5G용 밀리미터파
5G 광대역 이동통신 기술은 2019년에 본격적인 상용화 단계에 접어들었습니다. 최근 몇 년간 소비자 가전 업계에서 5G 도입이 두드러지게 나타나고 있으며, 현재 5G 지원 기능은 중급부터 고급형 모바일 기기의 주요 판매 포인트로 자리 잡고 있습니다.
그러나 이면에서는 훨씬 더 야심 찬 기술 구현을 위한 기반을 마련하기 위한 여러 가지 발전이 이루어져 왔다. 가장 최근에는 2020년 3월, 미국에서 37, 39, 47GHz 대역이 경매에 부쳐져 통신사들이 5G의 밀리미터파(mmWave) 주파수 대역을 활용해 추가적인 용량과 더 높은 전송 속도를 확보할 수 있게 되었다. 이 대역들은 5G의 보다 일반적인 셀룰러 주파수 대역(FR1)을 보완한다는 점에서 주파수 대역 2(FR2)로 알려져 있습니다. 이러한 조치는 이후 상용화 노력의 주요 원동력이 되었습니다.
이러한 상황과 그동안의 모든 업계 동향을 종합해 볼 때, 향후 5G 밀리미터파 대역 할당(N257–N262)을 위한 기반이 마련되었다.
5G의 잠재력을 실현하기 위한 가장 중요한 규제 체계의 상당수가 이미 마련되었지만, 밀리미터파(mmWave) 기술의 상용화는 결코 쉽지 않으며, 도시 중심지를 넘어 확산되기까지는 시간이 걸릴 것입니다. 3대 통신사(버라이즌, AT&T, T-모바일)가 주도하는 미국 시장의 경우, 26~47GHz 대역의 밀리미터파 주파수는 반도체 생태계에 특별한 과제를 안겨주고 있으며, 아래에서 살펴보겠지만 이 과제는 주파수 커버리지 문제와도 밀접한 관련이 있습니다. 그리고 미국 시장에 대한 이러한 교훈은 전 세계적으로도 적용될 것입니다.
간단히 말해, 밀리미터파(mmWave)를 수익성 있고 실현 가능한 기술로 만들기 위해서는 세 가지 조건이 충족되어야 합니다.
- 우선, 새로운 인프라와 소비자용 기기를 모두 지원할 수 있도록 글로벌 공급망이 확대되어야 합니다. 그래야만 업계는 5G에 대한 초기 투자 수익(ROI)을 거둘 수 있을 것입니다.
- 다음으로, 대량 생산의 관점에서 볼 때 연구개발(R&D)의 기반 기술들이 진정한 양산 준비 단계에 이르렀다고 인정받기 위해서는 상용화되어야 합니다.
- 마지막으로, 업계 전체는 상업화 과정 전반을 이끄는 원동력인 거시경제적 효과, 즉 지속 가능한 수익을 파악하고 입증할 수 있어야 한다.
꽤 어려운 과제처럼 들리네요. 이 세 단계로 이어지는 일련의 과정을 촉진하는 핵심 요인 중 하나는 FR2를 비용 효율적인 방식으로 통합하고 테스트할 수 있다는 점입니다. 이러한 사실은 기존 시장 주도권을 유지하거나 가까운 미래에 제품의 경쟁력을 높이고자 하는 기기 제조사들에게 이 기술의 실용성을 더욱 높여줄 것입니다. 이를 실행에 옮기는 기업들은 5G 밀리미터파 도입의 선두에 서게 될 것이며, 선점 효과를 누릴 수 있을 것입니다.
밀리미터파 기기가 직면한 생산상의 난관
해결책을 자세히 살펴보기 전에, 먼저 밀리미터파(mmWave) 기기 생산에 있어 가장 큰 장애물 몇 가지를 살펴보겠습니다. 이를 통해 왜 특정 솔루션이 다른 솔루션보다 FR2 주파수에 더 적합한지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
기대와 현실: 기술 선구자들이 5G FR2가 가능하게 할 소비자 및 산업용 응용 분야를 상상할 때, 밀리미터파(mmWave)에 대한 기대감이 자연스럽게 고조됩니다. 밀리미터파의 빠른 전송 속도는 공항 라운지에서 대용량 데이터를 필요로 하는 비디오 스트리밍부터 스포츠 경기장에서의 획기적인 증강 현실 경험에 이르기까지 모든 분야에 활용될 수 있습니다.
