삼성 12nm급 오토모티브 LPDDR5X: 중앙 집중식 자동차 시스템을 위한 고성능, 고신뢰성 DRAM 솔루션

오늘날 자동차 산업은 전장 아키텍처 변화의 중대한 전환점에 서 있다. 이러한 변화를 이끄는 원동력은 무엇일까?
기존 수십 년간 사용되어 온 기존의 분산형 아키텍처(Domain Architecture)는 새로운 시스템에서 발생하는 방대한 데이터를 효과적으로 처리하는 데 적합하지 않으며 소프트웨어를 활용한 차량의 각 기능을 온전히 지원할 수 없다.

그렇다면 해결책은 무엇일까? 정답은 바로 중앙 집중식 아키텍처(Central Architecture)다. 중앙 집중식 아키텍처는 기존 분산형 및 도메인 아키텍처에서 차량 전체에 분산되어 있던 다양한 기능을 하나의 중앙 집중식 모듈로 통합하여 운영한다. 차량 내 각 기능별 영역에서 생성되는 데이터와 기능들은 차량용 이더넷(Ethernet)과 게이트웨이(Gateway)를 통해 고성능 SoC(System on Chip)에 연결되어 처리된다.

중앙 집중식 아키텍처로의 변화는 성능 향상뿐만 아니라 비용 측면에서도 여러 이점을 제공한다. 모든 기능이 차량 내 이더넷 백본을 통해 연결되기 때문에 기존 도메인 아키텍처에서 사용되던 기능별 와이어링 하네스(Wiring Harness)가 불필요해져 비용과 Wire 무게 등도 절감된다. 또한, 모든 데이터 처리와 기능 구현이 SoC로 통합됨에 따라 SoC 및 ECU의 총 수가 감소한다. 실제로 자동차 업계에서는 중앙 집중식 아키텍처를 갖춘 차량의 SoC 및 ECU 개수가 20% 감소하고 하드웨어 및 재료 비용이 10% 절감되는 것으로 보고 있다.¹

이외에도 중앙 집중식 아키텍처는 제동 및 충돌 방지와 같은 안전에 관련된 핵심 기능을 수행할 수 있다. 차량 안전과 관련된 애플리케이션은 극한의 온도 환경 속 기계적 스트레스를 견디며 데이터 무결성 및 안정성을 보장해야 한다. 또한, 차량의 모든 기능이 통합된 중앙 집중식 아키텍처 시스템에 사용되는 메모리는 여러 기능의 데이터가 공유되고 사용되기 때문에 안전한 차량 주행을 위해 기능 안전(ISO26262 Functional Safety)도 반드시 준수해야 한다.

이러한 중앙 집중식 아키텍처로의 전환과 자율주행 기능의 고도화는 차량 내 컴퓨팅 성능 향상과 함께 발생하는 데이터를 증가시키고 있다. 이에 따라 고성능·저전력 메모리의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 특히 LPDDR5X와 같은 Low Power & High Bandwidth DRAM의 채용이 확대되고 있다.

LPDDR5X

삼성의 Auto향 최신 12nm LPDDR5X는 경쟁력 있는 셀 크기²를 갖추고, 자동차 산업의 엄격한 품질 기준인 AEC-Q100 인증을 충족한다. 또한, JEDEC 표준을 따르는 기존 제품들과의 호환성을 유지하면서 더욱 향상된 데이터 전송 성능(High Bandwidth)과 에너지 효율성(Low power)을 제공하여 자동차 제조사들의 니즈를 효과적으로 만족시키고 있다.

고성능과 고신뢰성을 모두 갖춘 삼성 오토모티브 LPDDR5X는 최대 9,600Mbps의 데이터 처리 속도를 지원하고3GB부터 24GB에 이르는 다양한 용량을 제공한다. 또한, 기존의 441F FBGA 솔루션보다 면적이 50% 더 작은 새로운 561F FBGA를 포함해, 총 세 가지 JEDEC 표준 FBGA 패키지(315F, 441F, 561F)를 제공한다. 아울러, 12nm급 오토모티브 LPDDR5X는 업계 최고 수준의 차량 안전 무결성을 충족시키기 위해 ISO 26262(Functional Safety) ASIL-D를 준수하고 있으며, 이를 바탕으로 자율주행과 같은 까다로운 자동차 애플리케이션 요구에도 부합하고 있다.

