제가 대학원 시절에 들었던 전기자동차공학. 오랜만에 책을 꺼내봅니다.
자동차의 “자율주행화, 전기화, 안전”을 향해 나아가면서 반도체는 현대 자동차의 중요한 구성 요소가 되었습니다. 오늘날의 자동차는 Power Train 제어, ADAS, 인포테인먼트, 연결 기능 등 필수적인 기능을 수행하기 위해 광범위한 특수 칩에 의존합니다.
왜 자동차의 자율주행이 화두가 되었고, 왜 전기자동차로의 전환이 발생하였는지에 대해, 아래 3요인에 대해 알아보고,
정치/사회적 요인
경제적 요인
기술적 요인
자동차 안전에 대한 스탠다드로 어떤 것이 있는지 알아볼 것입니다.
전기자동차, 왜 대세가 되었을까?: 깨끗한 공기를 위한 필요성
독일의 엔지니어 칼 벤츠가 1886년 1월에 “움직이는 탈것”으로 독일특허3743호 등록증을 받았습니다. 세계대전이 지난 후, 산업화시대에 들어오게 되었고, 자동차는 대중화되었습니다.
하지만, 그로 인한 문제도 커졌습니다. 도심을 달리는 수백만 대의 차량에서 배출되는 매연이 하늘을 덮었고, 대기오염은 심각한 사회적 문제로 대두되었습니다.
미국에서 인구가 가장 많은 주는 어디일까요? 캘리포니아 주입니다. 날씨가 1년 내내 따스합니다. 애플, 구글 등 초일류 IT 대기업들이 모여있어요. 인구 많고.. 구매력 있는 사람들 많다보니 자동차는 엄청 많은데, 날씨 때문에 공기 정화가 안됩니다. 그래서 캘리포니아는 안개처럼 덮인 스모그로 악명 높았습니다.
더 이상 환경 문제를 무시할 수 없는 상황에 이르렀습니다. 그렇다면 대안은 무엇일까요?
처음에는 좋은 연비의 자동차,
그 다음은 전기자동차였습니다.
아래는 Califonia Air Resource Board의 웹사이트입니다.
즉, “캘리포니아 공기 자원 이사회”구나 이렇게 보면 되는데, 여기서 나오는 힘이 매우 강합니다.
CARB 규제란?
전기자동차가 본격적으로 주목받기 시작한 것은 환경 규제가 강화되기 시작하면서였습니다. 그중 가장 대표적인 것이 바로 CARB (California Air Resources Board)입니다. 1967년에 설립된 이 기구는 대기오염을 줄이기 위한 엄격한 배출가스 규제를 시행하기 시작했습니다. 특히, ZEV (Zero Emission Vehicle) 프로그램은 자동차 제조사들에게 더 깨끗한 기술을 사용할 것을 요구했고, 이로 인해 전기자동차의 개발이 가속화되었습니다.
Califonia는 미국에서 가장 큰 자동차 시장입니다. 시장이 가장 큰 곳에서 새로운 규제가 생긴다는 것의 의미는 “자동차 제조사들은 이 규제에 딱 맞춰서 차량을 설계해야 한다는 것입니다. 즉 캘리포니아에서의 규제 영향은 전세계에 미쳤습니다.
물론 유럽도 만만치 않게 환경 규제가 빡세구요.
전기차의 등장: 왜 내연기관을 대체하게 되었는가?
내연기관차는 휘발유를 연소시켜 동력을 얻습니다. 이 과정에서 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 미세먼지(PM)와 같은 유해 물질이 배출됩니다. 반면, 전기자동차 자체에서는 배출가스가 전혀 없습니다. 전기만 충전하면 배터리를 통해 모터가 작동하여 차량을 구동시키기 때문에, 주행 중 배출되는 오염 물질이 없습니다. 이것이 바로 전기차의 가장 큰 강점입니다. (물론, 전기자동차에 전기를 충전하기 위한 “발전소”와 비교를 해야겠죠?)
내연기관차 vs 전기차 자체로는 전기차가 낫다는 뜻입니다.
