뎀을 내장하고 LTE는 Category 4 (CAT4)의 고속 통신을 지원하며, 블루투스, WiFi도 가능합니다. 반면 1100은 기본적으로 CAT1 LTE 모뎀만 있으며 Wi-Fi는 옵션입니다. OS는 스냅드래곤 웨어 2100이 안드로이드와 안드로이드 웨어를 지원하나, 스냅드래곤 웨어 1100은 리눅스와 리얼타임 OS(RTOS)가 있습니다. 허나 앞으로 1100 급의 칩도 안드로이드/안드로이드 웨어를 지원하게 될 것입니다.

 

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스냅드래곤 웨어 2100과 1100의 차이

 

퀄컴은 스냅드래곤 웨어 1100를 기존의 피쳐폰 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)와 비교했습니다. 피쳐폰의 연장선상에서 저전력 웨어러블 칩이 있다고 보는 관점이 재미있는 부분입니다. 2015년에는 퀄컴이 6270을 웨어러블용으로 내놓았습니다.

 

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2015년에 퀄컴의 IoEDay에선 6270을 웨어러블 전용이라 설명했습니다.

 

기존에 피처폰을 위한 퀄컴 6270/6155은 2006년에 발표한 칩으로 65nm 공정 3G 네트워크입니다. 반면 스냅드래곤 웨어 1100은 28nm에 4G LTE CAT1입니다. CPU 코어는 퀄컴 6270이 ARM9이고 스냅드래곤 웨어 1100은 Cortex-A7로 차이가 많이 납니다. 패키지 크기는 퀄컴 6270이 가로세로 12mm의 144제곱mm인데 스냅드래곤 웨어 1100은 가로세로 8.9제곱mm로 패키지 크기가 79제곱mm가 됩니다.

 

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기존 피처폰용 AP와 스냅드래곤 웨어 1100의 비교

 

퀄컴은 스냅드래곤 웨어가 2100과 1100 모두 28nm 저전력 공정으로 제조한다고 말하지만 자세한 내용은 밝혀지지 않았습니다. 파운드리가 TSMC 인 경우 28nm 저전력 공정도 2종류가 있습니다. 하나는 28nm 공정이 나왔을 때부터 제공한 28LP고 다른 하나는 2014년부터 제공하기 시작한 28ULP입니다.

 

28ULP는 TSMC가 IoT / 웨어러블 용으로 내놓으면서 쓴 공정입니다. 28LP와 같은 속도로 만들었을 때 활성 전력은 절반, 대기 전력은 3%로 줄었다고 하네요. 누설 전류를 억제할 수 있는 게이트 전압이 매우 높은 eHTV, 성능이 높은 uLVT 등, 게이트 전압의 종류에 따라 트랜지스터의 변종이 4가지가 있습니다. 스냅드래곤 웨어가 28ULP를 쓰는지는 알려지지 않았습니다.

 

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웨어러블/IoT를 위해 TSMC가 개발한 28ULP

 

 

스마트폰 모바일 SoC가 아래로 확장

 

스냅드래곤 웨어 1100의 구성은 2014 에 ARM이 저전력 웨어러블 디바이스를 위한 SoC 레퍼런스로 나타낸 구성과 비슷합니다. ARM 단일 저전력 CPU 코어에 최소 기능의 그래픽 구성을 넣은 것이지요. 저전력 싱글 CPU 코어와 낮은 기능의 그래픽 시스템 등의 구성은 현재의 고기능 스마트폰 시대가 시작되기 전의 피처폰 핸드폰 AP에 가깝습니다. 그러나 올웨이즈 온 센서 허브 통합 등 웨어러블에 특화된 기능도 갖춥니다.

 

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ARM이 2014년의 ARM Techcon 컨퍼런스에서 보여준 저전력용 SoC

 

웨어러블과 같은 용도는 AP와 MCU(Micro-Controller) 사이에 있습니다. MCU는 Cortex-M 제품군과 같은 저전력 저성능 저가형 프로세서 코어에 워킹 메모리와 저장 메모리를 내장 한 원칩 구성이 일반적입니다.

 

이런 기본적인 용도도 원래는 MCU의 영역이었습니다. 그러나 앞으로 스마트 웨어러블 디바이스는 MCU로 커버할 수 없는 더 강력한 CPU와 OS를 필요로 하고 있었습니다. 하지만 스마트폰용 SoC는 고성능을 추구하는 경우가 너무 많아, 보급형 웨어러블 디바이스는 불필요하게 고사양인 칩이 됐습니다. 스냅드래곤 웨어 1100은 그 공백을 채울 시도라고도 할 수 있습니다.

