일상 속 모든 가전제품의 핵심 반도체, MCU란 무엇인가?

MCU의 종류와 활용되는 기기 소개

[테크월드=이나리 기자] 우리가 일상생활에서 사용하는 대부분의 전자기기에는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit, MCU)이 탑재된다. MCU는 일반적으로 마이크로컨트롤러(Microcontroller)로 불리며, 마이크로프로세서와 메모리, 프로그램 가능한 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말한다.

개인용 컴퓨터(PC)가 다양한 요구에 따라 동작하는 일반적인 일에 사용된다면, MCU는 기능을 설정하고 정해진 일을 수행하도록 프로그래밍된 후 장치에 장착돼 기기를 동작시킨다. 즉, MCU는 PC에서의 CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)와 비슷하나, 이와 다른 가장 큰 특징은 저성능, 저전력에 저렴한 가격으로 제작된다는 점이다.

일반적으로 MCU의 성능은 PC에 비해 낮고 형상이 다르기 때문에, MCU와 CPU의 구분은 그 프로세서의 사용 목적에 따라 정해지는 편이다. 고성능의 OS를 설치해 PC나 서버, 슈퍼컴퓨터 등에 사용하는 경우에는 보통 CPU라 하며, 일반적인 OS가 아닌 RTOS를 설치해 사용하거나 OS 없이 펌웨어만 사용해서 자동제어에 사용되는 경우에는 MCU라 부르는 편이다.

또 MCU가 CPU와 다른 점은 많은 수의 타이머와 PWM 출력, 많은 수의 GPIO, 각종 시리얼 통신 장치들, 프로그램을 저장하기 위한 플래시 메모리나 ROM 등 자동제어에 이용되기 위한 많은 주변장치를 포함하고 있다는 것이다.

MCU의 시작은 최초의 계산기에 탑재된 바 있는 집적회로(IC: Integrated Circuits)였다. 이후 부품을 더 적게 사용하는 더 나은 계산기 개발이 시도되면서 MCU도 함께 발전하고 진화해왔다.

◇ MCU의 역사

최초의 MCU는 1971년 출시된 4비트 인텔 4004, 인텔 8088을 시작으로 그 밖의 기능이 더 많은 마이크로프로세서가 이후 수년에 걸쳐 발전돼 왔다. 그러나 두 프로세서 모두 작동 시스템을 구현하기 위해 외장 칩이 필요했고, 이는 전체 시스템 비용을 증가시킨다는 단점이 따랐다.

스미스소니언 협회는 텍사스인스트루먼트(TI)의 엔지니어인 게리 분(Gary Boone)과 마이클 코치란(Michael Cochran)을 1971년 최초로 MCU를 성공적으로 개발한 것으로 평가했다. 이들의 노고의 결과물은 1974년 TMS 1000이란 제품명으로 상용화됐고, 이후 MCU는 읽기 전용 메모리, 읽기/쓰기 메모리, 프로세서, 클럭을 한 칩에 합쳤고 임베디드 시스템에 목표를 두며 지속적인 발전을 해왔다.

◇ 다양한 MCU의 종류

여러 반도체 회사들은 다양한 종류의 MCU를 생산, 판매하고 있다. 같은 계열의 제품이라도 적용 시 요구되는 사양과 구현하는 기능도 다양하기 때문에 같은 제품군 안에서도 다양한 모델이 출시된다.

- AVR
아트멜 AVR(Atmel AVR)은 1996년 아트멜 사에서 개발된 하버드 구조로 수정한 8비트 RISC 단일칩 마이크로컨트롤러다. 출시 당시 AVR은 프로그램을 저장하기 위해 이용한 메모리 방식을 다른 마이크로컨트롤러 처럼 ROM, EPROM 또는 EEPROM을 사용하지 않고, 단일칩 플래시메모리를 사용한 최초의 마이크로컨트롤러 중 하나로 꼽힌다.

물론 8비트 MCU인 만큼 연산 능력이나 클럭 속도, 메모리 어드레스 영역은 상당히 제한되기 때문에 고성능을 요구하는 정밀 제어 분야보다 단순 제어 분야에서 활용이 높다. 또 워낙 오랫동안 사용돼 오면서 안정성이 검증됐고, 무엇보다도 32비트급 MCU에 비해 단가가 매우 싸기 때문에 여전히 널리 사용되고 있다.