관련논문:
https://dsc.duq.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1068&context=duquark
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7766616/
An Analysis of Exhaust Emission of the Internal Combustion Engine Treated by the Non-Thermal Plasma : Industries’ air pollution causes serious challenges to modern society, among them exhaust gases from internal combustion engines, which are currently one of the main sources. This study proposes a non-thermal plasma (NTP) system for placement …
전기자동차는 에너지 효율성에서도 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 내연기관차는 연료의 30~40%만 실제 동력으로 사용되며, 나머지는 열로 낭비됩니다. 반면, 전기차는 약 90% 이상의 에너지를 실제 동력으로 변환시킵니다. 즉, 훨씬 적은 에너지를 사용하면서도 동일한 성능을 발휘할 수 있는 기술이 전기차입니다.
환경 규제의 강화는 자동차 제조사들이 더 이상 내연기관의 효율성을 개선하는 것으로는 충분하지 않다는 결론을 내리게 만들었습니다. 특히 EU의 WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure)와 같은 새로운 배출가스 규제는 내연기관 차량의 한계를 명확히 드러냈습니다. 더욱 엄격한 배출가스 측정 기준은 내연기관차가 규제를 만족시키기 위해 추가적인 복잡한 기술(예: 배출가스 후처리 시스템)을 요구하게 만들었고, 그 비용은 점점 더 증가했습니다.
배터리 기술
전기차의 핵심은 배터리 기술입니다. 과거의 전기차의 가장 큰 문제는 배터리의 짧은 수명과 제한된 주행 거리였습니다. 그래서 기술적으로 디젤이나 가솔린 차를 이길 수 없었습니다.
지난 수십 년 동안 리튬이온 배터리 기술은 놀라운 속도로 발전했습니다. 배터리 용량은 커지고, 충전 속도는 빨라졌으며, 비용은 감소했습니다. 이 덕분에 이제는 전기차가 1회 충전으로 400km 정도는 주행할 수 있게 되었으며, 충전 인프라도 빠르게 확장되고 있습니다.
또한, 전기차 배터리의 재활용 가능성도 중요한 이슈로 떠오르고 있습니다. 유럽연합의 ELV (End-of-Life Vehicles Directive)와 같은 규제는 차량이 수명을 다했을 때 재활용 가능한 자원을 최대화하도록 요구하고 있습니다. 이는 전기차 배터리가 단순히 폐기되는 것이 아니라, 재사용 및 재활용을 통해 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있음을 의미합니다.
대중화: 테슬라의 성공과 전기차 인프라 확장, 정부정책
(1) 테슬라의 성공
전기차가 대세가 된 결정적 계기는 테슬라(Tesla)의 성공입니다. 테슬라는 전기차를 고급 브랜드로 포지셔닝함으로써, 전기차에 대한 부정적인 인식을 바꾸는 데 큰 역할을 했습니다. 누구나 처음에 테슬라를 보면 고급 자동차, 전기 차 중 최고 같은 이미지를 갖게 되었습니다.
(2) 충전 인프라 구축
이와 더불어 충전 인프라의 확장도 전기차의 대중화에 중요한 역할을 했습니다. 전기차는 초기에는 충전소 부족 문제로 인해 장거리 주행에 어려움을 겪었지만, 현재는 Supercharger와 같은 고속 충전 네트워크가 빠르게 확장되어 충전이 더 이상 큰 장애물이 되지 않았습니다.
(3) 정부 정책과 보조금, 세금 감면
전기차의 대세화에는 정부의 정책과 보조금도 큰 역할을 했습니다. 여러 국가들은 전기차 구매 시 세금 감면 또는 보조금을 제공하여 전기차의 초기 비용을 낮추는 정책을 시행하고 있습니다. 유럽연합과 미국을 비롯한 여러 나라들이 내연기관차의 판매 금지 시점을 설정하며 전기차로의 전환을 가속화하고 있습니다.
(4) 내연기관 자동차 금지
예를 들어, 유럽연합(EU)은 2035년까지 내연기관 차량의 신규 판매를 금지할 계획을 발표했습니다. 이러한 정책적 변화는 자동차 제조사들에게 전기차로의 전환을 더 이상 선택이 아닌 필수로 만들었습니다.
이제 누가 보아도, 전기차가 미래라는 것은 부인하지 않을 것입니다. 다만 그게 언제일지는 누구도 모르는 것이죠.
