한국전자통신연구원(ETRI)의 권영수 박사는 컴퓨터 두뇌에 해당하는 CPU 설계자다. 지난 11월 2일 대전 대덕연구개발특구 내 ETRI에서 만난 권 박사는 “지금까지 한 일 중 2014년 독자 설계한 CPU가 들어간 AP 설계가 가장 의미가 있었다”고 말했다. 컴퓨터 CPU는 미국 기업 인텔이 만든 386, 486, 그리고 펜티엄 칩이 유명하다. AP(Application Processor)는 스마트폰용 CPU다. 권 박사는 인터뷰를 녹음하던 내 스마트폰을 가리키며 “그 안에 AP가 들어 있다”면서 “AP는 데스크톱PC용 CPU와 비디오코덱 등 다른 주변장치를 모두 압축해 집어넣은 반도체”라고 설명했다. 스마트폰 내부 공간이 적기 때문에 성능은 좀 떨어져도 작게 만들고 또 저전력 소모를 주 목적으로 설계된다는 설명이다. 권 박사팀이 개발한 AP는 6000만개 혹은 1억6000만개 트랜지스터로 구성돼 있다.

그에 따르면 미국 기업 애플이 아이폰을 내놓으면서 이뤄낸 가장 큰 혁신이 AP라고 했다. 권 박사는 “AP에서 가장 중요한 CPU(코어) 설계는 영국 기업 ARM이 한다. 삼성전자는 설계 능력을 갖고 있지 않은 것으로 안다”고 말했다. ARM은 영국 기업이었지만 2016년 일본 소프트뱅크에 의해 인수됐다. AP를 필요로 하는 기업들은 ARM으로부터 CPU 코어 설계를 사다가(licensing) CPU 코어와 다른 IP(Intellectual Property·지식재산) 설계를 더해 AP를 만들어낸다. 전 세계 스마트폰의 90%에 들어 있는 AP 설계의 핵심 저작권자가 CPU 설계를 하는 ARM이라는 것이다.

CPU 설계의 권위자

공장 없이 반도체 설계만 하는 기업을 ‘FABLess(공장이 없는)’라고 하는데 ARM이 대표적인 FABLess이다. 애플도 일종의 FABLess다. 애플은 ARM의 CPU 설계를 사다가 자신들의 설계 능력을 더해 완성한 AP 설계도를 바탕으로 생산전문업체(Foundry)에서 AP를 위탁생산한다. 한국의 삼성전자나 대만 기업들이 아이폰에 들어가는 AP를 생산한다. 삼성전자는 FABLess가 아니다. AP 설계를 하면서도 프로세서 반도체를 생산하기 때문이다.

현재 권영수 박사는 ETRI의 ICT소재부품연구소 내 프로세서연구그룹 그룹장이라는 직함을 갖고 있다. 2009년부터 AP 독자 설계에 들어가 2014년 ‘알데바란’이라는 이름의 AP를 내놓았다. 한국에서 그간 해낸 적이 없는 CPU코어 설계였다.

“CPU 설계는 정말 어렵다. 한국에서도 몇 곳에서 시도한 바 있는데 내가 알기로는 다 실패했다. 복잡한 소프트웨어를 정상 작동시키는 CPU를 설계하지 못했다. CPU 아키텍처, 즉 CPU 구조론을 정확히 이해하는 사람이 없었기 때문이다. 해외에도 ARM, IBM에만 연구자가 있다.”

나는 권 박사 팀의 연구가 얼마나 의미 있는 일인지 궁금했다. 인터뷰를 옆에서 지켜보던 ETRI 성과홍보실장 정길호 박사는 “ETRI 선배들이 그토록 풀고 싶어했으나 못 푼 문제였다. 그런데 한 사람의 인재가 와서 풀었다고 보면 된다”는 부연설명을 했다.

권 박사는 “처음 독자 설계에 나섰을 때 기술을 사오면 되지 뭐 때문에 개발하느냐는 부정적인 의견이 많았다”고 했다.

권 박사가 CPU 독자 설계 프로젝트 연구비를 구하러 다니던 2009년쯤, 당시 서울 양재동 화훼시장 인근에 있는 LG전자 반도체사업부를 방문한 적이 있었다. “당시 LG전자 직원이 ‘CPU 코어 개발이라니, 그건 IBM이 1조원을 들여서 하는 일’이라며 ‘30억원으로 연구팀을 꾸리겠다니, 그게 가능하냐’고 의문을 표시했다.” 당시 권 박사는 LG전자 직원에게 자신이 미국 MIT에서 박사후연구원으로 일할 때 IBM 연구자를 만나본 얘기를 들려주며 “어디나 핵심 인력은 소수이다. IBM도 핵심 인력은 20~30여명이다. 몇 명의 재능 있는 사람이 해내는 거다”라고 설명해줬다고 했다.