성능

중앙 집중식 아키텍처로 기능을 통합하기 위한 SoC는 분산되어 있던 여러 시스템의 데이터를 종합적으로 처리할 수 있도록 최고 수준의 성능을 확보하고 있어야한다. 뿐만 아니라, 차량 구매 이후에도 다양한 애플리케이션과 소프트웨어 업데이트를 원활하게 지원할 수 있을 만큼 충분한 성능을 확보하여 하드웨어 측면에서도 소프트웨어 중심 차량(Software-Defined Vehicle) 시대를 대비할 수 있어야 한다. 이를 위해 오늘날 오토모티브 SoC 공급업체들은 점점 더 강력한 프로세서를 도입해 이러한 요구를 해결하고 있다. 현재 일부 자동차용 SoC는 이미 1,000 TOPS(Tera Operations Per Second) 이상의 연산 능력을 지원하고 있으며, 이러한 고성능 SoC의 기능을 최대한 활용하기 위해 고대역폭 및 고용량 메모리에 대한 수요도 지속적으로 증가하고 있다.

이를 위해 삼성전자가 이번에 선보이는 LPDDR5X는 핀 하나당 9600Mbps의 속도를 지원한다. 차량용 SoC가 일반적으로 지원하는 256bit 버스 폭을 기준으로 하면, 초당 최대 307.2GB의 데이터를 주고받을 수 있다는 것을 의미한다.

안전

안전한 차량 시스템 구현을 위해 OEM, Tier 1 공급업체 및 부품 공급업체는 자동차 전장 시스템의 기능 안전을 확보하기 위해 ISO 26262를 따르고 있다. ISO 26262는 차량 시스템의 생애 주기 동안 발생할 수 있는 안전 위험을 체계적으로 관리하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공한다. 이 표준은 위험 분석, 위험 평가, 안전 목표 및 요구 사항 개발을 포함하여 기능 안전 확보를 위한 프로세스, 활동 및 요구 사항을 전반적으로 다룬다.

ISO 26262 인증은 기능 안전 관리 프로세스와 제품 수준에 대해 각각 진행된다. 먼저, 기능 안전 관리 프로세스 인증은 해당 조직이 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 부품의 위험을 식별하고 대응하기 위한 체계적인 프로세스를 갖추고 있음을 의미한다. 삼성은 국제적인 제3자 테스트, 검사 및 인증 기관인 TÜV Rheinland를 통해 2019년에 ISO 26262 인증(FSM)을 획득했으며, 2024년에는 자율주행 시장 대응을 위해 ASIL-D 를 지원하는 LPDDR5X를 고객에게 제공했다.

한편, ISO26262의 ASIL제품 수준 인증의 경우, 각 회사는 제품이 계획, 설계, 생산부터 수명 종료까지 기능 안전을 기반으로 구상되고 개발되었음을 문서화하여 입증해야 한다. 그러면 제품은 ‘FIT(Failures In Time)’로 측정된 임의 하드웨어 오류를 기준으로 전기 및 전자 시스템에 대한 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) 등급을 부여받는다. 

_{* FIT(Failtures In Time): 10억 시간 동안 발생한 고장 횟수}

ASIL 등급은 가장 낮은 위험 수준인 ASIL-A에서 가장 높은 위험 수준인 ASIL-D까지 4가지 수준으로 정의된다.

_{* Safety Level은 HARA(Hazard Analysis and Risk Assessment) 를 통해 OEM에 따라 다르게 정의 될 수 있음}

ADAS 또는 AD 시스템은 제동 시스템, 크루즈 컨트롤, 비전 ADAS 후방 카메라 등을 포함하여 표에 나열된 다양한 기능을 포함하고 있다. 이러한 각 기능은 요구되는 안전 수준이 다르지만, 이들을 지원하는 중앙 컴퓨팅 모듈의 구성 요소는 모든 안전 요구 사항을 충족해야 하므로, 메모리 또한 최고 수준의 안전 등급인 ASIL-D를 지원해야 한다.

