[프리미엄폰 트렌드]② 모바일AP '10나노·GPU·LTE-A프로'

[아이뉴스24 김문기기자] 스마트폰을 담당하는 핵심 하드웨어 부품들이 해마다 진화하고 있는 가운데, 올해는 새로운 사용자경험(UX) 창출에 이바지할 전망이다. 모바일AP와 디스플레이, 카메라, 생체인식, 배터리 등 하드웨어 측면에서의 우위를 앞세우기 보다는 각 관련 산업들을 엮을 수 있는 매개체로의 역할이 보다 강조된다. 이에 따른 올해 플래그십 스마트폰의 트렌드 변화를 짚어보도록 한다. [편집자 주]

스마트폰 성능을 좌우하는 핵심 부품은 모바일AP다. 스마트폰의 두뇌라 부르기도 한다. 기존 PC와는 달리 소형 폼팩터에 적용해야해 GPU와 통신모뎀 등이 결합된 시스템온칩(SoC)으로 탑재된다. 기본적인 연산속도와 그래픽 성능, 네트워크 지원여부와 전력효율, 입출력 장치의 컨트롤 등 대부분의 부품을 제어한다. 즉, 칩 하나만 바뀌었을뿐인데 전부를 바꿀 수도 있다.

올해 모바일AP는 생산 측면에서 미세공정 도입과 원칩 솔루션의 경쟁력 강화, 네트워크 측면에서 LTE-A 프로 진입, 소비자 입장에서는 다소 무거운 콘텐츠까지도 섭렵할 수 있는 방향으로 설계됐다.

◆ 10나노 공정 진입, 수직 계열화 가속화

올해 출시되는 플래그십 스마트폰의 모바일AP는 10나노(nm) 핀펫 공정으로 설계된다. 갤럭시S8부터 아이폰8(가칭)까지 두뇌 역할을 담당하는 모바일AP가 기존보다 미세화된 공정으로 생산돼 제품화된다.

10나노 핀펫공정으로 설계된 모바일AP는 18일 정식으로 제품에 탑재돼 상용화됐다. 18일 삼성전자 갤럭시S8이 예약구매자들을 대상으로 이통사 개통에 돌입했다. 국내 출시되는 갤럭시S8에는 삼성전자 엑시노스9 시리즈 중 하나인 엑시노스8895이 탑재됐다. 미국과 중국의 경우 퀄컴 스냅드래곤 835가 교차 적용된다. 이 역시 10나노 핀펫 공정으로 삼성전자 파운드리를 통해 생산됐다.

대만 미디어텍도 지난 3월 10나노 기반의 플래그십 모바일AP를 공개했다. ‘헬리오 X30’은 데카코어 프로세서로 2분기 중 실제 탑재된 스마트폰이 출시될 전망이다. 자체 설계한 모바일AP를 탑재시키고 있는 화웨이 또한 하이실리콘을 통해 중반기 10나노 기반의 기린 970 공개할 계획이다.

오는 하반기 출시될 예정인 애플 아이폰8(가칭)의 모바일AP 'A11'도 TSMC를 통해 10나노 공정으로 생산된다. 대만 현지매체들에 따르면 5월부터 양산에 돌입한다.

통상적으로 미세공정화가 진행될 수록 성능과 전력효율이 상승하고 면적비중이 더 낮아지는 효과를 거둘 수 있다. 10나노미터는 10억분의 1미터(m)로 아주 작은 크기다. 회로의 선폭이 10나노미터(nm)임을 의미하기도 한다. 집적도가 높아지면 하나의 웨이퍼에서 더 많은 칩을 만들어낼 수도 있다.

일례로 삼성전자는 지난 2015년 갤럭시S6에 14나노 1세대 공정으로 양산된 엑시노스7420을 탑재했다. 이후 지난해 14나노 2세대 공정으로 생산된 엑시노스8890을 갤럭시S7에 적용했다. 1세대에서 2세대로 진화하면서 성능은 15%, 전력효율은 15% 상승했다. 갤럭시S8에 적용된 10나노 1세대 공정으로 생산된 엑시노스8895는 14나노 1세대 대비 성능은 27%, 소비전력은 40% 절감되는 효과를 가져왔다. 웨이퍼당 칩 생산량은 30% 가량 향상된 것으로 알려졌다.