당시 권 박사는 그룹장도 아니었다. 그때 ETRI의 상사였고, 현재 ETRI 소재부품연구소 소장을 맡고 있는 엄낙웅 박사를 설득해 CPU 개발을 하자고 했다. 이후 지식경제부 설득에 나섰고, 담당 과장을 만나 연구 필요성을 설명하고 연구비 지원을 호소했다.

작업에 20%, 검증에 80%

권 박사의 제안은 지식경제부의 연구비 심사에서 4위를 차지했다. 당시 5위까지만 연구비를 지원했다. 겨우 얻어낸 연구 프로젝트였다. 30억원으로 남들이 1조원 들여 하는 일을 시작했다. 팀원 15명을 꾸렸다. 설계 작업은 한 연구자의 도움을 받아가며 권 박사가 1년에 걸쳐 했다. 나머지 4년은 검증 작업이었다.

“설계도를 만드는 작업이 전체 작업의 20%라면 나머지 80%는 검증이다. 이런 저런 소프트웨어를 CPU에 올려서 검증해야 한다. 잘못된 게 나오면 계속 수정해야 한다. 삼성전자에서 ‘설계 인력 1000명이 필요하다’고 말할 때 대부분은 오류 검증하는 사람들이다. 삼성에서도 핵심 설계를 하는 사람은 15~20명에 불과하다.”

권 박사는 “CPU 설계는 지독히 어렵다”고 다시 한 번 강조하면서 CPU 코어 안에 있는 리눅스 운영체제(OS)에 대해 설명해줬다. 그에 따르면 스마트폰 역시 리눅스를 기반으로 한다. 삼성전자 갤럭시 휴대폰의 운영체제는 안드로이드인데, 안드로이드 아래에 리눅스가 들어 있다. 권 박사 팀이 2014년 ‘알데바란 CPU’를 내놓기 전까지 전 세계에서 이 리눅스를 정상적으로 실행시키는 CPU 코어는 ARM이 설계한 제품이 유일했다. “처음에는 헤맸다. CPU 핵심 부분에 커널(Kernel)이라는 것이 있다. 리눅스 프로그램은 20만개의 소프트웨어 라인으로 써 있다. 왜 20만줄인지, 이게 다 뭘 의미하는지 2년이 지났을 때 이해할 수 있었다. 설계는 나와 한진호 책임연구원 2명, 그리고 소프트웨어 인력 2명 등 해서 4명이 해냈다.”

권 박사에 따르면, 스마트폰을 켤 때 내부에서 엄청난 일이 일어난다. 안드로이드가 작동되면서 어떤 CPU, 어떤 디바이스가 설치되어 있는지를 확인하고, 필요한 코드를 올린다. 그리고 스레드(thread)라는 응용소프트웨어 200여개가 가동되면서 안드로이드 화면이 뜬다. 이때까지 10의 몇 승보다 훨씬 많은 연산이 이뤄진다.

권 박사가 자신이 만든 AP를 보여주는데 손바닥만 한 크기다. 기판 위에 ‘ETRI’라는 글씨가 쓰여 있다. 설계만 한 게 아니라 생산까지 해서 예상 주파수 1.2㎓(기가헤르츠)가 제대로 나오는지도 확인했다고 한다. 제품 생산은 삼성전자가 도와줬다.

권 박사 팀이 개발한 AP 코어 크기는 8×8㎜다. 손바닥만 한 AP 가운데에 작게 들어가 있다. 28㎚(나노미터) 크기인 트랜지스터를 8000만개, 혹은 1억6000만개를 붙여 만들었다. 삼성은 요즘 7나노공정을 개발했다고 하는데, 트랜지스터 하나 크기가 7㎚라는 뜻이라고 권 박사는 설명했다.

“수천만 개가 넘는 트랜지스터를 우리가 원하는 모양으로 연결해 만들었다. 트랜지스터는 별 게 아니다. 전기스위치다. 게이트에 1을 주면 전류가 통하고 1을 안 주면 전류가 안 통한다. 소프트웨어라는 게 결국은 전기신호다. 컴파일링이라는 일련의 과정을 거치면 소프트웨어의 명령문은 전기신호로 변한다. 101010 하는 식이다. 이게 CPU 안으로 들어와 트랜지스터 스위치를 작동시킨다. 1억6000만개를 끄고 켜면서 디스플레이에 RGB로 그림을 그리기도 하고, 인터넷도 가동시키고, 동영상도 볼 수 있게 하는 거다.”

소프트웨어 코드를 받아들여 CPU는 초당 1012 정도의 연산을 해야 하는데 더하기 빼기 곱하기를 CPU 안에 있는 트랜지스터들이 실행한다.

