Fab-반도체 공장-은 전자 제품의 기초입니다. Fab의 중요성은 실리콘 벨리의 카우보이였던 제리 샌더스가 남긴 이 말만 봐도 알 수 있지요. "진짜 사나이라면 Fab가 있어야 한다" 아, 참고로 제리 샌더스는 AMD를 만든 사람입니다. 지금 AMD는 Fab를 갖고 있지 않지만.

반도체 공장(Fab)의 투자는 10억 달러를 단위로 계산합니다. 어지간한 실력이 없으면 시작도 못할 일이지요.

하지만 Fab는 경쟁에서 이기는 데 도와주는 조건일 뿐, 필수 조건은 아닙니다. Fab가 꼭 있어야 하던 시절은 이미 지났지요. 영상 반도체 업계의 큰 손인 캐논은 최근 이 부분에서 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 최근 chipworks가 발표한 센서 관련 데이터를 보면, CMOS 센서를 차근차근 자체 생산해왔던 거대 기업 캐논이, 반도체 제조 공정은 상당히 오랜 시간 동안 500nm 선폭에 머물러 있다는 것을 알 수 있습니다. Fab이 없는 니콘이나 라이카는 이미 180nm 와 110nm로 올라간 지 오래죠. 예. 500나노, 180나노, 110나노입니다. 컴퓨터에 들어가는 칩하고는 공정 세대가 좀 많이 차이나죠?

낙후된 공정 때문에 캐논의 풀프레임 센서 픽셀 크기는 6미크론 수준에 머무르고 있습니다. 니콘은 이미 4.75미크론까지 줄였지요. 이 숫자 뒤에는 무엇이 숨겨져 있을까요? 이것이 캐논의 카메라 산업에 얼마나 큰 영향을 미칠까요? 오늘 여기선 캐논 디지털 카메라와 캐논 센서 반도체 공장에 어떤 일이 있는지 알아보도록 합시다.

반도체 제조 공정이 디지털 카메라에 어떤 영향을 주는가?

우리에게 익숙한 CPU나 GPU와 다르게, 디지털 카메라에 들어가는 CMOS나 CCD 센서는 제조 공정의 발전 혜택을 보기가 매우 어렵습니다. CPU, GPU에선 이런 이야기가 통합니다. 성능이 배로 늘어나고 전력 사용량이 배로 줄어든다. 무어의 법칙이지요. 그러나 무어의 법칙은 디지털 카메라 분야에선 통하지 않습니다.

디지털 카메라 센서의 픽셀 크기는 500nm-5미크론 정도에 머무르고 있습니다. 고감도 성능은 더 높은 정밀도의 고성능 아날로그-디지털 전환기(AD)의 개선을 통해 이루어지고 있지요. 반도체 공정 개선을 거친 회로와 센서 위의 픽셀은 1대 1 대응되는 관계가 아닙니다. 성능, 전력 사용량 역시 그리 큰 변화가 생기기 어렵지요. 이것은 캐논의 구닥다리 반도체 제조 공정 기술이 아직까지고 끈질기게 살아 남은 원인입니다.

따라서 많은 사람들은 자연스럽게 이런 결론을 내게 됩니다. 캐논의 제조 공정이 뒤떨어진 게 뭐 어쨌다고? 카메라 센서는 CPU가 아니니까 선폭이 미치는 효과가 그리 크진 않을 거야. 하지만 이 결론이 맞는 걸까요? 이 점에 대해 알아보도록 합시다.

DXOmark(http://www.dxomark.com/)에서 지금 출시된 대부분의 센서와 렌즈에 대해 테스트해서 결과를 정리해 둔 것을 보면, 객관적으로 각종 센서의 성능을 비교해 볼 수 있습니다. 여기서는 DXOmark의 데이터를 가지고 비교해 보도록 하겠습니다.

