전자 장치가 작을수록 보다 강력한 장치를 보다 작은 패키지로 구성할 수 있으며 이 사실은 최신 컴퓨팅 시스템에서 극명하게 드러납니다. 처음에 나왔던 컴퓨터 모델들은 현재의 슈퍼 컴퓨팅 시스템처럼 건물 전체를 차지했습니다. 그런데 슈퍼 컴퓨터는 크기는 달라지지 않고 처리할 수 있는 데이터의 양이 기하급수적으로 증가했습니다. 그런데 전자 구성 요소의 크기가 줄면 전자 장치의 성능이 강력해질 뿐만 아니라 그 크기도 줄일 수 있습니다.
크기를 줄일 수 있는 장치는 소비자의 관점에서 실용성이 더 좋으며 헤드폰이 좋은 사례 연구입니다. 최초의 헤드폰은 부피가 커서 휴대하기 어려웠습니다. 기술 발전과 함께 헤드폰 크기도 축소되면서 귀 속에 편안하게 장착할 수 있게 되었습니다. 현재는 기술이 발전하여 이러한 귀 속 장치를 무선으로 사용할 수 있습니다.
전자 장치의 크기가 줄면 구성품의 크기가 작아질 뿐만 아니라 장치의 에너지원도 줄어야 합니다. 이 때문에 전력 공급원 문제를 해결해야 합니다. 전력 공급원 크기가 줄면 에너지 저장량도 줄어듭니다. 따라서 전자 장치 설계자들은 최신 전자 장치를 끊임없이 연구해야 합니다. 왜냐하면 전력 공급원의 크기를 줄이면서 동시에 배터리 작동 시간을 유지할 수 있도록 장치의 에너지 소비량도 줄여야 하기 때문입니다.
설계자들은 훨씬 더 작은 장치를 만드는 것과 관련하여 향후 무엇을 전망할 수 있으며, 이러한 기술이 계속 개발되는 동안 지금 이들이 할 수 있는 것은 무엇일까요?
배터리 기술
설계자들은 다양한 배터리 기술을 사용할 수 있지만 작은 휴대용 장치에도 사용할 수 있는 것은 리튬 이온 배터리 하나뿐입니다. 현재 리튬 이온 기술을 사용하면 에너지 밀도가 높은 배터리를 빠르게 충전할 수 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리는 다른 기술(예: 알칼리와 납산)보다 훨씬 더 작게 설계할 수 있지만 여기에는 대가가 따릅니다.
리튬 이온
리튬 이온 배터리는 쉽게 손상되기 때문에 여러 안전 시스템이 있어야 합니다. 배터리가 손상될 경우 그 결과는 치명적일 수 있습니다. 리튬 이온 배터리가 파열되거나 손상되면 대부분의 경우 내부에서 전극 사이 회로의 단락이 야기됩니다. 이로 인해 대규모 회로 단락이 야기되고, 그 결과 수소 가스와 열이 발생합니다. 배터리가 부풀어 오르고, 수소가 배출되고, 불이 붙게 됩니다. 이 불로 근처에 있는 것이 손상될 수 있을 뿐만 아니라 다른 배터리에도 불이 날 수 있습니다.
고체
고체 배터리는 개발 중인 최신 기술로서, 현재의 리튬 이온 배터리(액체 전해질 사용)를 매우 쉽게 대체할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 고체 배터리는 고체 물질로만 이루어져 있습니다. 따라서 손상과 내부 회로 단락에 훨씬 더 강합니다. 그리고 연구자들은 고체 배터리가 더 안전하고, 에너지 저장량이 더 많아 배터리 크기를 줄일 수 있다고 생각합니다.
그러나 고체 배터리에도 단점이 있습니다. 큰 단점 하나는 내부에 수지상 결정이 형성된다는 것입니다. 리튬 계열의 고체 배터리는 양극에 음극 방향으로 자라나는 작은 결정이 쉽게 형성됩니다(이를 수지상 결정이라고 함). 이 결정이 음극에 접촉하게 되면 셀에 회로 단락이 생겨 제 기능을 멈춥니다.
슈퍼커패시터
슈퍼커패시터는 낮은 전압에서 대량의 에너지를 저장할 수 있다는 점에서 향후 장치에 전력을 공급할 수 있는 또 다른 옵션입니다. 그리고 슈퍼커패시터는 충전과 방전 속도가 매우 빨라 빠른 충전 기능이 필요한 시스템이나 대량의 에너지를 바로 저장해야 하는 시스템(예: 회생 제동 시스템)에 적합합니다.
