이제는 저전력이 기본, 22nm공정을 사용한 모바일 DDI

모바일 디스플레이 드라이버 IC를 위한 22nm 공정 기술 소개 

2024년 반도체 업계의 화두는 최첨단 초미세 공정 경쟁이었다. 3nm 공정 기술이 시장에 비교적 새롭게 등장했음에도 불구하고, 업계와 대중 모두 이미 2nm의 미래를 내다보는 듯 하다.

이런 상황에서 삼성전자 시스템 LSI사업부는 22nm 공정을 사용하여 스마트폰용 디스플레이 드라이버 IC(DDI)를 설계하고 개발했으며, 현재 양산중이다. 22nm는 2nm에 비해 많이 크다고 느껴질 수 있지만, DDI 산업에서는 선단 노드라고 할 수 있다. 반도체 유형이 매우 다양하고, 초미세 공정이 필요하지 않은 제품에는 주로 28nm 및 45nm 공정 기술이 적용되는 경우가 많기 때문이다. 삼성전자는 이러한 맥락에서 22nm 공정을 활용한 모바일 DDI(mDDI)를 성공적으로 설계, 개발 및 상용화하여 업계에서 발빠른 움직임을 보여준 것이다.
 

22nm mDDI, 전력 효율성과 기능성에 집중

22nm 공정으로의 발전의 핵심은 전력 소비 감소에 대한 시장의 요구이며, 이는 여전히 DDI 설계의 핵심 고려 사항이다. 삼성전자 시스템 LSI사업부는 이러한 목표를 달성하기 위해 mDDI용 22nm 공정을 연구하고 개발했다. 온디바이스 AI와 같은 모바일 기능이 추가됨에 따라, 애플리케이션 프로세서(AP)가 아닌 다른 부품의 소비전력 감소가 필요해졌다. 특히 스마트폰 디스플레이의 전력 소비가 크기 때문에, 이를 줄이는 것이 업계에 중요한 사안이다.

더 중요한 것은, 전력 소비를 줄이면서도 고해상도와 높은 프레임 레이트를 갖춘, 더 나은 품질의 디스플레이를 시장의 요구에 맞게 달성해야 한다는 점이다. 즉 고성능과 저전력을 동시에 갖춰야 한다는 뜻이다. 예를 들어WQHD 모바일 디스플레이는 이제 120Hz를 넘어 165Hz를 넘는 프레임 레이트를 요구하고 있으며, 폴더블 디스플레이는 충분한 픽셀 밀도를 달성하기 위해 더 높은 해상도가 필요하다.

고려해야 할 사항이 더 있다. 기존의 이미지 품질 기능인 OLED 무라(mura)¹ 보정과 픽셀 간 간섭 현상(crosstalk)² 보정은 필수 기능이 되었고, 새로운 기능인 언더 패널 카메라(UPC)와 프라이빗 모드 등도 구현되고 있다. 결과적으로 DDI의 회로 복잡성은 증가하고, 처리해야 할 데이터 양도 많아져 전력 소비가 더욱 증가하고 있는 것이다.

모바일 디스플레이 성능의 발전은 사용자에게는 매우 유익하지만, 동시에 DDI의 전력 소모를 줄이는 솔루션이 그 어느 때보다 중요해졌다는 뜻이기도 하다. 이런 이유로 삼성전자 시스템 LSI사업부의 22nm 공정 및 절전 설계 기술이 적절한 타이밍에 시장에 등장한 것이라고 할 수 있다.

한 발 앞선 22nm 공정 연구 기반의 차세대 mDDI 제품

앞서 언급한 바와 같이, 22nm 공정 기술은 일반적으로 프리미엄 스마트폰용 mDDI 제조에 사용되는 28nm 공정의 로직 공정을 축소시킨 것이다. 더욱 미세해진 노드 덕분에 로직 전력을 약 30% (1V에서0.8V로) 절감할 수 있으며, 로직 영역은 10% 감소할 수 있다.

삼성전자는 22nm 공정에 대한 예비 연구를 2021년에 시작, 업계 최초로 시작한 기업 중 하나이다. 연구 결과에 따르면 삼성전자의 동급 IC와 비교했을 때 22nm 공정으로 인해 로직 전류가 약 20% 감소한 것으로 나타났다. 22nm IC에 대한 적격성 테스트도 완료되어, 양산으로 이어지는 토대가 마련된 것이다.
 

개선된 설계, 감소된 전력

22nm 공정이 제공하는 전력 절감 외에도 삼성전자 시스템 LSI사업부는 약 12% 추가로 전력을 절감시키는 저전력 설계 키트를 개발했다. 이 키트는 회로 작동 중 클록 토글(Clock Toggle)을 최소화하여 동일한 작업을 수행하더라도 동적 전류를 줄인다. 이는 22nm 공정과 함께 로직 전류 감소 효과를 극대화했다.

또한, 클록 게이팅(Clock Gating)³을 종합적으로 적용하여, 디스플레이 이미지 상태에 따라 프레임 속도를 변경하는 가변 주사율(VRR) 기능에 적합한 저전력 솔루션을 제공하고 있다. VRR을 사용하면 디스플레이를 120Hz에서 1Hz까지 다양하게 변경할 수 있으며, 28nm 공정으로 제조한 기존 제품과 비교했을 때 120Hz에서는 약 38%, 1Hz에서는 약 45%의 로직 전력 절감 효과가 있는 것으로 확인되었다.

시장에서 입증된 전력 효율성 향상

삼성전자의 22nm 공정을 사용한 최초의 mDDI는 이 기술의 놀라운 전력 효율성을 확인했다. 새로운 모델은 28nm 기반의 이전 모델에 비해 더 미세한 공정과 저전력 설계 키트의 적용을 통해 로직 전력을 38%나 절감했다. 그 결과 IC 전력 전체적으로는 16% 감소했으며, 이는 배터리 수명이 1시간 더 길어지는 효과를 가져왔다. 이러한 초기 성과를 바탕으로 성공적으로 양산이 시작되었고 폴더블 기기용 mDDI에 적용되기도 하였다. 이 두 가지 성과는 mDDI 제품 라인업이 긍정적인 방향으로 발전하고 있음을 나타낸다. ⁴

삼성전자 시스템 LSI사업부는 앞으로도 첨단 공정을 빠르게 도입하기 위해 노력하는 한편, DDI 제품 분야에서 기술적 리더십을 유지하고자 노력할 것이다. 이는 저전력 제품에 대한 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 설계 기술을 지속적으로 향상시킴으로써 이루어질 것이며, 궁극적으로는 사용자 경험을 향상시키는 제품과 기술을 개발하는 것을 목표로 삼고 있다.

* 표시된 이미지는 예시용으로만 제공되며, 제품 자체 또는 해당 제품과 함께 촬영된 이미지를 정확하게 재현하지 않을 수 있습니다. 모든 이미지는 디지털 방식으로 편집, 수정 또는 보정되었습니다.

* 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있습니다. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있습니다. 

_{¹⁾ 무라 효과(Mura Effect)는 클라우딩이라고도 하며, 화면의 조명이 불완전하여 디스플레이가 고르지 않게 보이는 현상을 말함..
²⁾ 간섭 현상(Crosstalk)은 인접한 픽셀들 사이에서 발생하는 원치 않는 빛의 간섭을 의미함.
³⁾ DDI의 클록 게이팅(Clock Gating)은 전력 손실을 줄이고 에너지 절약을 개선하기 위해 회로를 차단하는 절전 기술을 의미함.
⁴⁾ 동영상 재생 시간을 기준으로 배터리 수명이 26시간에서 27시간으로 증가한 것으로 확인됨.}