시스템 온 칩(SoC)과 시스템 온 모듈(SoM): 내 제품에 맞는 선택은?

시스템 온 칩(SoC)은 처리 장치, 메모리 컨트롤러, 주변장치 인터페이스를 하나의 집적 회로(IC)에 통합합니다. 반면 시스템 온 모듈(SoM)은 SoC에 RAM, 스토리지, 전원 관리 및 보조 회로를 결합한 소형의 사전 검증된 회로 기판입니다.

이 두 통합 방식 중 하나를 선택하는 일은 임베디드 하드웨어 엔지니어링에서 매우 중요한 구조적 결정입니다. 최적의 방식은 생산 수량, 비용 목표, 사내 레이아웃 전문성 및 출시 기간 제약에 따라 달라집니다.

이 가이드에서는 SoC와 SoM의 차이를 자세히 분석하고, 내부 아키텍처와 비반복 엔지니어링(NRE) 비용을 비교하며, 다음 설계에 적합한 방식을 선택하기 위한 실무적인 기준을 제시합니다.

SoC와 SoM 차이: 핵심 비교

대부분의 상업용 및 산업용 제품에서는 생각보다 선택이 간단합니다. SoM을 사용하면 제품을 더 빠르게 출시할 수 있으며, 고속 배선, 전력 분배 네트워크, 핵심 하드웨어 디버깅이 이미 모듈 제조사에 의해 완료되고 검증되어 있어 엔지니어링 위험을 줄일 수 있습니다.

반면 칩다운 SoC 설계는 제품 1대당 생산 비용을 낮출 수 있지만, 상당한 초기 엔지니어링 및 인증 비용을 상쇄할 만큼 출하량이 충분히 많아진 이후에만 유리합니다.

이 초기 비용이 핵심 분기점입니다. SoC를 직접 사용해 맞춤형 보드를 설계하려면 고속 DDR 메모리 배선, 엄격한 전원 시퀀싱, 열 방출 및 전자파 적합성(EMC) 인증을 사내에서 관리해야 합니다.

SoM은 이러한 과제를 사전 테스트된 모듈 내부에 포함하므로, 엔지니어링 팀은 애플리케이션별 주변장치 설계에 집중할 수 있습니다. 그 대가로 제품 1대당 자재 비용은 높아지며, 대량 생산 단계에서만 비용 측면의 불리함이 커질 수 있습니다.

그림: SoC는 단일 다이로, SoM은 해당 SoC와 RAM, 스토리지, 전원 칩을 탑재한 PCB로 표현한 예시입니다.

SoC vs SoM: 항목별 비교

올바른 플랫폼을 선택하려면 엔지니어링 리소스, 제품 수명 기대치 및 제품 요구 사항을 평가해야 합니다. 아래 표에서는 주요 지표를 기준으로 두 방식을 비교합니다.

SoM을 사용하면 개발 속도를 크게 높일 수 있습니다. 일반적인 칩다운 SoC 프로젝트는 설계가 안정화되기 전까지 12~24개월의 하드웨어 엔지니어링이 필요할 수 있습니다. 모든 고속 인터페이스를 처음부터 설계하고 검증해야 하므로, 배선 오류 하나가 수개월의 일정 지연으로 이어질 수 있습니다.

반대로 SoM에는 검증된 메모리 배선, 전력 분배 네트워크, 완성된 보드 지원 패키지(BSP), Linux 또는 Android와 같은 사전 포팅 운영체제가 포함됩니다. 따라서 소프트웨어 팀은 즉시 애플리케이션 개발을 시작할 수 있어 전체 하드웨어 개발 위험을 줄일 수 있습니다.

시스템 온 칩(SoC)이란?

시스템 온 칩은 완전한 컴퓨팅 코어를 하나의 실리콘에 집적한 단일 집적 회로입니다. 프로세서 코어와 필수 시스템 로직을 동일한 다이에 탑재하므로, 시스템 메모리, 비휘발성 스토리지 및 물리적 전원 조절 회로를 제외하면 기기의 연산에 필요한 거의 모든 요소를 포함합니다.

SoC에는 어떤 구성 요소가 통합되나요?