그러면 엔지니어와 회계 담당자들이 기술적 난제와 관련 비용을 따지기 시작하면서, 초기 열기는 점차 식어갑니다. 이로 인해 일부 제조업체들은 시작도 하기 전에 밀리미터파 시장을 포기해 버리기도 합니다.
가격 충격: 수익성 측면에서 볼 때, 주파수가 높을수록 비용도 증가한다는 것은 주지의 사실입니다. 즉, 6GHz 미만의 RF 기능을 갖춘 하드웨어가 디지털 방식에 비해 비싼 만큼, 밀리미터파(mmWave) 기능을 갖춘 하드웨어는 RF 방식보다 더 비쌀 것으로 예상됩니다. 실제로 제조사들은 전체 비용에 미치는 영향이 막대하기 때문에, 생산 라인에서 외부 RF 장비의 수를 최소화하는 데만도 막대한 노력을 기울이고 있습니다.
일반적으로 칩의 평균 판매 가격 중 약 2~4%가 패키징 및 테스트 비용으로 책정됩니다. 이로 인해 칩 제조사들은 밀리미터파(mmWave) 대역의 테스트 장비가 RF 대역에 비해 훨씬 더 비싸기 때문에 이 예산만으로는 부족할 것이라고 예상하게 됩니다. 예를 들어, 무선 링크 테스트용 RF 벤치탑 장비의 경우, 10GHz 대역폭당 소매 가격이 보통 1만 달러 이상입니다.
소자의 복잡성: FR2의 높은 주파수는 소자의 복잡성 증가를 동반합니다. 하드웨어를 설계하고 개발하는 데 더 많은 전문 지식이 필요하며, 따라서 5G 밀리미터파(mmWave) 표준을 강화하는 빔포밍 및 기타 정교한 작업을 활용하는 관련 첨단 패키징(예: AiP(Antenna-in-Package)) 소자를 테스트하기 위해서는 새로운 계측 장비가 필요합니다. 이러한 측면 중 일부는 당사의 이전 게시물인“무선 테스트의 미래는 무선 통신에 있다(The Future of Wireless Test Is Over the Air)”에서 더 자세히 설명되어 있습니다.
또한, 모든 기기에 동일한 테스트 절차를 적용할 수는 없습니다. 일부 기기는 복잡한 보정이 필요한 추가적인 주파수 변환 단계가 포함되어 있습니다. 앞서 언급한 새로운 무선(OTA) 테스트 방법 역시 이 과정의 복잡성이 점점 더 커지고 있음을 보여주며, 출하 전에 기기가 완벽하게 작동하는지 확인해야 할 필요성을 강조합니다.
생산 공정 간소화: 공급망 업계에서는 대역(band)별로 별도의 삽입 공정과 별도의 장비를 사용하는 것이 일반적입니다. 예를 들어, 셀룰러 통신용으로 최적화된 삽입 공정과 연결성(connectivity)용으로 최적화된 삽입 공정이 각각 따로 존재하는 경우가 이에 해당합니다. 이러한 기본적인 생산 단계를 통합, 표준화 및 간소화함으로써 제조업체는 상당한 규모의 경제 효과를 거둘 수 있습니다.
하지만 밀리미터파 대역과 관련된 여러 난관들을 고려할 때, 이러한 규모의 경제 효과를 어떻게 실현할 수 있을지는 항상 명확하지 않습니다. 예를 들어, 각 FR2 대역마다 별도의 삽입 장치가 필요한지, 아니면 전체 주파수 대역을 아우르는 범용적인 접근 방식을 찾을 수 있을지는 제조업체가 선택하는 테스트 전략에 크게 좌우될 것입니다.
신호 전송: 이러한 문제들만으로도 벅찬데, 밀리미터파(mmWave)는 또 다른 골칫거리를 안겨줍니다. 일반적인 RF 케이블, 나아가 일반적인 신호 전송 방식은 애초에 이러한 밀리미터파 주파수를 위해 설계되지 않았기 때문입니다. 이러한 한계는 매우 기본적인 요소, 즉 커넥터 인터페이스와 관련이 있습니다.
생산 현장에서 흔히 사용되는 일반적인 RF 커넥터는 최대 18GHz 주파수까지만 지원합니다. 반면, 5G FR2 주파수 대역을 최적으로 커버하기 위해서는 도파관보다 취급이 훨씬 쉬운 동축 커넥터를 활용하기 위해 신호 전달 성능의 개선이 필수적입니다. 이러한 개선이 이루어지지 않으면, 제조업체들은 대규모 및 고속 기기 테스트 시 성능, 재현성, 경제성을 저해할 위험에 직면하게 됩니다.