그러나 슈퍼커패시터의 문제는 이 기술로는 대부분의 다른 배터리 기술과 동일한 규모의 에너지를 저장하지 못한다는 것입니다. 따라서 고전력 장치에 필요한 장기 에너지 저장 기능은 제공하지 못할 수 있습니다. 그리고 방전이 빨라 회로 단락 시 스파크가 발생할 수 있어 안전 우려도 제기됩니다.
대체 전력 공급원
배터리는 에너지를 저장하지만 에너지를 바로 생성한다면 훨씬 더 유리합니다. 장치 운전자가 기억했다가 장치를 충전할 필요가 없고 전력 공급원과 떨어진 곳에서 원격으로 기술을 장착할 수 있어 더 안전하기 때문입니다.
태양광
소형 태양광 전지는 일광뿐만 아니라 사무실 조명으로도 쉽게 작동할 수 있는 계산기에서 흔히 볼 수 있습니다. 태양광 전지는 스마트 기기나 랩탑에 필요한 전력은 충분히 생성하지 못하지만 IoT 센서와 손목에 착용하는 스포츠 시계 같이 더 작은 장치의 전력 공급원으로 사용할 수 있습니다. 그렇지만 당분간은 태양광 기술이 1W 이상의 전력을 요하는 장치에 전력을 공급할 것으로 기대하기 어렵습니다.
압축 수소
압축 수소도 향후에 저장 에너지 솔루션이 될 수 있을 것입니다. 수소와 산소가 특수 양자 교환막을 통과하면 직접 전기를 생성할 수 있게 됩니다. 여기서 수소가 제공하는 에너지 밀도를 이용할 수 있는 고도로 효율적인 프로세스가 생성됩니다. 그러나 압축 수소의 저장은 소형 휴대용 장치라 하더라도 리튬 이온 배터리와 관련된 것과 유사한 안전 우려가 제기됩니다. 게다가 이러한 연료 전지는 크기를 최소화하기가 어렵기 때문에 아마도 수십 년이 지난 후에야 전력 공급원으로서 사용될 수 있을 것입니다.
열
열 에너지는 펠티에 효과를 통해 전기 에너지로 바로 변환할 수 있습니다. 연구자들은 손가락에 끼는 반지처럼 착용할 수 있는 에너지원을 만들 수 있게 되었는데, 공기 온도와 체온의 차이만으로 전기를 만들 수 있습니다. 그러나 펠티에 발전기는 효율이 너무 낮아 온도 차이가 큰(약 80˚C) 경우에만 효율적으로 작동합니다.
복사
또 다른 미래의 에너지원은 복사이며 연구자들은 방사능 붕괴를 바로 전기로 변환하는 잠재적 다이아몬드 배터리를 고안했습니다. 이 기술로 설계한 배터리는 작게 만들 수 있으며 수십 년 동안 재충전 없이도 전력을 제공할 수 있습니다. 그러나 이 전력 공급원은 극히 소량의 전력을 공급할 것입니다(나노와트). 또한 환경에 유해할 수 있습니다.
전력 소비량 감축 기법
현재 더 작은 장치를 만들고자 하는 설계자들은 효과가 입증된 배터리만 사용할 수 있기 때문에 리튬 이온이 사용될 가능성이 가장 높습니다. 하지만 이러한 배터리는 아주 작은 크기로 구입할 수 있기 때문에 전망이 어두운 것만은 아닙니다. 문제는 배터리 작동 시간을 늘릴 수 있도록 장치의 에너지 소비량을 최대한 줄일 방법을 찾는 것입니다.
시간과 전혀 무관한 에너지
설계자들이 알아야 하는 첫 번째 법칙은 에너지는 시간과 아무 상관이 없다는 것입니다. 한 장치가 짧은 시간 동안 많은 전력을 사용할 수도 있고 긴 시간 동안 매우 적은 양의 전력을 사용할 수도 있습니다. 결국 이 장치가 사용하는 전력 양은 같을 수 있습니다.
