서론 : 하한계치 기술의 산업화
하한계치(near-threshold) CMOS 기술은 반도체 분야에서 이론적으로 큰 잠재력을 가진 기술로 오랫동안 연구돼 왔다. 이 기술은 트랜지스터가 임계치 전압 근처에서 동작하도록 하여 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 가능성을 제공한다.
하지만 실제 산업 환경에서 적용하기에는 다이 간 편차, 온도 민감성, 성능 제약 같은 여러 기술적 장벽이 존재했다. 최근에는 이러한 장벽들이 점차 극복되면서 하한계치 기술을 채택한 마이크로컨트롤러가 양산 가능해졌다. STM32U3는 이러한 발전을 반영한 제품으로 0.65V라는 낮은 코어 전압을 구현했다.
초저전력 에너지 소모 및 높은 에너지 효율성
STM32U3은 하한계치(near-threshold) 설계를 적용한 STM32 신제품으로 이전 세대 대비 효율성이 4배 향상되었다. 고객들은 이미 이 새로운 디바이스에 맞춰 시스템을 업데이트했으며, 이는 기기에 쉽게 접근하여 적용할 수 있기 때문이다. 효율성이 증가함에 따라 제조업체들은 배터리를 자주 교체할 필요가 없어 설계 측면에서 비용 효율성과 확장성이 크게 향상된다.
STM32U3는 커플링 및 체인링 브리지(CCB)가 처음으로 도입된 제품이기도 하다. CCB는 다양한 버스(bus)를 사용하여 암호화 키 처리의 보안을 한층 강화하는 기술이다. STM32U3는 초저전력 애플리케이션에서 새로운 벤치마크를 제시하고 있다.
STM32U3의 효율성은 117Coremark/mW이라는 단 하나의 숫자로 요약할 수 있다. 이 수치는 100이라는 상징적인 문턱을 돌파하며, 업계에서 새로운 기준을 수립했다. 실제로 경쟁사의 대표적인 고성능 디바이스들조차 대부분 100 이하에 머무르며, STM32U5 역시 53.9에 그쳤다.
이와 같은 효율성의 급격한 향상은 최소 0.65V, 최대 105ºC를 달성하는 하한계치 설계 덕분이다. 간단히 말해, CMOS 트랜지스터에서 하한계치 전도는 게이트와 소스 사이에 인가하는 전압이 임계치(VT)에 가까울 때 발생한다. STM32U3와 같은 마이크로컨트롤러에 사용되는 대부분의 디바이스에서 해당 임계치는 500mV이다. 대부분의 하한계치 설계에서는 약 700mW 이상의 VGS를 적용한다.
하한계치 전도는 잔여 누설 전류가 게이트 산화물 아래로 흐르면서 확산 전류로 발생하므로, 트랜지스터 자체는 동작 전압과 온도에 대해 엄격한 제한을 받는다. 대부분의 경쟁사 디바이스들은 85ºC를 넘지 않기 때문에 일반적으로 산업용 애플리케이션에서 이러한 디바이스를 찾아보기 어렵다.
STM32U3가 차별화되는 점은 리소그래픽 공정과 제조 과정에서 독보적인 최적화를 통해 650mV라는 더 낮은 전압을 적용할 수 있다는 것이다. VT에 더 가까운 VGS 값을 통해 얻을 수 있는 가장 직접적인 이점은 VCORE를 더욱 낮출 수 있다는 것이다. 이를 통해 최소 0.65V, 일반적으로 0.75V의 값을 달성한다.
또한, 기존에 출시된 솔루션들보다 누설 전류가 현저히 적기 때문에 STM32U3는 최대 3V의 동작 전압과 105ºC의 온도를 지원한다. 따라서 훨씬 더 열악한 환경에서도 견딜 수 있다. 이러한 이유로 STM32U3는 대부분의 산업용 애플리케이션에서 하한계치 설계를 광범위하게 적용할 수 있는 독보적 기술을 제공한다.
다이 간 편차 문제 해결하는 적응형 전압 스케일링
하한계치 설계에서 흔히 발생하는 또 다른 문제는 다이 간 편차다. 하한계치 영역은 아주 미세한 전압 변화에도 민감하기에 같은 웨이퍼에서 나온 다이 사이에서도 성능 차이가 더 크게 나타난다. 이러한 각 다이의 차이를 보정하는 튜닝 작업은 시간도 많이 걸리고 비용도 많이 들 수 있다. 이는 대량 생산에서 일관된 품질을 유지하기 어렵게 만드는 요인이다.