최신 SoC는 내부 시스템 지연 시간과 풋프린트를 줄이기 위해 다양한 기능을 통합합니다.

• 멀티코어 프로세서(CPU): 범용 처리 장치입니다(예: ARM Cortex-A 또는 RISC-V).
• 그래픽 프로세서(GPU): 디스플레이와 렌더링을 위한 전용 하드웨어 가속기입니다.
• 디지털 신호 프로세서(DSP): 오디오, 비디오 및 센서 데이터에 필요한 연산을 가속합니다.
• 신경망 처리 장치(NPU): 기기 내 머신러닝을 위해 설계된 하드웨어 가속기입니다.
• 메모리 컨트롤러: DDR3, DDR4 또는 LPDDR5 RAM을 위한 물리 계층(PHY) 및 논리 컨트롤러입니다.
• 통합 인터페이스: PCIe, USB, Ethernet 및 SDIO용 내장 컨트롤러입니다.
• 무선 트랜시버: 일부 IoT 중심 SoC는 Wi-Fi, Bluetooth 또는 Zigbee 무선 기능을 다이에 직접 통합합니다.

칩다운 SoC 설계의 과제

베어 SoC를 중심으로 보드를 직접 설계하는 방식을 칩다운(chip-down) 하드웨어 설계라고 합니다. 이 방식에서는 엔지니어링과 규제 대응의 전반적인 부담을 설계 팀이 맡아야 합니다. 정확한 길이 매칭과 임피던스 제어가 필요한 고속 DDR 배선, 다중 전원 레일 전력 관리 IC(PMIC) 시퀀싱, 열 방출 병목 해결 및 전자파 적합성(EMC) 관리를 수행해야 합니다.

이러한 작업에는 고급 레이아웃 도구와 숙련된 하드웨어 엔지니어가 필요합니다. 특히 핀 수가 많은 BGA 패키지 유형를 다룰 때는 고밀도 인터커넥트(HDI) PCB, 마이크로비아 및 블라인드/매립 비아 적층 구조가 필요하며, 이는 엔지니어링 및 제조 복잡도를 모두 높입니다.

대표적인 SoC 예시

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시스템 온 모듈(SoM)이란?

시스템 온 모듈은 SoC와 SoC 단독으로는 포함할 수 없는 보조 집적 회로를 탑재한 소형 특수 인쇄 회로 기판입니다. 컴퓨팅 코어, 고속 RAM, 비휘발성 스토리지와 핵심 클록 및 전원 회로를 사전 설계된 하나의 모듈에 통합합니다. 완성된 최종 제품이 아니라 바로 사용할 수 있는 컴퓨팅 엔진 역할을 합니다.

SoM에는 어떤 구성 요소가 포함되나요?

• 호스트 SoC: 모듈의 기본 처리 장치입니다.
• 시스템 RAM: 서브밀리미터 정밀도로 배선된 DDR3L, DDR4 또는 LPDDR4 메모리 칩입니다.
• 비휘발성 스토리지: 부트로더와 운영체제를 저장하는 eMMC, NAND 플래시 또는 SPI NOR 플래시입니다.
• 전력 관리 IC(PMIC): 전력 변환, 벅/부스트 조절 및 정밀 전압 시퀀싱을 처리합니다.
• 시스템 클록: 안정적인 타이밍 기준을 제공하는 오실레이터와 크리스털입니다.
• RF 모듈(선택 사항): 차폐된 Wi-Fi 및 Bluetooth 회로이며, FCC/CE 사전 인증을 받은 경우가 많습니다.
• 보드 간 커넥터: 외부 회로와 연결하는 고밀도 고속 커넥터 또는 캐슬레이티드 홀입니다.

SoM과 캐리어 보드의 작동 방식

SoM은 맞춤형 애플리케이션 전용 캐리어 보드(또는 베이스보드)에 직접 장착하도록 설계됩니다. 이 모듈형 시스템은 하드웨어 개발을 두 부분으로 나눕니다.

1. 컴퓨팅 코어(SoM): 서로 다른 프로젝트에서도 일관되게 유지되는 표준화된 복합 서브시스템입니다.
2. 캐리어 보드: 물리적 포트, 센서 인터페이스, 전원 입력 등 애플리케이션에 필요한 입출력(I/O)만 담은 맞춤형 PCB입니다.