여기서 주의해야 할 것은, DXOmark의 기준 값이 사진을 100% 크기로 놓고 비교한 건 아니라는 겁니다. 800만 화소로 리사이즈해서 비교한 것이지요. 그래서 화소가 낮은 카메라는 불리하고 화소가 높은 건 엄청난 결과가 나올 수밖에 없습니다. 하지만 대부분 사용자들에게 있어서는 참고할만한 데이터입니다. 2560x1600 해상도의 모니터조차도 800만 화소 이미지를 100% 크기로 볼 수 없거든요.

위 그림에서 캐논 5D을 보면 아시겠지만, 5D 시리즈는 한단계 한단계씩 고감도 성능을 높여오고 있습니다. 이것은 제조 공정이 변하지 않아도 픽셀을 늘리고 고감도 성능을 늘리는 것이 가능하다는 것을 의미합니다. 최소한, 일정 수준의 범위 안에서는 말입니다.

물론, DXOmark의 데이터를 자세히 보면 아시겠지만, 5D 마크 2와 5D 마크 3에서 넘어갈 때 Color Depth의 변화는, 5D에서 5D 마크 2로 건너갈 때의 발전만큼 크지 않다는 것을 알 수 있습니다. 다이나믹 레인지의 경우 심지어 5D 마크 3가 5D 마크 2보다 오히려 떨어지기도 했지요. 500nm 공정의 밑천이 드디어 다 드러난 것일까요? 이럴 때 경쟁상대와 비교해 볼 필요가 있습니다. 니콘의 이전 세대 플래그쉽인 D3X는 250nm 공정을 쓰며, 최신 보급형 풀프레임인 D600은 180nm를 씁니다. 반도체 공정만 놓고 보면 캐논의 500nm 공정보다 2~3세대 정도 앞선 것이지요. 이 제품들의 센서를 비교하면 이렇습니다.

데이터를 보면 아시겠지만 픽셀 수가 비슷하다는 전제 조건 하에, 캐논의 최신형 바디인 5D 마크 3는 4년 전의 플래그쉽보다 고감도 성능이 뛰어날 뿐, 다이나믹 레인지와 컬러 뎁스는 완전히 패배했습니다. 같은 시기에 출시된 보급형 풀프레임인 D600의 경우 5D 마크 3와 D3X를 모두 압도하고 있지요. 공정의 영향이 크다는 이야기입니다.

핵심 요소 중의 핵심. 마이크로 렌즈

전통적인 필름 카메라는 단순한 화학 반응을 통해 감광을 실현합니다. 감광 부분은 평평한 평면이며, 입사된 광선이 필름 표면에 반사되서 일부 빛을 잃긴 하지만, 대부분의 빛을 활용할 수 있습니다. 그러나 CCD나 CMOS 센서의 원리와 구조는 그보다 훨씬 복잡합니다. 픽셀의 실제 개념은 최소 감광 유닛을 가리키는 것일 뿐이지요. 디지털 카메라의 센서 위에 있는 각각의 감광 유닛은 매우 복잡한 구조를 지니고 있습니다. 깊은 우물 같다고 해야 할까요.

센서를 측면에서 보면 대략 이렇습니다.

센서를 옆에서 잘라 보면 우물같은 구조를 하고 있습니다. 입사광은 마이크로 렌즈를 통해 모아지며, 단색 필터를 통과한 다음, 그 후에야 비로소 화소에 들어가게 됩니다. D4의 센서를 보면 이 과정의 길이는 9.6미크론이고,  D800은 7미크론밖에 안됩니다.

이걸 보시면 아시겠지만, 센서 표면의 상당 부분이 감광에 참여하지 않습니다. 또 센서 역시 필름과 마찬가지로 표면 반사를 지니고 있으며 여기에 내부 회로 저항 때문에 입사광의 효율은 40% 수준으로 떨어지게 됩니다. 입사광의 효율을 높이는 것이 센서 제조사들의 목표이며, 빛의 이용율을 높이면 컬러 뎁스, 다이나믹 레인지, 고감도 성능이 모두 향상됩니다.