 

웨어러블에 필요한 기능에 맞춘 스냅드래곤 웨어 1100은 스마트폰 SoC에 가까운 스냅드래곤 웨어 2100과는 크게 다릅니다. 스냅드래곤 웨어 2100은 저렴하게 저전력 웨어러블 디바이스를 만들 수 없으나, 스냅드래곤 웨어 1100은 더 넓은 시장에 대응할 수 있는 크기와 전력, 비용을 갖췄습니다. 사실 스냅드래곤 웨어 1100과 비슷한 칩을 몇 개 업체가 개발하고 있어 앞으로 하나의 흐름이 될 것 같습니다.

 

 

MCU와 MPU 사이에 메꿔지는 격차

 

그러나 스냅드래곤 웨어 1100과 같은 유형의 솔루션이 성공할지는 아직 명확하지 않습니다. 거기에 현재의 보급형 웨어러블 디바이스 칩의 한계도 나타나고 있기 때문입니다. 그것은 MCU / MPU의 격차와 웨어러블 / IoT (The Internet of Things)를 위한 통신 규격입니다. 이러한 벽 때문에 현재는 저가형 저전력에도 한계가 있습니다.

 

퀄컴은 스냅드래곤 웨어 1100의 첫번째 응용 분야로 어린이를 위한 시계를 상정하고 있습니다. 아이에게 이 시계를 채우고, 부모가 자녀의 위치를 추적함과 동시에 어린이와 언제든지 통화가 가능하며, 아이끼리도 대화할 수 있는 그런 장치입니다. 어린이가 써야 하니 배터리 수명은 길어야 하고 가격은 저렴해야 하며 WAN 통신이 필요하기에 스냅드래곤 웨어 1100은 안성맞춤인 대상입니다. 반대로 말하면 그 이외의 시장은 스냅드래곤 웨어 1100이라 해도 보급되기가 어렵습니다.

 

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현재의 칩 디자인은 임베디드 저비용 저전력 MCU와 스냅드래곤 웨어 같은 AP용 모바일 SoC와 MPU 탑재 제품 사이에 공백이 존재합니다. 바로 비용과 전력, 성능의 차이입니다. MCU는 저비용 저전력이지만 메모리 등의 제약으로 인해 안드로이드 같은 고성능 운영체제를 실행하게 만들기가 어렵습니다. 한편 MPU를 탑재한 SoC는 다기능 OS를 실행할 수 있지만 외부 메모리를 필요로 하기에 비용과 전력 절감에 한계가 있습니다.

 

"메모리 기술에 주목해 보면 Cortex-M 시리즈 등의 MCU 제품은 외부 DRAM이 필요하지 않아 저전력 작동하며 비용도 저렴합니다. 그러나 문제는 안드로이드 같은 OS를 실행시킬 수 없다는 점입니다. 이를 위해선 외부 DRAM이 필요한데, 이 경우 제조 비용이 늘어나고 배터리 수명이 줄어들게 됩니다."라고 ARM의 James Bruce(Director of Mobile Solutions, ARM)는 지적합니다.

 

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현재는 MCU와 MPU를 탑재한 제품 사이에 기능, 비용, 전력의 큰 차이가 존재

 

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ARM 제품 라인도 두가지 방향으로 나뉘어져 있음

 

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같은 웨어러블 칩이라 해도 저전력 저비용 전문 MCU는 다른 설계를 사용

 

스냅드래곤 웨어는 애플리케이션 프로세서 칩을 저전력과 저렴한 가격으로 실현했습니다. 그러나 여전히 외부 메모리를 필요로 하고 있습니다. 따라서 내장 메모리와 별도의 칩으로 이루어지는 MCU는 아직도 전력과 비용에 큰 차이가 있습니다. 이 문제는 기본 기능에 적합한 새로운 비휘발성 메모리 기술이 보급되기 전까진 해결되지 않을 것입니다.

 

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대용량 임베디드에 적합한 비휘발성 메모리가 보급되야 간극을 메울 수 있음

 

또한 통신 표준은 IoT를 위한 여러 규격이 책정돼 있으며, 모두 초 저전력을 목표로 하고 있습니다. IoT / 웨어러블 시장이 대폭 성장하기 위해선 그 시장에 최적화된 통신 규격이 필요합니다. 이 통신 규격의 부분이 아직 확정되지 않은 것이 단점입니다. 따라서 웨어러블 디바이스가 발전하려면 아직 시간이 걸릴 듯 합니다.

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