어제 콘서트 끝나고 자기 전에 테슬라 특허문서 발견하고 공부시작..
다 정리하고 자고 싶었는데
생각보다 길어져서 새벽까지 하다 그냥 포기하고 잠..
애들 등원시키고 아침부터 이것만 붙들고 있음..
어쩌다보니 요새 테슬라를 파고있네.ㅋㅋ
나름 시리즈로 엮어봄.

수직계열화 시리즈 1 : X머니편
https://www.threads.com/@yuljunmanggo/post/DW9Ubiqkpje?xmt=AQF02BVLC1kdXfFJZ6DpOmn7TpjrRYo5tzBAeWgqWWT9hg

수직계열화 시리즈 2 : 메가팩 편
https://www.threads.com/@yuljunmanggo/post/DW9rUTwEkPk?xmt=AQF02BVLC1kdXfFJZ6DpOmn7TpjrRYo5tzBAeWgqWWT9hg

시리즈 3은 로봇과 반도체 편.
내가 이해한 내용을 토대로 설명하듯이 정리해봤다.
로봇 공학의 기초 용어와 반도체에 대해 공부하는 기회가 됨.

[테슬라의 수직계열화 시리즈 3 (로봇, 반도체 편)]
이번에는 테슬라가 26년 4월 9일 특허청에 제출한 문서하나를 가지고 왔어.
인간 무릎을 모방한 옵티머스 로봇 무릎 설계도면이야.
이게 수직계열화랑 어떤 연관이 있을까?
과거에 테슬라가 탄화규소(SiC) 반도체(전력반도체) 사용량을 최고 75% 축소하겠다는 계획을 내놓았었어. 이 때문에 당시에 온세미, 울프스피드 같은 전력반도체 기업 주가가 급락했지만,
한편에서는 과연 테슬라의 이 원가절감 계획이 실현될 수 있는가에 대해서 의구심을 가졌어.

관련기사
https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=20030

전기차와 로봇에서 가장 비싼 부품 중 하나가 전력반도체 모듈인데, 전력반도체는 실리콘 반도체보다 훨씬 비싸지만 자동차와 로봇과 같이 엄청난 열과 전압을 견디면서 전력을 조절하려면 전력반도체는 필수야. 실리콘은 고온, 고전력에는 취약하거든.

그런데 전력반도체를 포기한다는건 그만큼 성능과 효율을 유지하지 못한다는 것이고. 특히나 자동차는 모터가 보통 1~4개지만, 로봇은 관절 수(현재 약 28개 이상의 액추에이터(관절))만큼 모터가 들어가는 전력반도체 덩어리라고 봐도 무방할 정도로 전력조절 성능이 중요해.(배터리의 전기를 모터가 쓸 수 있는 형태로 바꿔주는 '인버터'가 필요한데, 여기에 수많은 전력반도체가 탑재됨.) 그래서 전력반도체를 75%나 줄인다는 것에 대해 다들 의구심을 제기한거야.
그런데 이번에 공개한 로봇 무릎 관절 특허는 어떻게 전력반도체의 사용량을 줄일 수 있는지에 대한 하나의 방법을 보여주었어.

-특허 문서 보는 곳-
https://acgrobot.com/new-breakthrough-of-teslas-humanoid-robot-bionic-knee-joint-patent-revealed-single-motor-drives-150-degree-large-range-movement/

이것을 이해하려면 (이해하지 않고 결론만 봐도 되지만 들여다보니 재밌긴함) 몇 가지 용어들이랑 친해지면 돼.

먼저 특허청에 올린 문서를 보면, 링크 4개, 액추에이터 하나, 피벗 4개로 사람의 무릎관절처럼 유연하고 효율적인 로봇 무릎 관절 모델을 만들었다고 나와. (첨부사진)

여기서 링크, 엑추에이터, 피벗이 뭔지, 반도체는 어디에 들어가는지 알아보자.

[로봇 무릎의 3요소: 링크, 액추에이터, 피벗]
이 세 가지는 로봇이라는 생명체를 구성하는 뼈, 근육, 관절 중심점이라고 생각하면 됨.
① 링크 (Link): "로봇의 뼈"
두 점을 연결하는 딱딱한 막대기나 판.
힘을 전달하고 형태를 유지. 우리 몸으로 치면 허벅지뼈(대퇴골)나 종아리뼈(경골).
링크 자체는 스스로 움직이지 못하지만, 여러 개가 연결(4절 링크 등)되면 복잡하고 정교한 움직임을 만들어냄.