이 문제를 해결하기 위해 적응형 전압 스케일링 기술이 개발되었다. ST는 STM32 디바이스에서 머신러닝을 자동화하는 테스트 시스템을 공정 단계에서 구현했다. 간단히 설명하면 기계가 각 다이를 테스트하고, 머신러닝 알고리즘이 여러 요소를 자동으로 조정하여 초저전력 소모를 일관되게 유지하도록 한다. 이러한 접근 방식은 하한계치 설계의 장점을 유지하면서도 양산 과정에서 일관된 품질의 제품을 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다.
성능과 기능의 균형으로 다양한 주변기기 지원
하한계치 설계에서 또 다른 과제는 성능이다. 실제로 VCORE가 낮으면 동작 주파수도 낮아진다. 그러나 STM32U3는 96Mhz로 동작하는 Cortex-M33를 탑재하여 이러한 한계를 상당 부분 극복했다. 또한 가격은 더욱 비용 효율적이면서도 엔지니어들이 다양한 주변기기와 타이머를 활용할 수 있도록 설계되었다.
실제로 이 새로운 디바이스는 I3C 버스 2개, CAN-FD, Octo-SPI 인터페이스 1개를 비롯해 모터 제어 애플리케이션을 지원하는 16비트 타이머 2개 등 총 16개의 타이머와 UI를 위한 터치 감지 컨트롤러도 포함되어 있다. 이처럼 다양한 기능을 제공하면서도 하한계치 설계를 통한 전력 효율성과 비용 효율성을 유지하여 개발자들에게 유연한 설계 옵션을 제공하는 것이 중요하다.
보안과 안전성 : 미션 크리티컬 애플리케이션의 요건
ST는 효율성과 성능뿐 아니라 안전 및 보안을 고려한 STM32U3를 설계했다. 이 새로운 디바이스는 최대 1MB의 듀얼뱅크 플래시를 제공하여 시스템을 종료하지 않고도 펌웨어 업데이트가 가능하다. 이는 미션 크리티컬한 애플리케이션에서 특히 중요한 요소다. 또한 STM32U3는 독립형 버스를 활용해 키를 안전하게 전송하는 커플링 및 체인링 브리지(CCB) 기술을 도입했다(2023년 및 2024년 특허 출원).
ST의 초기화 툴 STM32CubeMX에도 이미 업데이트가 적용됐다. 사용자는 난수 생성기를 활성화한 후 암호화 옵션 목록에서 'CCB'를 선택하면 이 기능을 바로 사용할 수 있다. 마지막으로 STM32U3는 PSA L3 및 SESIP3 인증도 지원한다.
결론 : 하한계치 CMOS 기술의 산업적 전망
STM32U3는 다양한 산업용 애플리케이션에 적용될 수 있도록 하한계치 설계 분야에서 유일하게 8종의 패키지로 제공된다. Nucleo 보드도 출시돼 개발자들은 POC(proof-of-concept)를 빠르게 설계하거나 테스트를 실행하여 초저전력 소모를 직접 확인할 수 있다. ST 파트너 프로그램의 회원사이자 소(牛) 모니터링 전문 기업 smaXtec이 STM32U3를 도입하여 얻은 성과는 하한계치 기술의 산업적 가치를 보여준다.
smaXtec사에 따르면, “smaXtec은 최신 저전력 마이크로컨트롤러인 STM32U3를 통해 하드웨어를 한 단계 더 발전시킬 수 있었다. 액티브 모드에서 전력 소모가 수 µA/MHz에 불과할 정도로 낮아, 기존의 데이터 처리 알고리즘에 소모되는 에너지 소비를 줄이면서도 디바이스에 새로운 기능을 추가할 수 있었다. 또한 STM32U3의 첨단 저전력 모드를 통해 데이터 처리가 필요하지 않을 때 디바이스를 딥슬립 모드로 전환하고, 웨이크업 기능이 있는 STOP3 모드를 통해 효과적으로 전력 소모를 최소화할 수 있었다”고 말했다.
결론적으로 하한계치 설계 기술은 마이크로컨트롤러의 전력 효율성에 새로운 기준을 제시하고 있다. 하한계치 CMOS 기술은 단순히 기술적 호기심을 넘어, 산업용 애플리케이션의 주류 기술로 자리잡을 가능성을 보여준다. 배터리 수명이 중요한 IoT 장치, 웨어러블 디바이스, 산업용 센서, 의료 기기 등 다양한 분야에서 이 기술이 가져올 혁신적 변화가 기대된다. 하한계치 설계 기술은 앞으로 더 많은 분야에서 활용되면서 초저전력 마이크로컨트롤러의 새로운 표준을 정립하게 될 것이다.
헬로티 서재창 기자 |