삼성 오토모티브 LPDDR5X는 초기 기획 단계부터 자동차 시스템의 가장 높은 안전 요구 사항을 충족하도록 개발되었다. ASIL-D는 ISO 26262에서 정의한 가장 높은 등급의 초기 위험 분류로, 생명에 심각한 위협을 주거나 치명적인 부상을 초래할 수 있는 상황을 의미한다. 이러한 ASIL-D 수준의 안전 목표를 충족하려면 최고 수준의 안전 보증이 요구된다. 삼성의 LPDDR5X는 호스트가 단일 비트 오류에 대한 자체 수정과 다중 비트 오류에 대한 자체 감지를 수행하는 ISO 26262 SEooC(Safety Element out of Context) 개념을 사용하여 개발되었으며, 독일 EXIDA사와의 협업 및 인증을 통해 ASIL 등급 중 가장 높은 수준인 ASIL-D 지원이 가능해졌다.

소형 패키지

삼성 오토모티브 LPDDR5X는 JEDEC 표준에서 규정한 3가지 패키지를 제공한다. 패키지당 32개의 데이터 버스를 지원하는 315F FBGA, 64개의 데이터 버스를 지원하는 441F FBGA 패키지를 지원한다. 더불어, 동일한 64 버스 인터페이스를 지원하지만 기존 441F FBGA(14mm x 14mm, 196mm²) 패키지 보다 면적이 50% 작은 561F FBGA(8mm x 12.4mm, 99.2mm²) 패키지를 업계 최초로 제공하기 시작했다.

특히 561F 패키지의 소형 사이즈와 미세한 볼 피치는 멀티칩 모듈(MCM) 구성에 용이하다는 장점이 있다.
이를 통해 SoC와 메모리와 같은 여러 개의 집적회로를 하나의 작은 기판 위에 밀착시켜 배치함으로써 신호 경로 길이를 최소화하고, 결과적으로 신호 품질을 개선할 수 있다.

또한, JEDEC 표준 패키지인 561F FBGA를 적용하면 자동차 제조업체들은 차종이나 옵션에 따라 필요한 메모리 용량을 자유롭게 설정하여 비용을 절감하고, 동시에 안정적인 공급망 관리가 가능하다.

미래를 설계하는 원동력

자동차 업계는 지속적인 기술 혁신 속에서 높은 신뢰성과 우수한 성능을 제공하는 메모리 솔루션을 갈망하고 있다. 특히 자율주행 기술(AD/ADAS)과 차량 내 엔터테인먼트 시스템(IVI) 같은 기능이 통합되면서 차량 내부의 컴퓨팅 환경은 폭발적으로 성장하고 있으며 이러한 추세는 앞으로도 계속될 전망이다. 이에 따라 급증하는 차량 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 고성능 SoC뿐만 아니라 고용량, 고대역폭(High Bandwidth)과 저전력을 지원하는 DRAM 솔루션의 중요성은 더욱 부각되고 있다.

삼성은 지난 30년간 PC, 데이터센터, 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 가전 등 다양한 분야에 고성능 메모리 솔루션을 선도적으로 제공해 왔다. 이제 삼성은 그동안 축적한 신뢰와 기술 혁신의 경험을 바탕으로 자동차 산업에서도 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 삼성의 오토모티브 메모리 라인업은 철저한 품질 검사와 안전 설계 공정을 거쳐 탁월한 안정성을 구현했으며, 이는 까다로운 기능 안전 표준을 충족해야 하는 자동차 제조사의 니즈를 완벽하게 만족시킨다. 삼성은 앞으로도 자동차 제조사에 최적화된 솔루션을 지속적으로 제공해 나갈 계획이다.

^{1. https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/industries/automotive%20and%20assembly/our%20insights/mapping%20the%20automotive%20software%20and%20electronics%20landscape%20through%202030/outlook%20on%20the%20automotive%20software%20and%20electronics%20market%20through%202030/automotive-software-and-electronics-2030-full-report.pdf}

^{2. https://library.techinsights.com/public/sectioned-blog-viewer/a0e24d07-f721-4346-a58c-73786f397dbd?b=banner3}