원천기술 중의 원천기술

권 박사는 연구 결과를 동운아나텍, 넥스트칩에 기술이전했고, 최근 개발한 칩 기술은 인터넷 대기업에 판매했다. 권 박사에게 ‘한국 스마트폰의 경쟁력 강화에 당신의 연구가 기여한 게 무엇이냐’고 물었다. 권 박사는 “스마트폰 시장이 2015년부터 포화상태에 들어갔기 때문에 큰돈을 벌지는 못했다”고 말했다. 하지만 자신이 소액의 연구비로 확보한 기술은 “원천기술 중의 원천기술”이라고 강조했다. 독자기술을 갖고 있지 않으면 무역전쟁의 파고가 높아지는 시기에 한국의 주요 산업이 한순간 위기에 처할 수도 있다는 식으로 말했다. 미국이 몇 년 전 인텔 칩을 중국에 팔지 않겠다고 위협한 것이나, 최근 트럼프 행정부가 미국 퀄컴의 통신모뎀칩을 중국 통신장비기업 ZTE에 판매하지 못하게 하겠다고 위협한 게 그러한 예다.

권 박사에 따르면, 중국은 2000년대 초부터 중국과학원(CAS)이 CPU 자체 개발에 나서 2008년에 개발에 성공했다. 하지만 시장에서는 성공하지 못했다. 그로부터 몇 년 뒤 미국이 인텔 CPU를 중국에 팔지 않겠다고 했을 때 중국이 자극받아 시장에서 통할 수 있는 자체 CPU 개발에 수천억원을 투입했다. CAS에는 CPU 코어 개발인력이 70명 정도 있다. 권 박사는 중국의 CPU 개발 수준에 대해 “중국산 수퍼컴퓨터에 인텔 칩 사용이 줄어들고 있다. 중국은 세계 1위 수퍼컴을 내놓고 있는데, 자국산 CPU를 집어넣었다. 중국은 CPU와 OS 개발에 돈을 많이 쓰고 있다”고 말했다.

일본은 손정의의 소프트뱅크가 CPU설계기업 ARM을 수중에 넣어 AP전쟁에서 주요한 한걸음을 내디뎠다. 한국은 권 박사 팀의 성과에도 불구하고 아직 독자기술이 미미하다. 이와 관련 권 박사는 “삼성은 한국에는 CPU 코어 개발인력이 없다. 미국 텍사스주 오스틴에 있는 랩(Lab)에서 미국인 연구자를 중심으로 일부 한국인이 개발하는 걸로 안다”고 말했다. 권 박사는 ARM에서 삼성전자가 사오는 라이선스 비용도 계속 올라가고 있다고 했다. 20억원, 50억원 하다가 최근에는 두 배 이상으로 뛰었다.

권 박사는 대구과학고를 2년 만에 졸업하고, 1993년 카이스트 전자전산학과에 들어갔다. 학부 3학년 때 경종민 교수가 CPU칩을 설계한다는 소식을 뉴스에서 접하고 경 교수 랩의 문을 두드렸다. 당시 인텔이 X86 및 펜티엄 칩으로 시장을 석권할 때였다. 당시 경 교수의 연구를 지원한 건 정몽헌 회장이 이끌던 현대전자였다. 현대전자는 카이스트에 ‘칩스’라는 이름의 건물도 지어주고 경종민 교수의 연구도 지원했다. 권 박사에 따르면, 당시 경종민 교수는 한국에서 유일하게 펜티엄 호환 CPU를 개발했다.

한국은 우리가 알고 있다시피 메모리반도체의 강국이다. 삼성전자와 SK하이닉스가 세계 메모리반도체 시장을 장악하고 있다. 반면 CPU와 같은 비(非)메모리반도체는 약세다. 메모리반도체 편중에서 벗어나 비메모리반도체로 시장을 확대해야 한다고 말해온 게 수십 년 됐다. 21세기 초인 지금, 그래도 삼성은 비메모리반도체 분야로 진출했으나, 메모리에 못 미치고 있고 SK하이닉스는 여전히 메모리반도체만 하고 있다.

권 박사는 “메모리는 데이터 저장장치이고 구조가 규칙적이라고 할 수 있다. 연구자가 달려들어 연구할 게 별로 없다. 제조에 가깝고, 공정 개발의 문제다. 반면 CPU는 복잡하다. 석·박사과정 때 반도체 설계로 논문을 25편 썼다”고 말했다.