여전히 고신뢰성 자동차는 가솔린 자동차구요.
갑자기 매드맥스 생각나서.자동차 관련 주요 환경 규제인 CARB, 자동차의 안전성을 보장하는 ISO 26262와 ASIL, 그리고 기술적 혁신과 정부의 지원은 모두 전기차가 대세가 되는 데 기여한 핵심 요소들입니다. 앞으로 더 많은 기술 발전과 제도적 지원이 이루어지면서, 전기차는 보다 빠르고 강력하게 우리의 도로를 점령할 것입니다.
자동차 반도체의 진화
전기자동차, 자율주행 자동차가 대세가 되었고, 결국 자동차의 하드웨어는 기계공학에서 전자공학에서 바뀌어감을 의미합니다.
초기 자동차의 전자 장치는 점화 제어 및 원시적인 엔진 관리 장치와 같은 기본 시스템으로 제한되었습니다. 이러한 초기 시스템은 트랜지스터 및 서로 분리되어 작동하는 간단한 집적 회로(IC)와 같은 개별 구성 요소에 의존했습니다.
MCU와 ECU
1980년대에 마이크로컨트롤러(MCU)가 차량에서 일반화되었고, 점점 Fuel Injection System, ABS, 에어백과 같은 보다 고급 기능이 가능해졌습니다. 이로 인해 차량 내의 특정 기능을 담당하는 특수 마이크로컨트롤러인 Electronic Control Unit, ECU가 개발되었습니다.
자동차 시스템이 더욱 정교해짐에 따라 차량의 ECU 수가 증가하여 이러한 장치 간의 통신을 관리하기 위한 보다 복잡한 아키텍처와 네트워크가 필요하게 되었습니다.
CAN(Controller Area Network)이란?
차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격입니다. 차량 내 *ECU(Electronic control unit)들은 CAN 프로토콜을 사용하여 통신합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=HAAd7ingn8E
설명 : 아주자동차대학 지명석교수의 강의 자료입니다.자동차 통신의 종류, 자동차 통신의 필요성, Data Frame (데이터 구조), MUX, CAN 통신, LIN 통신에 대한 설명입니다.
그리고 요즘 자동차에는 여러 Processor, Memory, I/O 인터페이스를 단일 칩으로 통합한 시스템 온 칩(SoC) 설계가 장착되어 있습니다. 이러한 시스템은 중요한 안전 및 파워트레인 기능을 관리할 뿐만 아니라 인포테인먼트, 내비게이션, 고급 운전자 지원 시스템(ADAS)도 제공합니다.
자동차 반도체의 주요 유형
전자 제어 장치(ECU):
자동차의 특정 기능을 처리하는 특수 마이크로컨트롤러입니다. 이 ECU에는 다양한 ECU가 있습니다.
Powertrain ECU:
파워트레인 ECU는 엔진, 변속기 및 배출 시스템을 제어합니다. 이러한 ECU는 종종 실시간으로 성능, 연료 효율 및 배출 제어를 균형 있게 조절해야 합니다. 파워트레인 ECU에는 다음이 포함됩니다.
Engine Control Module, ECM: Fuel injection, 점화 타이밍 및 배기 가스 재순환 관리
Transmission Control Module, TCM: 기어 변속, 토크 컨버터 및 클러치 작동을 제어
앞으로도 살펴보겠지만, 자동차 반도체는 대부분 아래 회사들이 합니다.
품종 정말 다양하고, 일반적인 반도체들과 Signoff 기준이 다릅니다. Signoff 코너도 다르고.. DFT도 다릅니다.
공정 수준이 삼성, TSMC에 비해 더 Legacy한 공정을 사용하지만, 이들의 공정은 더 신뢰성이 까다롭기 때문에 이것 또한 설계 난이도가 높습니다.
네덜란드의 NXP
독일의 Infineon, Bosch
미국의 Texas Instrument, On Semi
일본의 Renesas
스위스의 STM
차 내부 ECU: 보통 90~130nm 공정 사용
차체 ECU는 조명, 기후 제어, 시트 조정과 같은 비중요 기능을 제어합니다. 이러한 기능은 컴퓨팅 파워가 덜 필요하지만 차량에 있는 이러한 ECU의 수를 감안할 때 매우 안정적이어야 합니다.
