웨어러블 반도체, 작은 배터리 안에서 지연까지 줄이는 법

장거리 트레킹을 앞두고 배낭을 싸 보면 금방 알게 됩니다. 하루 치 물과 행동식은 꼭 필요한데, 짐이 무거워질수록 오래 걷기 힘들고 땀이 차는 등판에는 열이 쌓이죠.

웨어러블 기기 안의 칩도 같은 계산으로 만들어집니다. 오늘 다룰 웨어러블 반도체는 손목과 귀, 안경, 머리에 얹는 기기 안에서 센서와 처리, 무선, 전력을 아주 작은 배터리와 발열 한도 안에 담아내는 칩들을 말합니다.

배낭과 다른 점도 있습니다. 배낭은 짐을 덜면 그만이지만 칩은 기능을 덜어낼수록 쓸모가 줄고, XR 기기에서는 머리를 돌리는 순간 화면이 따라와야 한다는 지연 조건까지 더해집니다.

웨어러블 반도체가 풀어야 할 조건, 배터리와 열과 크기

손목시계 크기의 기기에는 부피 때문에 작은 배터리만 들어갑니다. 담을 수 있는 에너지의 총량이 정해져 있으니 사용 시간은 평균 소비 전력이 거의 결정하죠.

열도 걸림돌입니다. 스마트폰은 손에 쥐고 쓰지만 웨어러블은 피부나 얼굴에 계속 닿아 있고, 방열에 쓸 수 있는 면적도 작습니다. 그래서 칩이 내는 열을 착용자가 불편하지 않은 표면 온도 안에 가두는 일이 성능만큼 중요한 조건이 됩니다.

크기와 무게도 함께 걸립니다. 칩 면적과 패키지 두께, 배터리 부피가 모두 착용감으로 이어지기 때문에 여러 칩을 한 패키지에 묶는 SiP(System in Package) 방식이 자주 쓰이는 것도 이런 이유입니다.

센서에서 전원까지, 일을 나누는 시스템 구조

웨어러블 기기의 내부는 센서에서 전원 관리까지 이어지는 다섯 구역으로 나누어 볼 수 있습니다. 구역마다 필요한 성능과 전력이 크게 다르다는 점이 구조의 출발점입니다.

핵심은 모든 일을 한 프로세서에 맡기지 않고, 일의 무게에 따라 처리할 곳을 나눈다는 점입니다. 가벼운 일을 늘 하는 작은 회로와 무거운 일을 가끔 하는 큰 회로로 나누면 평균 전력이 크게 내려갑니다.

센서 허브와 저전력 SoC, 상시 영역과 깨우는 영역

걸음 수 세기나 손목을 들어 올리는 동작 감지는 계산이 가볍지만 하루 종일 계속되어야 하는 일입니다. 이 일을 고성능 SoC가 맡으면 SoC가 잠들 틈이 없어서, 작은 센서 허브(Sensor Hub)가 대신 맡습니다.

센서 허브는 보통 작은 MCU나 DSP 형태이고, SoC 안의 별도 저전력 영역이나 별도 칩으로 구현됩니다. 평소에는 센서 허브만 깨어 있다가 의미 있는 사건이 생겼을 때만 상위 프로세서를 깨우는 방식이죠. 이렇게 상시 동작 영역과 필요할 때만 켜는 영역을 전원 단위로 나누는 방법은 저전력 설계 글에서 다룬 파워 게이팅의 응용입니다.

센서를 읽는 요령도 평균 전력에 영향을 줍니다. 센서가 자체 FIFO(First In First Out) 버퍼에 값을 쌓아 두면, 프로세서는 한 번에 몰아서 읽고 곧바로 다시 잠들 수 있습니다.

생체 신호를 읽는 아날로그 프런트엔드

손목 위 심박 측정은 보통 광학 방식으로 이루어집니다. LED가 피부에 빛을 쏘면 혈관 속 혈액의 양에 따라 흡수되는 빛이 달라지고, 포토다이오드가 반사된 빛의 세기를 읽는데, 이 세기가 맥박에 맞춰 아주 조금씩 오르내립니다.

변화분이 작기 때문에 신호를 그대로 디지털로 바꿀 수 없습니다. 증폭과 필터링을 거쳐 ADC로 넘기는 이 앞단 회로를 아날로그 프런트엔드(AFE, Analog Front End)라고 합니다.

심전도처럼 전극 두 곳 사이의 아주 작은 전위차를 읽는 센서에서도 구조는 같습니다. 문제는 신호보다 잡음이 큰 경우가 많다는 점이고, 운동 중에는 움직임 때문에 광학 신호가 크게 흔들리므로 IMU 값을 참고해 보정하는 일도 흔합니다. 이런 이유로 AFE는 디지털 로직과 다른 공정이나 별도 칩으로 만들어지기도 하죠.