각 스마트폰 제조업체들은 각자의 플래그십 스마트폰의 성능을 높이기 위해 자체 모바일AP 개발에 한창이다. 부품수직계열화를 통해 보다 최적화된 성능을 이끌어낼 수 있다.

글로벌 스마트폰 시장을 선도하고 있는 삼성전자와 애플은 이미 자체 모바일AP를 설계하고 있다. 화웨이도 마찬가지다. 여기에 샤오미도 파인콘을 설립해 설계한 서지 S1 모바일AP를 공개하기도 했다.

삼성전자와 애플 등은 자체 재설계한 커스텀 코어를 적용하기도 한다. 커스텀 코어란 기본적인 코어 아키텍처를 기반으로 최적의 성능을 낼 수 있도록 제조업체가 임의적으로 설계를 변경한 코어를 말한다. 삼성전자는 엑시노스8895에 2세대 커스텀 코어를 적용했다.

◆ GPU 성능향상, 가상∙증강현실 대응

차세대 먹거리로 부상한 가상현실과 증강현실 등은 연산속도뿐만 아니라 그래픽 성능이 중요시된다. 올해도 지난해보다 성능이 향상된 GPU들로 무장됐다. 또한 CPU와 마찬가지로 자체적으로 GPU를 설계하고자 하는 움직임이 일고 있다.

시장조사업체 트렌드포스는 지난해 전 세계 가상현실 시장 규모가 8조원대 규모로 성장했다고 예상했다. 오는 2020년에는 10배인 80조원으로 확대될 전망이다. 가상현실 관련 디바이스 판매량도 지난해 900만대에서 2020년에는 5천만대에 이를 것으로 추산된다.

갤럭시S8의 엑시노스8895에 적용된 GPU는 ARM의 말리(Mali)-G71이다. 전작 갤럭시노트7에 적용된 말리-T880 GPU 대비 2배에 달하는 최대 32셰이더 코어까지 확장이 가능하다. ARM은 이 GPU에 대해 중국 노트북에 탑재된 외장 GPU를 상회하는 성능을 보여준다고 강조했다. 특히 모바일 환경에서 몰입형 가상현실과 증강현실 경험을 제공하는데 적합하도록 설계됐다.

말리-G71 GPU는 ARM의 3세대 아키텍처인 바이프로스트를 기반으로 설계됐다. 기존 우트가드와 미드가드 아키텍처의 혁신 기술을 토대로 구축됐다. 벌칸과 기타 업계 표준 API에 최적화됐다.

당시, 손재철 삼성전자 시스템LSI SoC 개발실 전무는 "모바일 VR과 AR로 어디까지 구현할 수 있는 지에 의해 차세대 프리미엄 경험이 정의될 것"이라며, "말리-G71과 같이 확장성을 갖춘 GPU는 날로 복잡해지고 있는 VR/AR 활용 사례를 삼성의 설계팀이 해결하는 데 도움을 줄 것"이라고 평가했다.

퀄컴 스냅드래곤 835에 적용된 GPU는 퀄컴 자체 아드레노 540이다. 전작인 아드레노 530 대비 25% 향상된 3D 영상 렌더링 기능과 그래픽 처리 시스템을 통해 60배 더 많은 색상 표현이 가능해졌다.

애플은 최근 이매지네이션과 작별 수순을 밟고 있다. 독자적으로 GPU를 설계하겠다는 의도로 풀이된다. 애플에 파워VR GPU를 공급하던 이매지네이션은 지난 3일 애플이 향후 15개월에서 2년 이내 더 이상 자신의 지적재산(IP)을 사용하지 않을 것이라 밝혔다.