- 8051
인텔(Intel)에서 만든 8051은 앞서 설명한 TI의 TMS1000 MCU와 더불어 1975년에 개발된 아주 초창기의 MCU다. 범용적인 기능을 가진 CPU만을 만들어오던 인텔이 보다 사용하기 쉽고 주변장치 제어용으로 적합한 제품을 구상하다 만들어 낸 제품이기도 하다. 8051은 1980년에서 1990년초까지 모뎀이나 타자기, 게임기 등에 광범위하게 이용됐으며 지금도 아트멜, 인피니언, 맥심 인터그레이티드, NXP, ST마이크로일렉트로닉스, TI 등에서 다기능의 호환제품을 생산하고 있다.

인텔의 오리지널 8051은 NMOS 공정으로 제작됐으나 후에 CMOS 공정으로 바꿔 저전력의 배터리 전원 기기에 적용시킬 수 있었다. CMOS 공정의 제품은 "C"를 붙여 80C51과 같이 표기한다.

- PIC(Peripheral Interface Controller)
미국의 마이크로칩(MicroChip Technology)에서 만든 PIC는 AVR이나 8051와 함께 널리 사용되는 MCU 중 하나이고, 특히 산업용으로 많이 사용되고 있어 주변의 가전제품 속에서 쉽게 볼 수가 있다. PIC는 8비트 MCU부터 32비트 MCU까지 다양하게 있으며 16비트 제품군에는 DSP인 dsPIC 시리즈도 있다. 한편, 마이크로칩은 2016년 4월 아트멜을 인수했다.

- ARM
ARM은 1990년에 애플(Apple)과 아콤 컴퓨터 그룹(Acorn Computer Group), VLSI 테크놀로지가 공동으로 투자해 만든 회사의 제품 이름이다. 특이하게도 ARM은 MCU 제품 그 자체가 아닌, MCU의 코어(Core)를 구성하는 회로를 의미한다. ARM에서는 오직 ARM 코어의 회로를 설계하고 연구할 뿐이며, 직접 생산하지는 않는다. 즉, 실제 ARM 기반의 MCU 생산은 다양한 업체에서 수행하고, 회로도 사용에 대한 라이센스 비용을 지불하는 방식으로 운영된다. 이처럼 ARM 기반의 MCU를 생산하는 주요 업체로는 퀄컴, 삼성, 엔비디아, TI, NXP, TI, ST마이크로일렉트로닉스, 애플 등이 있다.

또 AVR 제작업체인 아트멜 또한 ARM 기반의 MCU를 생산했다. 그리고 이렇게 만들어진 ARM 제품에 스냅드레곤(퀄컴), 테그라(엔비디아), 엑시노스(삼성) 등의 독자적인 이름을 부여해 판매된다. ARM은 앞서 설명한 업체의 MCU보다 고성능을 자랑하기 때문에 보다 복잡함을 요구하는 주변장치에 대한 제어를 할 수 있다. 따라서 LCD와 같은 그래픽 장치, 카메라 장치, 공유기와 같은 네트워크 관련 장치, 터치스크린과 같은 사용자와의 상호관계가 필요한 장비에 사용된다. 최근에는 대부분의 스마트폰에 탑재돼 마치 하나의 개인 PC에 버금가는 활용도를 구현한다.

◇ MCU 어디에 활용될까?

MCU를 탑재한 전자제품의 종류는 무궁무진하다. 한마디로 전자제품에서 우리가 익숙하게 사용하는 대부분의 기능이 MCU로 구현된다고 해도 과언이 아니다. 일례로 예약 기능을 갖춘 밥솥을 한시간 안에 조리가 시작되도록 설정하려면 밥솥의 MCU가 이런 일을 수행하도록 프로그램을 짜 넣어야 한다. 이처럼 MCU가 특정한 기능을 구현하려면 프로그래밍 과정을 거쳐야 한다. 따라서 MCU의 활용 분야는 프로그래밍을 어떻게 하느냐에 따라 달라진다.

▲밥솥이나 TV 녹화 장치의 타이머 기능
▲리모콘의 적외선 신호 방출
▲휴대폰의 배터리 전압 측정 및 잔여 배터리 용량 표시
▲시계의 시간 표시
▲버튼을 누르면 기능 수행
▲USB를 통한 컴퓨터와의 데이터 교환(좀더 높은 수준의 애플리케이션)

MCU는 전자기기의 디스플레이, 타이머, 컴프레서, 냉장고, 세탁기, 에어컨 등과 같은 주요 가전제품의 모터를 제어한다. 예를 들어 혈압기에 탑재된 MCU는 모터, 밸브, 디지털 디스플레이를 제어하고, 온도계의 MCU는 온도 센서의 신호를 측정한다.