이 목록이 모든 사항을 망라한 것은 아니지만, 가장 시급한 문제점 몇 가지를 잘 보여주고 있습니다. 또한, 점점 늘어나는 밀리미터파(mmWave) 활용 사례를 통해 기술적·경제적 성공을 거두기 위해서는, 기기 제조사들이 이러한 주요 변수들을 모두 효과적으로 관리해야 합니다. 당사의 게시물“5G로의 대이동이 시작되었다”에서는이러한 업계 동향과 그 잠재력을 활용하고자 하는 제조사들에게 미치는 영향에 대해 더 자세한 정보를 확인할 수 있습니다.
그럼 이제 그 방법을 살펴보겠습니다.
밀리미터파 테스트 전략 수립은 반복적인 과정입니다
역사적 관점에서 볼 때, 새로운 밀리미터파(mmWave) 테스트 전략을 수립하는 과정은 RF 상용화 노력과 몇 가지 유사점을 보인다. RF의 경우와 마찬가지로, 밀리미터파 테스트 전략 역시 다각적이고 다학제적인 접근 방식을 필요로 하지만, 밀리미터파 기술이 비교적 새로운 분야라는 점을 감안할 때 훨씬 더 민첩한 사고방식을 요구한다.
우선, 앞서 ‘가격 충격(Sticker shock)’이라는 제목의 섹션에서 살펴본 바와 같이, FR2 테스트에 필요한 계측 장비 비용은 주파수가 높아질수록 기하급수적으로 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 초기 테스트 전략은 필요한 밀리미터파(mmWave) 테스트의 양을 어떻게 줄일지에 중점을 둡니다. 이는 다음 두 가지 주요 기법을 통해 달성됩니다:
내장 자가 진단(BIST). 이름에서 알 수 있듯이, BIST는 집적회로(IC) 내에 특정 소자를 통합하여 회로 자체의 각 구역에 대한 기본 기능 및 성능을 내부적으로 테스트할 수 있도록 하는 기술입니다. 이러한 구역들은 이후 더 광범위한 루프백 메커니즘의 일부가 됩니다.
BIST는 비용이 더 저렴할 수 있지만, 결과가 대표적인 사용 사례에서 도출된 것이 아니기 때문에 데이터 분포가 고르지 않고 정확도가 부족한 경우가 많습니다. BIST의 가장 큰 장점은 통합된 특성 덕분에 테스트 주기의 소요 시간을 단축할 뿐만 아니라 테스트-프로브 설정의 복잡성도 줄여준다는 점입니다.
외부 루프백. 이 기법은 디지털 회로에서 흔히 사용되며, 처리되지 않은 신호를 회로 자체로 다시 되돌리는 방식입니다. 이는 송신기(TX)와 수신기(RX) 섹션을 동일한 설계에 통합한 RF IC에 특히 유용합니다. 이 기법에서 TX는 신호를 생성하고, 이 신호는 외부 루프백을 통해 RX로 다시 전달되어 사용 가능한 리소스를 활용하여 특성 분석이 이루어집니다. 이 저비용 접근 방식은 외부 RF 계측 장비의 필요성을 없애줍니다. 또한 외부 루프백이 다소 더 결정론적이기 때문에 내부 BIST(자동 테스트)의 제약 사항을 극복할 수 있는 방법도 제공합니다.
그러나 외부 루프백 테스트 결과에는 절대적인 성능(예: 출력 전력)을 검증하거나 개별 회로 블록의 성능을 분리하여 분석할 수 있는 독립적인 메커니즘이 부족합니다. 절대적인 성능에 대한 정량적 통찰력이 부족하다는 것은, 외부 루프백이 장치 간 재현성에 대한 상대적인 관점만을 제공할 수 있음을 의미합니다. 이러한 측정 지표는 특히 허가 대역을 대상으로 하는 애플리케이션의 경우, 규격 미준수가 단순한 고객 경험 저하를 넘어 규제 기관으로부터 막대한 벌금을 부과받을 수 있다는 점을 고려할 때, 독립적인 확인이 필요합니다.
만약 이러한 초기 기법들이 생산 목표를 달성하는 데 미치지 못한다면, 비록 최후의 수단일지라도 RF 계측 장비를 활용하는 기존의 모범 사례로 되돌아갈 필요가 생길 수 있으며, 이에 따른 비용도 상대적으로 높을 수 있습니다. 여기서 테스트 엔지니어들이 직면한 과제는 가능한 한 최저 비용의 계측 장비를 최대한 활용하고, 성공을 위해 검증된 전략을 적용하는 것입니다. 한편, 조직은 예산 계획을 재검토하여 당면한 상황에 맞는 적절한 균형을 찾아야 합니다.