빨간색 테두리로 표시한 것이 화소의 진짜 크기입니다.

지금 Chipworks는 니콘 D4의 센서를 예로 들어서 설명하고 있는데요. 픽셀-화소라고 표시한 빨간색 정사각형이 CMOS에서 감광-빛을 받아 반응하는- 구역입니다. 그 주변에 있는 T1, VSS 이런 것들은 모두 보조용 트랜지스터나 각종 포트의 위치를 가리키지요. 파란색 테두리는 그런 주변 요소까지 다 합친 크기를 가리키구요. 이 사진을 보시면 하나의 픽셀이 차지하는 구역(파란색 사각형)에서, 상당한 부분이 빛에 반응하지 못하는데(파란색 사각형에서 빨간색 사각형을 뺀 나머지 부분), 이것은 상당한 낭비입니다. 센서 제조사는 이 문제를 진작 파악하고 있었는데요. 이를 해결하기 위해 마이크로 집광 렌즈를 써서 빨간색 사각형으로 표시한 픽셀 안에 더 많은 빛을 모을 수 있도록 하고 있습니다.

전자 현미경으로 본 D600 CMOS 센서 표면의 마이크로 집광 렌즈

마이크로 렌즈를 개선할 때마다 센서의 성능은 상당한 발전을 이루게 됩니다. 캐논은 500D에서 550D로 업그레이드하면서 마이크로 렌즈의 변화를 이렇게 묘사했습니다.

500D의 센서는 마이크로 렌즈 사이에 간격이 있었습니다. 동시에 빛이 지나가는 경로가 비교적 길어, 화소의 중앙 구역만 지나갈 수 있었죠. 따라서 빛을 받는 효율이 낮았습니다. 550D에선 마이크로 렌즈 사이의 간격을 없애버리고 빛의 경로를 단축시켰습니다. 마이크로 렌즈가 센서의 모든 구역을 커버하게 되면서 입사광 효율이 대폭 상승했지요. 그렇게 되면서 500D가 두고두고 까였던, '센서는 업그레이드됐지만 화질은 떨어졌다'라는 말에서 벗어날 수 있었습니다.

DXOmark의 데이터를 보면 그 점을 알 수 있습니다. 500D는 화소 수가 대폭 늘었지만 컬러 뎁스는 줄었습니다. 550D/600D가 되서야 다시 원상 복구가 됐지요. 고감도 성능 역시 한 단계 상승했습니다. 다이나믹 레인지는 변하지 않았지만.

같은 시기에 니콘은 카메라 센서를 CCD에서 CMOS로 바꿨습니다. 저가형 센서 공정도 350nm에서 180nm로 업그레이드됐지요. 니콘의 DSLR을 보면 상당히 놀라운 것을 볼 수 있는데, 반도체 공정이 업그레이드된 후 니콘 센서의 3개 스펙이 모두 급격한 발전을 이루었다는 것입니다. 캐논 센서의 재탕삼탕 사골센서와 견줄 바가 아니지요. 마이크로 렌즈가 중요하긴 하지만 그걸로 커버할 수준이 아닌 것처럼 보이는데요.

선폭이 승패를 결정한다

라이카가 올해 발표한 라이카 M 카메라의 기술 문서를 보면, 이 글을 해답을 찾을 수 있습니다.

라이카의 기술 먼서에 따르면 전통적인 설계의 마이크로 렌즈는 그 성능이 매우 한정되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 비스듬한 각도로 들어오는 빛은 센서에서 빛을 받지 못하는 구역으로 들어가는 일이 비일비재합니다(위 사진). 더 큰 문제는 그렇게 들어온 빛이 부정확한 반사를 일으켜, 회로 내부에서 반사가 되면서 인접 센서에 영향을 줄 수도 있다는 것이지요. 이 경우 반사된 빛이 들어간 센서는 컬러 뎁스와 다이나믹 레인지가 떨어지게 됩니다. 여기서 한 가지 짚고 넘어갈 건, 지금은 빛이 연속해 반사되는 것을 막기 위해 포서드 시스템이나 DSLR에선 수직 입사가 더 이상 존재하지 않는다는 것입니다. 특히 풀프레임 DSLR의 경우 반사광 오염 문제는 상당히 심각하지요.