MCU가 많이 사용되는 전자제품으로 리모콘이 대표적이다. 오늘날의 리모콘은 단순히 TV, 에어컨뿐 아니라, 전등, 선풍기의 동작까지도 제어한다. 또한 버튼의 누름을 탐지하고 리모콘이 전송하는 적외선 신호를 제어하는 것도 바로 MCU의 역할이다.

MCU는 카메라 장비, 사이클링과 같은 취미생활 도구에도 적용된다. 카메라에서 활용되는 MCU는 자동 초점 기능, 셔터 스피드, 떨림 방지 기능을 제어하며, 자전거는 속도계와 기어 변속기 부문에서 활용된다. 값이 비싼 자전거의 경우는 서스펜션까지도 MCU가 제어한다. 사무용 전자제품에서도 MCU 활용 사례를 쉽게 찾아 볼 수 있다. 또 가정용 전동 드릴 역시 MCU를 사용해 모터 스피드와 배터리 잔량을 체크한다.

- 시각적 기능
시각적 기능은 사용자가 전자 기기의 동작 상태 정보를 확인할 수 있다는 점에서 매우 중요하다. 이 기능은 사용자가 동작 중인 기기의 상태를 확인하고 동작을 하지 않을 때에는 시간 확인의 용도로도 사용할 수 있다. 또 액정표시장치(LCD)나 발광다이오드(LEDs)상에 텍스트를 표시할 수 있고, 일부 가전제품에는 MCU가 단순히 LED 빛을 켜거나 플래시 용도로 사용되기도 한다.

- 청각적 기능
전자레인지, 화재 알람 등 많은 전자제품은 음악이나 알람 소리를 통해 사용자에게 기기의 동작 상태를 알리는 음성 기능(Speech synthesis functionality)을 제공한다. 이런 청각적 기능은 온도계, 혈압계와 같은 건강 기기에서도 흔히 찾아볼 수 있다.

- 모터·밸브 통제
MCU는 모터나 밸브를 제어하는 신호를 출력할 수 있다. 좀더 구체적으로 말하면, 모터의 방향이나 속도를 변환하거나, 밸브를 열고 닫는 신호를 출력할 수 있다. TV 리모콘의 적외선 빔 신호 역시 MCU가 출력하는 것이다.

- 전자 신호 측정과 출력
MCU는 센서 부품의 전압을 직접 측정하는 기능을 가지고 있다. 예를 들어, 온도계와 같은 온도 센서와 직접 연결되면 MCU로 온도를 측정할 수 있다. 이와 마찬가지로, 빛(밝기) 센서와 연결되는 경우에는 MCU로 빛의 밝기를 측정할 수 있다. 또 MCU는 배터리 전압을 측정해 교체 시기를 알려주고, 특정 전압을 출력할 수 있다. 일정한 전압 출력이 가능하기 때문에, 다른 전자 부품에 기준 전압을 제공하는 레귤레이터 역할을 수행할 수 있다.

MCU는 에어컨의 공기방향과 세기조절, 압축기 제어, 디스플레이, 온도조절, 타이머 기능을 구현한다.

- 통신
PC 사용이 증가함에 따라 USB(Universal Serial Bus)가 PC와 다른 디바이스를 연결하는 통신 인터페이스의 표준이 됐다. 이 때문에 MCU 역시 USB 연결 기능을 갖고 있고, MCU와 다른 MCU 사이의 간단한 데이터 교환도 구현할 수 있다. 자동차가 좋은 예다. 오늘날의 자동차는 ‘움직이는 통신 네트워크’다. 자동차 하나에는 수많은 MCU가 사용되는데, 이 많은 MCU가 CAN(계측 제어기 통신망 Controller area networks), LIN(로컬 상호 연결 네트워크 Local Interconnect Network)을 지원해 차량 전체가 하나의 시스템으로 작동하게 한다.

- 계산
계산은 MCU가 만들어지게 된 본래 목적이다. 특정 작업을 처리하기 위해 MCU는 앞에 언급한 여러 가지 기능을 통합하고 조율한다. 예를 들어 온도 센서에 의해 측정된 전압을 온도로 변환해 표시하거나, 모터 사용량을 계산해 해당 모터의 성능을 조절하기도 한다. 하나의 작업을 처리하기 위해 필요한 여러 가지 기능을 통합하는 것이 MCU의 가장 중요한 기능 중 하나다.