애플 역시 부품 수직 계열화를 통해 하드웨어를 보다 강화하고 독자 운영체제(OS) iOS, 콘텐츠 유통 플랫폼 앱스토어 등으로 애플 생태계를 보다 강화할 것으로 추정된다. 향후 미래 먹거리로 유력한 혼합현실과 4K UHD 콘텐츠에도 대응할 수 있다. 더 넓게는 사물인터넷(IoT)과 자율주행차에로도 확대될 수 있다.

애플과의 작별에 앞서 이매지네이션은 지난 3월 차세대 GPU를 공개했다. 새로운 GPU 아키텍처 파워VR 퓨리안을 소개했다. 이매지네이션은 이번 GPU를 통해 애플리케이션의 더 높은 그래픽 해상도와 프레임 속도, 운잔자보조시스템(ADAS)와 인공지능 등의 컴퓨팅 효율을 높일 수 있을 것이라 기대하고 있다.

◆ 5G 마지막 관문, LTE-A 프로 진입

올해 적용되는 하이엔드 모바일AP는 5G로 가는 마지막 관문인 LTE-A 프로를 지원하는 첨병 구실을 한다.

삼성전자가 갤럭시S8에 적용한 엑시노스8895는 5CA 기술을 구현해 기가급 속도를 낼 수 있는 통신모뎀을 결합시켰다. 퀄컴 스냅드래곤 835 또한 4CA를 지원하는 스냅드래곤 X16 LTE 통신모뎀이 내장됐다. 업계에서는 이를 두고 기가급 속도를 지원하는 스마트폰이 탄생했다며 추켜 세우고 있다.

국내 이통3사 입장에서 갤럭시S8은 고대했던 스마트폰이다. 이통3사가 지난해 주파수 경매로 할당받은 대역을 활용할 수 있는 기회를 주기 때문이다. 예를 들어 SK텔레콤은 LTE를 서비스하고 있는 2.6GHz, 1.8GHz 광대역과 800MHz, 2.1GHz 대역을 엮어 하향 최대 900Mbps 속도까지도 구현 가능하다.

LTE-A 프로는 주파수를 엮을 수 있는 캐리어애그리게이션(CA)만을 지원하지는 않는다. 다운로드 속도를 올려주는 다운링크 256쾀(QAM)과 업로드 속도를 향상시켜주는 업링크64쾀도 지원된다. 여기에 안테나 수를 기지국과 단말간 각각 4개를 활용해 주파수 대역 내 LTE 속도를 2배로 올릴 수 있는 4x4 MIMO도 쓸 수 있다. 다양한 네트워크 기술을 받아들일 수 있는 단말이 출시된 셈이다.

강종렬 SK텔레콤 인프라부분장은 "올 상반기 안에 900Mbps 속도를 3개 대역을 통해 낼 수 있다. 256쾀 기술과 4x4 미모 등으로 가능하다"고 강조한 바 있다.

국내 이통3사는 이미 4x4 MIMO를 위한 기지국 업그레이드에 나서고 있다. 각 주파수별로 구축해야 해 특정 주파수가 선택돼 우선 적용되고 있다. 광대역 주파수를 중심으로 트래픽 밀집 지역부터 가능하다. SK텔레콤은 이미 두 개의 광대역 주파수에 4x4 미모를 구축 중이다. KT와 LG유플러스도 마찬가지다.

이통사의 주파수 보유 현황 상 주파수 CA 상황은 다르다. 두 개의 광대역을 통해 속도를 높일 수 있는 SK텔레콤과 LG유플러스와는 달리 KT는 1.8GHz 주파수 대역에서 초광대역을 사용할 수 있다. 다만 기술 제한상 타 대역과 마찬가지로 2CA로 엮어야 한다. 하나의 광대역만을 이용하게 되는 형태다.

인텔은 모바일AP 사업 전략을 바꿔 5G 시장 선점을 위해 통신모뎀 개발에 주력하고 있다. 올해 상반기 샘플이 출하될 ''XMM 7560''은 퀄컴 스냅드래곤 X16 LTE와 비슷한 성능을 내준다. 빠르면 하반기 스마트폰과 태블릿 등에 장착될 가능성이 높다. 애플 아이폰8에도 적용될 수 있다.