SoM 캐리어 보드를 사용하면 사전 조립된 SoM이 복잡한 고속 연결을 처리하므로, 캐리어 보드의 배선이 크게 단순화됩니다. PCBA와 PCB 설계의 구조적 차이를 이해하면 이 방식을 더 명확히 파악할 수 있습니다. 일반적으로 더 적은 보드 층수로 설계할 수 있고 고밀도 인터커넥트(HDI) 제조 구조를 피할 수 있습니다.

대표적인 시스템 온 모듈 예시

그림: 보드 간 커넥터로 대형 캐리어 보드에 장착된 SoM과 캐리어 보드의 애플리케이션 I/O를 보여줍니다.

실제 SoC 및 SoM 제품

이 설계상의 선택을 더 잘 이해하기 위해 생산량, 크기 및 애플리케이션 제약에 따라 상용 제품이 어떤 방식을 선택하는지 살펴보겠습니다.

• 스마트폰(SoC): 최신 스마트폰은 Apple A18 또는 Snapdragon 8 시리즈와 같은 고성능 SoC를 기반으로 작동합니다. 극심한 공간 제약, 높은 열 방출 요구 사항 및 수백만 대 규모의 대량 생산은 맞춤형 칩다운 설계를 사실상 유일한 선택지로 만듭니다.
• 산업용 HMI 패널(SoM): 공장 제어 패널과 휴먼 머신 인터페이스(HMI)는 일반적으로 연간 수천 대 수준의 소~중량 생산으로 출하됩니다. 이러한 설계에서는 신뢰할 수 있는 장기 공급과 개발 기간 단축을 위해 BOM 비용이 다소 높더라도 Toradex Verdin이나 Variscite DART와 같은 모듈을 사용하는 경우가 많습니다.
• 엣지 AI 스마트 카메라(SoM): 고속 광학 검사 시스템은 NVIDIA Jetson Orin Nano 모듈을 사용하는 경우가 많습니다. 이를 통해 카메라 제조사는 최신 AI 프로세서에 필요한 복잡한 고속 DDR 및 전력 공급 레이아웃을 피하고 광학 센서와 소프트웨어 개발에 집중할 수 있습니다.
• 웨어러블 피트니스 밴드(SoC): 스마트워치와 피트니스 트래커는 매우 작은 풋프린트가 필요합니다. 일반적으로 Nordic nRF54 시리즈와 같은 고집적 초저전력 SoC를 중심으로 설계됩니다. 이 분야에서는 표준 SoM이 너무 커서 장착할 수 없으므로, 특수한 웨어러블 PCB 어셈블리를 통해 엄격한 물리적 제약을 충족하는 것이 중요합니다.

이러한 경향은 일관됩니다. 소형화와 대량 생산에 초점을 둔 소비자 제품은 SoC를 선호하는 반면, 산업용, 의료용 및 틈새 상업용 시스템은 개발 위험과 출시 기간을 줄이기 위해 SoM을 우선시합니다.

SoM과 SoC 비용 비교

제품 1대당 비용은 중요한 결정 요소이지만, 완전한 분석을 위해서는 제품 1대당 생산 비용과 초기 비반복 엔지니어링(NRE) 비용을 함께 고려해야 합니다.

시스템 온 모듈은 부품, 레이아웃 및 테스트 비용을 공급업체에 지불하므로 제품 1대당 비용이 더 높습니다. 베어 SoC는 제품 1대당 비용이 낮지만 상당한 초기 개발 비용이 필요합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 숙련된 하드웨어 엔지니어의 레이아웃 작업 시간
• 복잡한 다층 PCB 설계 작업(마이크로비아를 포함한 8~12층)
• 전체 RF, EMI 및 안전 인증(예: FCC, CE)
• 생산 테스트 지그 개발

연간 생산량이 50,000대 미만인 경우 SoM이 대체로 더 경제적인 선택입니다. 엔지니어링 시간 절감, 인증 절차 단축 및 단순한 캐리어 보드의 이점이 모듈당 높은 비용보다 큽니다.