XR 기기가 지연에 민감한 이유, 움직임에서 화면까지

XR(Extended Reality)은 VR과 AR, MR을 아우르는 말입니다. 머리를 돌렸을 때 화면이 그에 맞춰 바뀌어야 하는데, 움직임이 일어난 뒤 새 화면이 눈에 닿을 때까지의 시간을 모션 투 포톤 지연(Motion-to-Photon Latency)이라고 부릅니다.

이 지연이 길면 눈이 보는 세계와 몸이 느끼는 움직임이 어긋나 어지러움이 생기기 쉽습니다. 그래서 XR에서는 평균 성능보다 지연이 얼마나 짧고 일정한지가 더 중요한 기준이 됩니다.

지연은 한 곳에서 생기지 않고 경로를 따라 단계마다 쌓입니다. 센서 읽기, 위치 추정, 화면 렌더링, 디스플레이 전송, 패널 점등이 차례로 이어지기 때문에 각 단계의 몇 ms가 모여 전체 지연이 됩니다.

마지막 순간에 가장 최근의 머리 위치로 화면을 한 번 더 비틀어 맞추는 보정 기법도 쓰입니다. 계산이 끝난 시점과 화면이 켜지는 시점 사이의 움직임을 메우려는 방식이죠.

공간 컴퓨팅과 카메라, 디스플레이가 맡는 일

공간 컴퓨팅(Spatial Computing)은 기기가 주변 공간의 구조와 자신의 위치를 파악해 디지털 물체를 현실 공간에 놓는 기술입니다. 위치 추정에는 카메라 영상과 IMU 값을 함께 쓰는 방식이 흔합니다.

두 센서는 서로의 약점을 채웁니다. IMU는 아주 빠르게 갱신되지만 시간이 지나면 오차가 쌓이고, 카메라는 갱신이 느린 대신 주변 특징점을 기준으로 위치를 바로잡아 주죠. 이 융합 계산을 일반 CPU로만 돌리면 전력이 크기 때문에 DSP나 NPU 같은 전용 블록에 나누어 맡기는 구성이 흔합니다.

카메라는 두 가지 일을 맡습니다. 위치 추적용은 낮은 해상도로 빠르게 읽고, 외부 영상을 화면에 다시 보여 주는 패스스루용은 높은 화질로 처리합니다. 둘이 함께 돌면 ISP(Image Signal Processor)가 다뤄야 할 데이터와 전력이 함께 늘어납니다.

디스플레이는 눈 가까이에 놓이므로 작은 면적에 픽셀이 매우 촘촘해야 합니다. 마이크로 OLED는 실리콘 웨이퍼에 만든 CMOS 구동 회로 위에 발광층을 올려 높은 픽셀 밀도를 얻는 방식이라는 정도만 짚어 두겠습니다.

전력과 발열을 나눠 쓰는 계산

웨어러블 반도체에서는 순간 성능보다 평균 전력이 사용 시간을 정합니다. 같은 배터리라도 SoC를 얼마나 자주 깨우느냐에 따라 사용 시간이 크게 달라지죠.

XR 헤드셋은 사정이 다릅니다. 사용 중에 높은 전력을 계속 쓰기 때문에 사용 시간과 발열이 함께 문제가 됩니다.

배터리를 머리에 얹을지 몸에 따로 둘지는 사용 시간과 착용감을 맞바꾸는 설계 선택입니다. 칩 하나를 아껴 쓰는 것으로는 풀리지 않는 문제가 많죠.

웨어러블 반도체 요구 조건 비교 표

구분	스마트 워치와 밴드류	스마트 글래스	XR 헤드셋
주된 제약	배터리 용량과 피부 접촉 발열	안경테 안의 무게와 방열 공간	전력과 발열, 머리에 얹는 무게
핵심 반도체	저전력 SoC와 센서 허브, 생체 AFE	초저전력 SoC, 카메라, 소형 디스플레이 구동 회로	고성능 SoC, 다수의 카메라와 IMU, 고밀도 마이크로 디스플레이
지연 요구	대체로 느슨함	용도에 따라 다름	엄격함, 모션 투 포톤 지연이 핵심
전력 운용	대부분 잠들고 사건이 생길 때 깨움	상시 동작을 최소로 두고 필요할 때 활성화	사용 중 높은 전력을 계속 쓰며 발열 관리가 중심

핵심 정리

웨어러블 반도체는 작은 배터리와 피부에 닿는 발열, 작은 크기라는 제약 속에서 일을 가벼운 것과 무거운 것으로 나누어 처리할 곳을 정하는 설계입니다. 센서 허브가 상시 일을 맡고 SoC는 필요할 때만 깨어나며, XR에서는 여기에 모션 투 포톤 지연이라는 조건이 더해집니다.

배낭 비유로 돌아가면 꼭 필요한 짐만 챙기고 무거운 짐은 필요한 순간에만 꺼내는 요령과 같습니다. 다만 칩은 기능을 빼면 쓸모가 사라지기 때문에, 무엇을 빼느냐보다 언제 켜느냐를 정하는 일이 설계의 중심에 놓입니다.

면접 대비 질문