Safety, Chassis 관련 ECU: 보통 28~45nm 공정 사용
브레이크, 에어백, 전자 안정성 제어(ESC)와 같은 안전이 중요한 시스템은 안전 ECU에 의존합니다. 이러한 ECU는 ISO 26262와 같은 엄격한 기능 안전 표준을 준수해야 합니다.
ADAS ECU: 최선단 공정보다 몇단계 낮은 공정을 사용합니다. 꽤 선단이면서, 어느정도 신뢰성이 높은 반도체 공정. 5nm, 14nm 등
ADAS 시스템은 점점 더 복잡해지고 있으며, 레이더, LiDAR, 카메라와 같은 센서의 데이터를 처리하기 위해 고성능 ECU가 필요합니다. 이러한 ECU는 적응형 크루즈 컨트롤, 충돌 회피, 자율 주행과 같은 중요한 기능을 담당합니다.
https://www.rohm.co.kr/solution/automotive/adas/adas-ecu
Application Processor(AP)
Infotainment processor: 인포테인먼트 시스템은 Apple CarPlay 및 Android Auto와 같은 미디어 재생, 내비게이션 및 스마트폰 통합 기능을 제공합니다. 인포테인먼트 프로세서는 오디오/비디오 디코딩, 3D 그래픽 렌더링 및 연결을 포함한 여러 작업을 처리해야 합니다.
텔레칩스, 삼성에서도 이런걸 하고 있죠.
꽤 선단공정을 사용합니다. 브로슈어를 보니,16nm 이하 공정들 사용하는 것 같네요.
Digital Cockpit Processor: 디지털 계기판, 헤드업 디스플레이, 센터 스택 터치스크린 등
Telematics Processor: V2V(Vehicle to Vehicle) 및 V2X(Vehicle to Everything) 통신과 OTA통신 업데이트를 포함한 차량 통신을 관리합니다.
Wi-Fi, Bluetooth, GPS 등 무선 통신 관련 반도체가 사용되고
자율주행용 반도체 SoC 칩: 이것도 최선단보다 1~2단계 정도 오래된 공정 사용.
현대차의 경우 자체 반도체팀을 만들었고,
삼성에도 엑시노스 오토 라인업이 있음.
BYD는 엔비디아랑 협업, 테슬라는 자체 칩.
(1) 반도체라는게 결함이 나도 사람 눈에 보이지가 않는다.
(2) 반도체는 수명이 있어서 언젠간 고장이 남.
이 반도체 수율 검증은 더 확실하게 해야하고, 반도체가 소비자에게 전달 된 후에도 계속 검증이 가능해야 한다.
자동차가 기계공학->전기전자컴퓨터공학으로 움직이면서, 칩설계 분야에 일감이 정말 많아졌다.
Functional Safety란?
Functional Safety은 자동차 시스템의 전자 부품이 예측 가능하게 작동하여 차량 탑승자나 다른 도로 사용자에게 위험을 초래하지 않도록 보장하는 것입니다.
차량이 ADAS 및 자율 주행 기능과 같이 점점 더 복잡해지는 전자 및 소프트웨어 기반 시스템을 통합함에 따라, “수율 검증이 매우 높은 Coverage로 수행 되어야하고, 소비자에게 자동차가 전달된 후에도 모든 칩의 수명이 모니터링 가능해야합니다.” 이러한 기능적 안전 표준을 충족하는 것이 자동차 반도체 산업의 핵심 요건이 되었습니다.
이런 Functional Saftey에 대한 검증이 완료되어야 주요 시장에 판매가 가능합니다.
가장 대표적인 표준으로는 ISO 26262와 ASIL규정이 있습니다.
일단 이번 글에서 여기까지만 쓰고, 이후 글에서 Functional Safety, DFT 이야기를 좀 더 해보겠습니다.
아래 영상을 위주로 이야기를 이어나갈 예정입니다.
https://www.youtube.com/watch?v=MD4mBHUnw9k&t=2221s&ab_channel=EEJournal
설명 : At ITC 2017, Joachim Kunkel discusses how advanced automotive semiconductors, after years of relying on established process technology geometries, are being …
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