연간 생산량이 50,000~100,000대를 넘으면 베어 SoC의 제품 1대당 절감액이 초기 설계 및 인증 비용을 정당화할 수 있습니다. 다만 이 투자를 회수하려면 1~2년의 지속적인 생산이 필요할 수 있습니다.

정보에 근거한 결정을 내리려면 설계 팀은 기획 초기 단계에서 소량 PCB 어셈블리 옵션을 신중하게 평가해야 합니다. 정확한 손익분기점은 개발 인건비, 규제 복잡도, 베이스보드 층수 및 제품의 예상 시장 수명 등 여러 변수에 따라 달라집니다.

SoM 선택 기준: SoM을 선택해야 하는 경우

출시 기간, 위험 완화 및 개발 속도가 주요 목표라면 시스템 온 모듈을 선택하세요.

• 빠른 출시 기간: 사전 검증된 모듈을 사용하면 시간이 많이 걸리는 하드웨어 디버깅과 부트로더 개발을 건너뛸 수 있습니다. 따라서 팀은 첫날부터 소프트웨어 애플리케이션 개발에 직접 집중할 수 있습니다.
• 제한적인 고속 하드웨어 설계 리소스: 엔지니어링 팀에 초미세 피치 BGA 배선, 임피던스 매칭 또는 고속 메모리 튜닝 경험이 충분하지 않다면 SoM을 사용해 이 기술적 위험을 모듈 공급업체로 이전할 수 있습니다.
• 산업 및 의료 규정 준수: 다수의 상용 SoM은 까다로운 환경을 위해 제작됩니다. 견고한 설계, 확장된 동작 온도 범위(일반적으로 -40~+85°C) 및 포괄적인 품질 문서를 제공합니다.
• 장기 제품 수명주기: 신뢰할 수 있는 모듈 제조사는 보통 10~15년의 부품 공급을 보증합니다. 또한 핀 호환 업그레이드 옵션을 제공해 부품 단종으로부터 시스템을 보호합니다.
• 간소화된 규제 인증: FCC, CE 또는 IC와 같이 사전 인증된 무선 트랜시버를 탑재한 SoM을 선택하면 규제 절차가 간소화되어 예기치 않은 인증 지연 위험을 줄일 수 있습니다.

칩다운 SoC 설계를 선택해야 하는 경우

생산량, 공간 최적화 및 자재 비용이 주요 우선순위라면 칩다운 SoC 설계를 선택하세요.

• 높은 연간 생산량: 연간 50,000~100,000대 이상을 제조할 때는 자재 비용을 제품 1대당 몇 달러만 절감해도 상당한 초기 엔지니어링 투자를 빠르게 정당화할 수 있습니다.
• 엄격한 크기 및 무게 제약: 웨어러블, 의료용 임플란트 및 마이크로 드론처럼 공간이 제한된 설계에서는 장착형 모듈의 높이와 풋프린트를 수용할 수 없습니다.
• 공격적인 제품 1대당 비용 목표: 모듈 공급업체의 마진을 제거하고 SoM에서 사용하지 않는 주변장치 컨트롤러를 피하면 제품 1대당 생산 비용을 최대한 낮출 수 있습니다.
• 고도로 맞춤화된 하드웨어 구성: 자체 보드를 설계하면 애플리케이션에 필요한 부품만 배치하고, 전력 분배 네트워크를 최적화하며, 정확한 물리 사양에 맞게 레이아웃을 조정할 수 있습니다.
• 축적된 고속 하드웨어 전문성: 엔지니어링 팀이 고속 배선, 고밀도 인터커넥트(HDI) 설계 및 전자파 적합성(EMC) 문제 해결에 필요한 레이아웃 도구와 경험을 이미 갖추고 있다면 칩다운 설계는 매우 실현 가능한 선택이 됩니다.

그림: 생산량, 사내 전문성 및 출시 기간에 관한 질문을 바탕으로 SoM 또는 칩다운 SoC 중 하나를 선택하도록 안내하는 흐름도입니다.