② 액추에이터 (Actuator): "로봇의 근육"
에너지를 받아서 실제로 물리적인 움직임을 만들어내는 장치.
링크를 밀거나 당겨서 관절을 굽히고 펴게 함. 인간의 근육 역할을 함.
테슬라는 주로 '전기 모터 + 감속기(기어)' 조합의 선형 액추에이터를 씀. 근육이 수축하며 뼈를 당기듯 이 장치가 길이를 조절하며 무릎을 움직임.(피스톤 생각하면 쉬움)

③ 피벗 (Pivot): "로봇의 회전축"
링크들이 연결되어 회전이 일어나는 중심점.
문틀의 경첩(힌지) 같은 역할을 함.
무릎이 꺾일 때 그 회전의 중심이 되는 '못'이라고 보면 됨.

이번에 발표한 독창적인 4절 링크 구조를 보면,
큰 뼈인 링크 2개(노란색, 허벅지 302, 종아리 304)와,
힘줄/인대기능인 링크 부재 2개(레몬색 402, 404),
근육 엑추에이터 1개(빨간색, 406)
경첩 피벗 4개(초록색 4개, 412, 418, 420a,b, 422)로 이루어져 있음.
(사진참고)

작동원리는,
근육 엑추에이터가 작동하면 424의 길이가 달라지고(선형운동), 이는 1, 2링크 부재(402, 404)의 연동을 통해 상부 다리(302)에 대한 하부 다리(304)의 광범위한 회전 운동으로 정교하게 변환됨. 이때, 선형 액추에이터(406)는 1링크 부재(402)를 비교적 작은 각도(약 60도)로 회전시키는 것만으로도, 두 번째 링크(404)의 협동 운동으로 각도가 증폭되어 정강이(304)가 허벅지(302)에 대해 초광범위한(약 150도) 회전 운동을 구현하게 됨.

이 4절링크 구조는 하나의 선형 엑추에이터(모터)의 비교적 작은 움직임을 통해 다리 하단부의 비교적 큰 회전각도를 만들어내기에 무게와 부피를 줄이고 에너지소비를 크게 낮출 수 있게 되는 것.

(어떻게 움직이는 건지 궁금하면 이 영상 참고)
: https://www.youtube.com/watch?v=290RoySCXIA&t=2232s

여기서 테슬라의 철학을 그대로 보여줌. 보통의 로봇 회사는 관절에 힘이 부족하면 더 크고 비싼 모터를 넣지만 테슬라는 슬개골의 기하학적 원리를 빌려와 '구조 자체'가 힘을 증폭하게 만들었음. 소프트웨어(AI)가 보행을 제어하기 전에, 하드웨어(링크 구조)가 이미 에너지 효율을 최적화시킨 것. 그리고 거기에 들어가는 반도체도 스스로 만드려고 하고 있음.

그렇다면, 이 관절 구조에서 어떤 반도체가 어디에 들어가고,
테슬라는 어떤 반도체를 자체 생산하려고 하는 걸까?

먼저, 로봇에 들어가는 반도체의 종류를 살펴보면,
로직반도체, 전력반도체, 센서칩(혼성신호반도체)로 나눌 수 있음.

① 모터 제어용 커스텀 반도체 (신경/지휘관) - 로직(Logic) 반도체
단순히 전기를 준다고 모터가 정교하게 움직이지 않음.
메인 컴퓨터(뇌)에서 "무릎을 30도만 굽혀"라는 신호를 받으면, 실제 모터에 전류를 얼마나 보낼지 계산해서 근육(모터)에 명령을 내림.
테슬라가 직접 설계한다는 칩이 바로 이거. 남의 칩을 안 쓰고 옵티머스의 관절 움직임에만 최적화된 계산을 하도록 만든 칩을 생산하려고 함.

② 전력반도체 (근육/일꾼)
제어 칩이 명령을 내리면, 실제로 수백 볼트의 전기를 직접 껐다 켰다 하며 모터를 돌리는 일꾼.
앞서 언급한 SiC나 GaN 소재로 만든 칩들임. 엄청난 열과 전압을 몸으로 견디며 에너지를 전달함.