비록 이상적인 방법은 아니지만, 비용 최적화 기법과 모범 사례를 결합하면 실제 운영 환경으로의 전환을 보장하는 데 도움이 됩니다. 또 다른 장점은 하이브리드 테스트 접근 방식이 자리 잡을 수 있는 여지를 마련해 준다는 점입니다.
하지만 불확실한 요소가 이토록 많은 상황에서, 5G 밀리미터파의 조기 상용화를 추진해야 할 근거는 무엇일까요? 그 배경에는 두 가지 이유가 있습니다.
첫째, 가장 큰 장점은 다른 경쟁사들이 뒤늦게 시장에 진입할 무렵이면 이미 성숙한 밀리미터파(mmWave) 대규모 생산 및 테스트 프로세스를 구축해 놓았다는 점에 있다.
둘째, 최적화된 테스트 전략은 해당 전략의 개발 단계마다 지속적으로 데이터를 수집하는 과정을 통해 도출됩니다. 즉, 최상의 테스트 전략이란 지속적인 데이터 분석을 바탕으로 신중하게 발전해 나가는 반복적인 과정이며, 이를 통해 성공적인 상용화로 이어지는 길을 개척하게 됩니다. 중요한 점은 여기서 성공을 기술적 요인과 경제적 요인 모두를 고려하여 정의한다는 것입니다.
일반적으로 말해, 이 반복적 접근 방식을 밀리미터파 상용화라는 최종 목표에 적용한다면, 이상적인 해결책은 N257–N262 대역(즉, 24.25–48.20 GHz)을 지원하여 5G FR2 무선 주파수 대역 전체를 커버하는 단일 테스트 장비를 갖추는 것입니다. 각기 다른 대역에 대한 개별 장비를 사용한다면 생태계 전반에 걸쳐 비효율이 발생할 것입니다.
또한 이 통합 솔루션은 고성능 연속파(CW) 측정(예: 이득)과 변조 측정(예: 오차 벡터 크기)을 모두 지원해야 합니다. 아울러 기술과 경제성이라는 두 가지 측면을 모두 고려하여, 동일한 솔루션이 4채널 또는 8채널과 같은 고밀도 테스트 구성을 통해 대규모 병렬 테스트를 수행함으로써 경제성을 높일 수 있어야 합니다.
이 통합 테스트 장비에 대한 마지막 고려 사항은 반도체 콘텐츠 표준 워크플로우, 즉 웨이퍼 소트(WS), 기능 테스트(FT), 무선(OTA) 테스트를 지원하는 것입니다. 이를 통해 규모의 경제 효과를 누리면서도 각 테스트 단계 전반에 걸쳐 데이터 분석을 수집하고 궁극적으로 최적화할 수 있게 됩니다.
테라다인의 밀리미터파 테스트 솔루션
이 모든 것이 지나치게 이상적이거나 이론적으로 들릴지 모르겠지만, 사실은 그렇지 않습니다. 테라다인(Teradyne)의 새로운 UltraWaveMX53 장비인 UltraWaveMX53 23.8GHz에서 52.6GHz에 이르는 전체 허가 대역을 지원함으로써 5G FR2 주파수 대역을 완벽하게 처리할 수 있습니다.
UltraWaveMX53 이 전체 주파수 대역에서 타의 추종을 불허하는 성능을 UltraWaveMX53 뿐만 아니라, 완벽하게 통합된 온도 안정화 및 교정 기능을 갖추고 있습니다. 채널별 통합 신호 발생기 아키텍처는 동급 최고의 위상 잡음 성능을 제공합니다. 이를 통해 뛰어난 오차 벡터 크기(EVM) 성능을 갖춘 변조 파형의 발생 및 측정 기능을 구현할 수 있습니다.
또한, UltraWaveMX53 거의 모든 생산 환경에 대응할 수 있을 만큼 다용도로 UltraWaveMX53 . 이 제품은 WS, FT, OTA 등 일반적인 모든 반도체 삽입 공정을 지원하기 위해 다양한 구성으로 제공됩니다. 아울러 모든 구성은 최대 52.6 GHz 대역을 커버하는 두 개의 완전히 독립적인 채널을 갖춘 16개의 포트를 제공합니다.
물론, 이는 앞서 언급한 시급한 기술적 문제들을 해결해 줍니다. 하지만 경제적인 측면은 어떨까요?