라이카 M에서, 라이카는 그리 비싸지 않은 제조 비용을 들여 마이크로 렌즈의 구조를 개선했습니다. 위 그림처럼 렌즈의 반경을 늘려서 렌즈를 더욱 깊게 만든 것이지요. 비스듬히 들어오는 빛이건 곧게 들어오는 빛이건 모두 화소가 빛을 받을 수 있는 곳으로 들어올 수 있어, 라이카 M이 높은 화질을 낼 수 있게 해줍니다.

라이카 M의 풀프레임 센서. 텍사스 인스트루먼트의 110nm 공정으로 만들었습니다.

이 사례에서 우리는 반도체 제조 공정의 영향을 결코 무시할 수 없습니다. 라이카 M의 센서는 텍사스 인스트루먼트의 110nm 공정을 써서 만들었는데, 직경이 몇 미크론인 마이크로 렌즈에게 있어, 500nm짜리 칼을 쓰는 것과 110nm짜리 칼을 써서 조각을 하는 건 상당한 차이가 날 수 밖에 없습니다. 선폭이 작을수록, 더욱 미세한 반도체 공정을 만들 수 있고, 더욱 쉽게 저렴한 제품을 만들게 되고, 더욱 만족스러운 마이크로 렌즈가 나오게 됩니다. 마이크로 렌즈의 좋고 나쁨은 센서의 최종 성능에 직접적인 영향을 줍니다. 이것은 니콘 센서가 지금 캐논을 앞선 이유이기도 합니다.

나쁘지 않은 가격의 고급형 센서를 만들고 있긴 하지만, 캐논은 여전히 고감도 성능에서만 니콘보다 나을 뿐(고감도 성능은 상당수가 이미지 후처리를 통해 실현하며, 이미지 프로세서의 성능에 대해 여기서 말할 필요는 없겠지요)입니다. 1Dx가 최고 중의 최고의 위치를 차지했다고는 해도, 캐논은 1Dx에 2개의 DIGIC5+ 프로세서와 1개의 DIGIC4 프로세서를 넣은 후에야, 1개의 이미지 프로세서를 넣은 D4와 고감도에서 비슷한 수준을 유지할 수 있었습니다. (이미지 프로세서가 고감도 때문에 들어간 건 아니고, 1Dx는 연사나 측광 때문에 저런 조합을 쓰기도 했지만) D800같은 고화소에 넓은 관용도를 지닌 고화질 괴물을 상대하는 건, 그냥 포기하는 게 나을 것 같네요.

니콘 D800의 CMOS 센서는 180nm 공정, 유효 화소 3600만 화소를 자랑합니다. 캐논의 센서 화소를 비웃기에 충분하지요.

캐논 제조 공정의 곤경

캐논의 반도체 제조 공정은 이미 한계에 도달하지 않았을까요? 650D가 그 답을 알려주고 있습니다. 600D에서 650D로 가면서 화소 크기는 변하지 않았습니다. 여전히 4.2미크론이지요. (1800만 화소 캐논 APS-C 센서의 화소 크기는 모두 4.2미크론입니다) 캐논은 니콘 1 시리즈 미러리스와 비슷한 하이브리드 AF 모듀을 센서에 넣었는데요, 하지만 이런 변화가 재난을 불러올 것이라곤 생각지 못한 듯 합니다. 650D의 센서 스펙은 전부 떨어졌거든요.