이 두 종류의 반도체는 엑츄에이더 안의 하나의 모터 드라이이버 기판 위에서 각자의 역할을 하고 있음.
그런데 전통적인 방식으로는 제어 칩(TI, 인피니언 등에서 구매)과 전력 칩(온세미 등에서 구매)을 따로 사서 조립했는데 테슬라는 이 둘을 최대한 가까이 붙이거나 하나로 통합(SiP/SoC)하려고 함. 거리가 멀면 신호가 가는 동안 전기가 새고(손실), 부품 크기가 커지기 때문. 그래서 밖에서 보면 "이게 제어칩이야, 전력칩이야?" 할 정도로 경계가 모호해지고 있음. 테슬라의 팹에서 테슬라가 제어 칩뿐만 아니라 전력 관리 기능까지 포함된 '통합 구동 모듈용 반도체'를 직접 찍어낸다면, 온세미컨덕터 같은 회사들은 설 자리가 더 좁아지게 될 것.
(참고사진-지능형 처리 회로(110))

③ 센서 칩(혼성 신호 반도체, 특수 센서 칩(ASIC)) : 관절 곳곳(파란색 206이 바로 힘센서)
무릎이 지금 몇 도인지, 얼마나 큰 힘(토크)을 받고 있는지 알아야 로봇이 넘어지지 않음.
위치 센서, 힘 센서 등이 반도체 칩 형태로 피벗이나 액추에이터 끝단에 붙어 있음.
이 칩들이 실시간으로 데이터를 수집해 뇌(로직 반도체)로 보냄.
이 센서칩들도 자체생산 대상의 반도체임. 위치 센서(엔코더)나 힘 센서(로드셀)도 전문업체에서 사오면 매우 비싼데, 테라팹에서 직접 찍어내면, 자기네들 입맛에 맞는 순수 데이터를 다루는 칩을 1/10의 싼 가격으로 만들 수 있음.
그리고 이마저도 제어 로직과 하나로 묶어 '통합 관절 제어 모듈'에 집어넣으려고 함. '피벗'이나 '액추에이터 끝단'에 붙어 있는 것은, 단순한 센서가 아니라 '센서 기능을 가진 미니 뇌'라고 보는 게 더 정확함.

종합하자면, 테슬라는 로직이든, 센서든, 전력이든 여러 개의 칩을 하나로 묶어 관절에 딱 맞게 만드는 '파워 모듈' 전체를 직접 생산하려고 함. 테라팹을 짓는다고 했을 때 사람들이 "어떻게 삼성·TSMC를 이겨?"라고 생각했지만, 주력은 연산이나 메모리 반도체가 아닌, 우리 기하학 구조에 맞는 특수한 전력 칩을 우리 공장에서 직접 만드는 것이 주전략이라고 보는 게 더 타당해 보임.

그런데 여러 칩을 묶어 파워모듈을 만드려는 것은 알겠는데, 로직, 센서 반도체처럼 전력반도체도 직접 생산할 생각은 없는걸까? 전력반도체, 특히 SiC(탄화규소)는 만들기가 무척 까다롭고 원재료(웨이퍼) 값이 비쌈. 직접 만들다 하더라도 원가절감을 위해서는 어떻게든 SiC이 적게 들어가도 열을 더 잘 식히게 패키징 하거나, 열에 잘 견디는 다른 소재(GaN(질화갈륨)등)로 전력반도체를 만들거나 해야하는데 그게 쉽지 않음.

결국 비싼 전력반도체 비중을 줄이는 방법뿐인데, 그러려면 전력반도체가 들어가는 모터(엑추에이터)의 수를 줄이거나, 모터의 힘이 적어도 효율적으로 움직이는 관절구조의 설계가 필요한 것이다.

바로 여기서 특허받은 무릎 관절 설계가 전력반도체 사용량을 75% 줄일 수 있는 방법과 연결이 된다.
무릎 특허의 핵심은 4절 링크 구조를 통해 토크(회전력)를 기하학적으로 증폭시키는 것이다. 모터가 큰 힘(토크)을 내려면 더 많은 전류가 흘러야하고, 전력반도체가 바로 이 전류를 껐다켰다하면서 조절하는데, 흐르는 전류가 많을수록 반도체는 더크고 더 비싸고, 열에 강한 소재(Sic)등을 써야했음. 그런데 이 링크 구조가 지렛대 원리로 힘을 2배 증폭해 준다면, 모터는 절반의 전류만 써도 똑같은 무게를 들 수 있고, 전류가 줄어드니, 비싼 전력반도체를 많이 쓸 필요가 없어지는 것.