하이브리드 전략: SoM으로 시작한 뒤 SoC로 이전하기

하나의 아키텍처를 선택했다고 해서 영구적으로 고정되는 것은 아닙니다. 많은 성공적인 제품 팀은 하이브리드 전략을 사용합니다. 먼저 SoM으로 제품을 출시한 다음 판매량이 늘어남에 따라 칩다운 SoC 설계로 전환합니다.

이 접근 방식은 다음과 같은 주요 이점을 제공합니다.

1. 제품 출시 기간 단축: SoM을 사용하면 긴 개발 주기 없이 시장에서 제품을 검증하고 초기 고객을 확보하며 소프트웨어 애플리케이션을 개선할 수 있습니다.
2. 위험을 낮춘 재설계: 제품이 검증되고 생산량이 증가하면 베어 SoC를 중심으로 시스템을 재설계할 수 있습니다. 소프트웨어와 캐리어 보드 인터페이스가 이미 검증되었기 때문에 맞춤형 레이아웃으로의 이전 위험이 훨씬 낮아집니다.
3. 계획된 전환: PCBA 프로토타입을 소량 생산으로 확장할 때 이 이전을 신중하게 계획하면 성장의 모든 단계에서 안정적인 공급망을 확보하면서 원활하게 규모를 키울 수 있습니다.

SoM 캐리어 보드란?

캐리어 보드(또는 베이스보드)는 SoM을 장착하는 애플리케이션 전용 메인보드입니다. USB, HDMI, Ethernet 및 직렬 연결과 같은 제품에 필요한 인터페이스와 물리적 커넥터는 물론, 전원 조절 및 보호 회로를 포함합니다.

복잡한 고속 배선이 사전 설계된 SoM 내부에 포함되므로 캐리어 보드는 설계가 훨씬 단순합니다. 일반적으로 표준 2~4층 PCB에 배선할 수 있어 직접 SoC 설계에 필요한 고가의 8~12층 HDI 제작을 피할 수 있습니다. 따라서 레이아웃, 프로토타이핑 및 테스트가 크게 단순화됩니다.

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SoC, SoM, SBC, CoM 및 SiP의 차이

임베디드 컴퓨팅 분야에는 혼동을 일으키기 쉬운 여러 약어가 사용됩니다. 핵심 차이는 통합 수준과 외부 캐리어 보드의 필요 여부에 있습니다.

SBC는 별도 구성 없이 바로 사용할 수 있는 완성형 기성 컴퓨터이므로 초기 프로토타이핑이나 극소량 프로젝트에 적합합니다.

시스템 인 패키지(SiP)는 여러 실리콘 다이를 하나의 칩 형태 패키지에 담아 SoC와 SoM의 중간 형태를 제공하지만, 여전히 맞춤형 PCB 레이아웃이 필요합니다.

컴퓨트 모듈은 시스템 온 모듈과 같은가요?

예. 컴퓨트 모듈은 시스템 온 모듈을 지칭하는 공급업체별 용어입니다. 가장 잘 알려진 예는 Raspberry Pi Compute Module(CM4/CM5)입니다. 이는 표준 Raspberry Pi 단일 보드 컴퓨터의 모듈형 산업용 버전으로, 맞춤형 상용 제품에 통합하도록 특별히 설계되었습니다.

그림: IC에서 SoC, SiP, SoM/CoM, SBC로 이어지며 통합 수준과 사용 준비도가 높아지는 과정을 보여줍니다.

SoM과 SoC FAQ

결론

대부분의 소~중량 생산 제품에서는 시스템 온 모듈(SoM)로 설계를 시작하는 것이 가장 효율적인 방법입니다. 개발 기간을 줄이고 엔지니어링 위험을 낮추며 규제 적합성 대응을 간소화할 수 있습니다.

맞춤형 칩다운 SoC 설계는 물리적 크기와 제품 1대당 자재 비용이 상당한 초기 엔지니어링 투자를 정당화하는 대량 생산 소비자 제품 또는 공간 제약이 큰 기기에 적합합니다.

실무적으로 검증된 접근 방식은 SoM을 사용해 제품을 먼저 출시하고 시장 기반을 확보한 뒤, 생산량이 증가함에 따라 칩다운 SoC 레이아웃으로 이전하는 것입니다.