퇴화가 또 일어났습니다. 예전에 사람들에게서 욕을 먹었던 500D는 고감도 성능만 떨어졌고 다른 건 다 유지했지만, 이번에는 센서의 모든 성능이 다 후퇴한 것입니다. 더 복잡해진 회로, 더 늘어난 트랜지스터는 이미 캐논의 구닥다리 공정을 짓누르고 있습니다. 4.2미크론 크기의 픽셀은 이미 캐논의 극한까지 달한 것이지요. 다른 부분에서, 경쟁상대는 이미 3.8미크론 크기의 픽셀을 쓴 센서를 쓰고 있습니다. 다라서 반도체 공정이 이미 캐논의 발목을 잡고 있다 할 수 있겠습니다.

한때 자체 생산한 센서는 캐논의 자랑거리였지만 지금은 오히려 약점이 되고 있습니다.

그럼 캐논은 왜 발전하지 않는 것일까요. 왜 새로운 반도체 제조 공정을 도입하지 않는 것일까요? 내부에서 돌고 있는 소문에 의하면, 최신 반도체 공정과 최신 기술은 모두 탁자 위에서 벌어지는사업적인 문제에 얽혀 있습니다. 캐논이 돈을 쓰기만 한다면, 분명 최신의, 더 좋은 기술을 쓸 수 있을 것입니다. 그걸로 자사 Fab에 활력을 불어넣을 수도 있겠지요. 그런데 문제는 돈을 써야 한다는 겁니다.

승패가 모두 한 가지에 달리다

앞에서 이야기했지만, 어떤 제조사건 간에 Fab은 항상 돈이 매우, 매우, 매우 많이 드는 분야입니다. 인텔은 2013년에 미국 오레건 주에 위치한 Fab D1X의 새 공장을 위해 60~80억 달러를 투자하는 것으로 알려졌습니다. 무어의 법칙에 따라 반도체 기술이 매일 발전하는 속도가 까마득할 정도이며, 새로운 Fab의 생명 주기는 대략 3~5년 정도밖에 안됩니다. 디지털카메라 센서의 세대 교체가 그렇게 빠르진 않다 하더라도, 5~7년이면 도태될 것입니다.

Fab에 들어가는 설비의 가격은 몇 천만, 몇 억이 기본 단위입니다.

인텔은 프로세서 시장에서 맞설 자가 없습니다. 인텔의 Fab은 매년 계속해서 안정적인 수요가 나오지요. 그래서 항상 100% 가동이 가능하며, 그 덕분에 인텔은 대담하게 Fab을 확장할 수 있는 것입니다. 문제는, 캐논도 그러냐는 것입니다. 캐논 반도체 공장의 고객은 오직 하나밖에 없습니다. 캐논 자신이죠. 지금 대세가 된 소니 반도체(심지어 캐논의 저가형 카메라에 들어가는 CMOS 센서조차 소니가 만듭니다), 이제는 한물 간 Aptina, PANA 같은 회사들을 생각해 보면, 답이 그리 간단하진 않을 것입니다.

인텔은 우리에게 이렇게 말합니다. 반도체는 돈 없으면 못 만든다고.

캐논은 자체 제작한 센서를 통해 경쟁 상대의 포위를 해쳐나갈 수 있었습니다. 1DS, 300D, 5D 같은 명기들은 모두 캐논의 공장에서 나온 센서를 쓴 것들이지요. 하지만 그 자체 제작 센서가 지금은 캐논의 짐이 되고 있습니다. 현재 오래된 경쟁상대인 니콘의 카메라 센서는 이미 180nm 라인에서 생산 중이며, 소니는 심지어 90nm CMOS 공정을 써서 최신 스마트폰과 태블릿의 카메라에 들어가는 센서를 만들고 있습니다.

캐논이 이미 180nm의 새 공정에 투자와 건설을 시작했으며, 현재 테스트 중이라는 소문도 있습니다. 이게 진짜이길 바랍니다. 캐논은 새 공정으로 만든 센서를 빨리 도입해야 할 생황입니다. 캐논이 이 업게에서 발을 뺀다면 재미가 없거든요.

소스: http://www.evolife.cn/html/2012/68166.html