권 박사의 박사 논문은 ‘다중 FPGA를 이용한 거대 반도체의 시뮬레이션 가속 시스템 설계’. 학위를 마친 2004년 바로 미국 MIT 전자공학과에 박사후연구원으로 가서 ‘저전력 반도체’ 개념을 최초로 제안한 아난타 찬드라카산 교수 밑에서 연구했다. MIT에 가보니 CPU를 3차원 구조인 층으로 쌓는 걸 연구하고 있었다. 3차원 구조로 만들면 CPU 속도가 빨라지는 등 장점이 있다. 2016년쯤 삼성전자가 내놓은 3D낸드메모리가 3차원 구조다. 권 박사는 “MIT는 이미 그때 그걸 하고 있었다”고 말했다. 권 박사는 MIT에서 3차원 적층 CPU를 연구했다.

MIT에서 연구를 마치고 ETRI에 입사했다. IBM 등 몇몇 미국 기업과 삼성전자에서 입사 제의가 있었지만 ETRI를 택했다. “삼성은 당시 세 가지를 물었다. ‘어느 학교 나왔느냐? 어느 랩 출신이냐? 삼성 올 거냐?’ 삼성은 훌륭한 기업이나 내 연구에는 관심이 없었다. 반면 ETRI 입사를 위해서는 연구 강의를 해야 했다. SCI 논문으로 뭘 썼는지도 설명해야 했다. 내 연구를 묻는 데가 ETRI밖에 없었다. ETRI를 택할 수밖에 없었다.”

입사 이후 2009년까지는 냉장고 등의 가전제품에 들어가는 소형 CPU인 MCU 연구를 진행해, 세계 최고 수준의 저전력 MCU를 개발했다. 이후 2014년까지 1.2㎓로 작동하는 고성능 AP를 독자 설계해내는 성취를 이뤘다. 이 AP에는 ‘알데바란’이란 이름을 붙였다. 이어 2015년에는 세계 최초로 ‘기능안정성’을 추가한 1.2㎓ AP를 개발했다. 2017년부터는 인공지능(AI) 프로세서를 개발하고 있다.

반도체 생태계의 문제

CPU는 스마트폰 말고도 시장이 많다. 자동차나 로봇 등 스스로 움직이는 전자장치에는 다 들어간다. 권 박사가 최근 시선을 돌린 곳은 자동차이다. “앞으로 자율주행차용 AP(LIDAR) 개발을 하려고 한다.”

자율주행차는 레이더, 라이다, 초음파, 영상센서, GPS 등 5개의 센서를 차량에 달고 있고 안에는 컴퓨터를 싣고 있다. 센서들에서 들어오는 데이터를 빨리 정확히 처리해야 한다. 차에 싣기에는 데스크톱PC의 가격이 비싸고 전력이 많이 먹는 단점이 있다. 때문에 데스크톱PC 정도의 성능은 아니나 전력을 적게 소모하는 AP가 여기에도 필요하다. 권 박사는 자율주행센서인 ‘AB5’를 2014~2016년에 개발, 경기도 판교 소재 업체인 넥스트칩에 기술이전했다. CPU가 9개나 들어있는 자동차용 AP이다. 특히 자율주행자동차의 경우 전자부품 간 충돌 등으로 멈추거나 급발진과 같은 사고가 일어나지 않도록 해야 한다. 이를 위해 세계 유수의 자동차업체와 전자업체는 자동차 전자장치 안전성 표준화 기준인 ISO26262 마련을 위한 작업을 2014년부터 해왔다. 권 박사는 한국의 전문가 대표(National Expert)로 스웨덴, 일본, 독일에서 열린 이 회의에 참석해 안전 기준의 한 부분을 작성, 참여 회원들의 동의를 받아내는 데 성공했다. “크로스체킹이 한 방법이다. 여러 나라에서 개발한 여러 개의 CPU가 같은 일을 한 후 나온 결과가 서로 같은지를 비교한다. 다르면 다시 하도록 한다.”

권 박사는 ‘딥 러닝’ 기술을 탑재한 자동차용 프로세서 ‘AP9’을 개발, SKT에 2017년에 기술이전했다. 현재 현대자동차연구그룹과 자동차용 AP 개발을 위해 협조하고 있다고 한다.

수십 년 전 ETRI는 메모리반도체를 개발해 한국 반도체산업의 초석을 다진 바 있다. 권영수 박사의 ETRI 선배들이 한 일이다. 권 박사는 비메모리반도체 분야에서 선배들의 업적을 이어가는 게 꿈이라고 했다. 권 박사는 한국 반도체 생태계에서 협조의 관행이 부족한 것이 아쉽다고 했다. “반도체 생태계가 분야별로 다 갖춰져 있다. 반도체 설계만 하는 FABLess, 생산을 전문으로 하는 파운드리(Foundry)가 한국만큼 되어 있는 곳이 없다. 그런데 유기적으로 연계되어 있지 않다. 따로 논다. 윈윈으로 가면 좋을 텐데.”