당사의 UltraFLEX 플랫폼은 이 부분도 완벽히 지원합니다. 이 턴키 방식의 장비는 4개 사이트 동시 테스트가 가능하므로, 사이트당 4개의 피시험 장치(DUT)를 처리할 수 있어 테스트의 정확성을 저해하지 않으면서도 테스트 시간을 단축할 수 있습니다. 이러한 병렬 테스트 기능은 양산을 상용 규모로 확대하는 데 있어 중요한 기반이 됩니다.
결론
5G가 무선 통신의 새로운 시대를 열었다고 해도 과언이 아니며, 특히 밀리미터파(mmWave) 기술의 도입으로 그 의미가 더욱 커졌습니다. 이 독보적인 5G 표준은 소비자 및 기업 수요를 모두 견인할 새로운 응용 분야를 개척했습니다. 또한 당사의 신제품인 UltraWave MX53은 UltraWaveMX8, MX20e, MX44e 등 기존 5G 제품 포트폴리오를 완벽하게 보완합니다.
그러나 밀리미터파(mmWave)는 더 나은 테스트 및 보정 기술의 필요성과 같은 새로운 과제를 제기한다는 점에서 반도체 생태계에 지대한 영향을 미칠 것입니다. 장치 제조업체들은 이러한 과제를 인식하고 기술적 목표는 물론 경제적 목표까지 달성할 수 있는 테스트 전략을 수립해야 합니다. 이 초기 단계에서는 이러한 테스트 전략을 수립하는 데 있어 반복적인 접근 방식을 취하는 것이 현명하지만, 한 가지 확실한 점은 어떤 전략이든 그 핵심에는 신뢰할 수 있는 파트너와 최첨단 성능을 제공하면서도 테스트 비용을 절감해 주는 턴키 솔루션이 있다는 것입니다.
테라다인(Teradyne)은 장비부터 전문 지식에 이르기까지, 밀리미터파(mmWave) 기술의 상용화를 위해 적극적으로 노력하는 글로벌 공급업체들의 테스트 전략에 없어서는 안 될 핵심 요소입니다. 이에 따라 저희 또한 끊임없이 발전하고 있습니다. mmWave 상용화 과정에 대한 당사의 기여는 반도체 생태계의 모든 변화에 발맞추는 것이며, 애플리케이션 지원, 디바이스 인터페이스 솔루션, 엔지니어링 서비스 및 소프트웨어 서비스를 포함한 당사의 지원 서비스는 상용화 전 과정에 걸쳐 성공을 보장합니다. 이것이 바로 반도체 업계가 대량 생산의 기술적, 경제적 요구를 충족시키는 검증된 방법을 위해 당사를 신뢰하는 이유입니다.
귀사가 이미 밀리미터파(mmWave) 분야의 선두에 서 있거나, 그 길을 걷고자 한다면, 당사의 전문 지식이 귀사에 큰 도움이 될 것입니다. 밀리미터파 생산 과정에서 겪고 계신 어려움을 상담하고, 함께 고도로 최적화되고 비용 효율적인 솔루션을 찾아보시려면 언제든지 연락해 주십시오. 결국, 당사의 성공은 귀사의 성공을 통해 증명됩니다.
데이비드 본드란 테라다인(Teradyne)의 무선 제품 매니저로, 밀리미터파(mmWave) 애플리케이션을 포함한 대량 생산용 ATE 솔루션을 담당하고 있습니다. 그는 록웰 인터내셔널(Rockwell International), 왓킨스-존슨(Watkins-Johnson), 퍼시픽 모노리틱스(Pacific Monolithics), 캘리포니아 마이크로웨이브(California Microwave), 안리쓰(Anritsu), OML, 라이트포인트(LitePoint), 어드밴테스트(Advantest), 아스트로닉스 테스트 시스템즈(Astronics Test Systems) 등에서 엔지니어링 및 마케팅 직책을 역임했습니다. 데이비드는 캘리포니아 주립 폴리테크닉 대학교 포모나(California State Polytechnic University, Pomona)에서 전기공학 학사 학위를 취득했습니다.
로드리고 카릴로-라미레즈 아날로그 디바이스(Analog Devices)에서 경력을 시작한 로드리고 카릴로-라미레즈는 현재 테라다인(Teradyne)의 밀리미터파 엔지니어링 매니저로 재직 중이며, 밀리미터파 솔루션 설계 분야에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그는 매사추세츠 대학교 앰허스트 캠퍼스에서 전기 및 컴퓨터 공학 박사 및 석사 학위를, 멕시코 국립대학교에서 전기 및 기계 공학 학사 학위를 취득했습니다.