이 개념을 이용해 장치가 작동해야 하는 시점과 작동할 필요가 없는 시점을 인식하여 에너지 소비량을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 배터리로 작동하며 Wi-Fi 연결을 사용하는 IoT 장치는 10초마다 데이터를 전송해야 할 수 있습니다. 그렇다면 이 장치는 9.9초 동안은 완전 절전 모드로 작동할 수 있어 에너지 소비가 최소화됩니다. 따라서 전송할 때 발생하는 많은 양의 에너지 소비는 장치가 사용되지 않는 시간에 걸친 평균치이므로 에너지 소비량을 크게 줄일 수 있습니다.
클록 속도 단축
마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서를 다루는 설계자들은 메가헤르츠 단위까지 최대한 줄이려고 합니다. 이것이 데이터 집약형 작업에는 효과적일 수 있지만 휴대용 디자인에는 맞지 않으며 클록 속도를 줄이면 에너지가 크게 절감될 수 있습니다.
CMOS 기반 논리에서 클록 속도를 줄일 때 에너지 소비량이 감소하는 이유는 CMOS 논리가 작동하는 방식 때문입니다. 논리 1 또는 0에서, CMOS는 전력을 전혀 소비하지 않습니다. CMOS 게이트의 입력이 커패시터이고 CMOS 트랜지스터 쌍(P와 N)이 서로 보완하기 때문입니다. 다시 말해 1 또는 0 상태일 때는 전력과 접지 사이에 경로가 없으며 따라서 에너지가 전혀 소비되지 않습니다. 그러나 논리 상태가 달라질 때 트랜지스터가 선형 영역을 통과하며 접지와 전력 사이에 짧은 경로가 생겨 전력과 접지 사이에 경로가 생깁니다. 바로 이때 에너지가 소비되며 트랜지스터가 이 영역에 오래 있을수록 에너지가 많이 소비됩니다.
따라서 시스템의 클록 속도를 줄이면 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 클록 속도가 단축되면 초당 실행되는 명령이 적어 동일한 작업을 실행하는 데 시간이 더 걸릴 수 있다는 점을 알아야 합니다. 다시 앞에서 말한 에너지 소비 문제로 돌아가보면 전력 소비는 줄일 수 있지만 작업을 완료하는 데는 동일한 양의 에너지가 필요합니다.
주문형 실리콘으로 상황이 크게 달라질 수 있을까요?
에너지를 크게 줄일 수 있는 미래의 장치를 구현할 수 있는 한 가지 기술은 주문형 실리콘 및 칩렛입니다. 상용 전자 장치의 가장 큰 단점은 사용되지 않으면서 에너지를 불필요하게 소비하는 주변 회로가 칩에 많이 있다는 것입니다. 여기에는 필요하지 않은 명령, 사용되지 않는 버스를 지원하는 주변 회로, 최종 설계에 필요 없는 일반 회로가 포함될 수 있습니다.
마이크로컨트롤러 제조사들은 전력 소비를 줄이도록 이런 영역을 끄는 방법을 제공하고 있지만, 중요한 실리콘 공간은 여전히 불필요한 하드웨어가 차지하고 있어 설계의 효율을 저하시키고 있습니다. 그러나 주문형 실리콘 장치를 사용하면 설계자가 설계에 필요한 하드웨어만 선택할 수 있어 칩 크기를 크게 줄이거나 실리콘 공간을 최대로 활용할 수 있습니다.
주문형 디자인은 여러 방법으로 만들 수 있습니다. 실제 실리콘 자체(ASIC)를 설계하거나 사전에 설계한 실리콘 다이를 선택해 단일 패키지에 장착하는 방법 등이 있습니다. 사전에 만든 실리콘 다이를 사용하는 방법이 채택될 가능성이 더 높습니다. 제조하여 조립하기가 훨씬 더 쉽고 더 경제적이기 때문입니다.
결론
휴대용 장치의 전력 옵션은 많지만 신뢰할 수 있는 옵션은 많지 않습니다. 전자 장치가 작아질수록 전력 요구량도 줄어듭니다. 작은 트랜지스터는 에너지 소비량이 적습니다. 그러나 트랜지스터 수가 늘면 전체 에너지 소비량이 증가합니다.
따라서 설계자는 불필요한 하드웨어를 제거하거나 언더클록(underclocking) 같은 절전 기법에 더 많이 의존할 것입니다. 그리고 향후에는 전자 장치가 주문형 장치로 이동할 가능성이 있으며, 전체 회로가 단일 패키지 안에 조립되어 외부 구성품이나 부품이 필요 없으며 이런 장치를 PCB처럼 주문할 수도 있을 것입니다.