그리고 전력반도체 사용량을 줄이겠다는 것은 단순히 개수를 줄이는 게 아니라, 열 발생 자체를 억제하는 효과도 있음. 전류가 흐를 때 발생하는 열은 전류의 제곱에 비례하는데, 전류가 조금만 줄어도 열은 획기적으로 줄어듦. 열이 적게 나면 값비싼 SiC 반도체 대신 더 저렴한 반도체를 쓰거나, 칩의 크기를 줄일 수 있고, 칩을 식히기 위한 거대한 방열판이나 냉각 팬을 뺄 수 있어 로봇의 무게가 더 가벼워짐. 로봇이 가벼워지면 움직이는 데 전기가 더 적게 들고, 이는 다시 전력반도체의 부담을 낮추는 '효율의 선순환'으로 이어짐.
(SiC을 줄이는건 자동차에서는 '원가 절감'이 주 목적이지만, 특히 로봇에서는 '열 관리'가 곧 '배터리 지속 시간'과 직결되기 때문에, 전력반도체에서 열이 덜 나면 냉각 장치가 빠지고, 그만큼 배터리를 더 오래 쓸 수 있어 로봇의 활동 반경이 넓어짐)

즉, 테슬라가 무릎 특허로 '기하학적 이득'을 얻어 모터 힘을 아꼈다는 건, 결국 전력반도체가 견뎌야 할 부담을 줄여줬다는 뜻이기도 함. 덕분에 낮은 스펙의 저렴한 전력반도체로도 로봇이 무리없이 움직일 수 있게 됨. 테슬라가 직접 팹을 지어 칩을 찍어내려는 이유도, 이렇게 ‘스펙을 낮춘(하지만 최적화된) 저렴한 칩'은 외부 업체에서 사 오기보다 직접 대량 생산하는 게 훨씬 이득이기 때문. 온세미에게는 "우리가 기계 설계를 너무 잘해서 너희의 비싼 고사양 칩이 예전만큼 많이 필요없고, 우리에게 필요한 저사양칩은 우리도 충분히 싸게 잘 만들 수 있어.“라고 말할 수 있게 되는 것.

요약하면,
‘무릎 구조 최적화(설계혁신)
→ 필요한 전기 감소
→ 전력반도체 사양 하향
→ 자체 칩 생산(생산혁신)
→ 혁신적인 원가 절감
및 외부 반도체 기업에 대한 의존도를 0으로 수렴(독립성)’
이라는 독한 수직계열화가 완성되는 것.

이렇게 테라팹에서 직접 찍어낸 저렴한 칩을 옵티머스 관절마다 박아 넣는 것이 머스크가 그리는 '2만 달러 로봇' 생산의 기본 발판이 될 것이다. 제미나이 말로는 테슬라의 팹 건설은 '가장 싼 값에 로봇을 무한 복제하기 위한 최후의 퍼즐'인 셈이라고... 얼마전 퍼즐 한 조각을 또 맞춰가기 위해 인텔과 파트너십도 맺었다.
https://news.einfomax.co.kr/news/articleView.html?idxno=4408244

또한 테슬라는 완벽한 수직계열화를 위해 이 특허를 미국 뿐아니라 중국에도 제출했다. 엑추에이터의 설계 도용을 막기 위해서도 있지만 가장 무서운 경쟁자는 중국에 다 있기 때문.(로봇 특허의 60%이상이 중국) 테슬라의 자체 칩생산이 얼마나 고마진으로 옵티머스를 생산해내게 할지도 관전포인트이고, 테라팹이 향후 반도체 시장의 판도를 어떻게 바꿀지도 지켜볼 포인트다.

이번 로봇, 반도체 편도 기본 지식이 부족해서 공부해가면서 이해하느라 정리가 오래걸렸지만, 머스크의 1원칙적 사고방식은 좀 이해한 듯하다. 그동안 전력반도체시장은 고전압을 잘 견디는 소재 경쟁에 치우쳐 있었는데, 애초에 고전압이 필요없는 무릎구조를 만들었으니... 이러한 사고방식이 초격차를 만들어내는 것같다.
누가 그러던데 그래도 머스크의 첫사랑은 스페이스X라고..
테슬라도 파보니 사랑하지 않지는 않는거 같은데..