반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 크리스토프 웰슐리(Christophe Waelchli), 온세미 제품 매니저

디지털 보청기의 진화과정은 가전제품 산업이 지난 몇 년간 어떻게 발전해왔는지를 보여주는 좋은 예이다. 많은 측면에서 보청기는 복합기능 내장형 제품의 완벽한 예이다. 보청기는 작은 크기, 초 저전력 소비, 고성능 및 새로운 기능과 더 나은 오디오 품질 구현을 통한 지속적 개선을 통해 광범위한 시장의 요구사항을 반영해 왔다.

반도체 기술은 무어의 법칙과 같이 예측 가능한 주기로 집적도를 높이며 모든 제품군을 지원해왔다. 더 높은 수준의 반도체 집적도를 통해 더 작은 크기에 더 많은 기능이 집적된 최종제품이 가능하도록 하였다. 귀 안쪽에 맞도록 고안되거나, 눈에 띄지 않게 귀 뒤에 배치되는 보청기는 이에 대한 좋은 예시이다.

보청기에서 첫번째로 개선되었던 것은 비선형 증폭기능으로, 이것은 다양한 소리들이 목적에 맞게 증폭되도록 하는 기능이다. 디지털신호 처리장치 (DSP)의 출현으로 보청기는 향상된 정밀도와 다양한 주파수에 선택적 증폭을 적용할 수 있는 제어기능을 통해 새롭게 발전됐다.

BLE로 대표되는 근거리 무선 개인통신망 (WPAN)의 도입으로 3세대 보청기 기술이 등장했다. 연결된 보청기는 전화 앱으로 제어할 수 있으며, 전화를 받고 음악을 듣는 것이 가능하다. 여기에 더해 업계는 기능을 더 확장하기 위해 인공지능(AI)과 머신러닝 기술을 적극 수용하고 있다. 이는 4세대 제품으로 간주될 수 있으며, 보청기에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 보인다.

또한, 사람의 귀는 모든 종류의 센서를 배치하기에 특히 좋은 위치다. 오늘날의 보청기에는 심박수 모니터링, 혈액 산소포화도 측정, 포도당 측정, 노인을 위한 낙상 감지 등의 유용한 센서가 포함되어 있다. 이러한 센서는 걸음 수 측정 및 심박수 모니터링의 기능을 갖는 가전제품이 정상적으로 동작되도록 사용되기도 한다.

스마트폰과 블루투스 연결이 시장을 재정의한 방법

비선형 증폭기술 및 DSP 기술이 보청기의 성능과 사용자 경험에 직접적인 영향을 미쳤으며, 무선 연결 또한 더욱 더 중요하게 되었다. 이러한 연결을 모든 장치에 추가하면 사물인터넷 (IoT) 시대가 열리게 되는 것이며 이는 더 이상 고립된 애플리케이션이 아니라 더 큰 생태계의 일부로서 연결되는 것이다.

그림 1: 보청기에 연결할 수 있는 블루투스 무선기술

보청기의 경우 블루투스 무선기술을 적용함으로써 스마트폰에 직접 연결할 수 있게 되었다. 이는 단순한 확장처럼 보일 수 있지만, 실제로는 큰 진전이다. 무선기술 적용 전에는 보청기 착용자가 작은 제어버튼을 누르기 위해서는 귀 뒤로 손을 뻗어야 했는데, 이는 기존에 보청기를 착용했던 손재주가 부족한 노인들에게는 특히 어려운 일이었다.

무선연결은 사용자가 보청기를 제어하고 설정을 수정할 수 있는 방법을 제공하지만, 실제로는 볼륨을 높이거나 낮추는 것 그 이상의 편의를 제공한다. 스마트폰 애플리케이션에 연결되면 보청기는 다기능 주변기기처럼 사용자에게 직접적이고 매우 편리한 기능을 제공할 수 있다. 보청기는 하나의 스피커와 하나 혹은 여러 개의 마이크를 포함하고 있다. 블루투스와 연결이 되면 보청기는 사용자 및 넓은 인터넷 세상과 동시에 통신할 수 있다. 사용자는 인터넷이 제공하는 모든 것에 효과적으로 직접 액세스할 수 있다. “OK구글” 또는 “알렉사”와 같은 단어를 인식할 수 있게 하는 엣지 AI 알고리즘은 사용자에게 지금의 스마트폰 스피커를 사용할 때와 유사한 경험을 제공한다.

엣지 AI 알고리즘과 함께 ‘편안한 알고리즘’이라고 불리는 알고리즘들은 보청기의 청취환경을 개선하는 데 상당한 영향을 주었다. 주변환경에 잘 맞출 수 있도록 주변 환경 조건을 규정하고 배경 소리를 걸러내는 소음 감소와 같은 것들이 예가 될 수 있다.

애플리케이션과 연결되면 이러한 기능들은 사용자가 직접 설정하거나 수정을 해야 한다. 그러나 AI와 머신러닝 알고리즘을 통하면 사용자가 직접 작업할 필요가 없게 되며, 사용조건이나 사용자 개인취향에 자동으로 맞춰질 수 있게 된다. 강화학습(reinforced learning)을 통해 시간이 지남에 따라 성능은 향상될 것이다. 또한 스마트폰 애플리케이션을 통해 다른 사용자와 데이터를 안전하게 공유할 수 있도록 함으로써, 보청기가 AI를 통해 학습한 만큼 향상된 기능을 모든 사용자가 누릴 수 있게 된다.

새로운 웨어러블, 히어러블

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이러한 모든 기능을 통합함으로써 제조업체는 보청기가 잘 동작하고 사용자가 보청기의 성능을 잘 경험하도록 하는데 큰 발전을 만들어왔다. 이것은 보청기 업체가 난청이나 청각장애가 있는 사람들을 돕는데 집중해 오면서도 웨어러블 기술을 적용하는 일반적인 추세를 반영하고 있다. 그래서 낙상 감지 및 체온 모니터링과 같은 고급 기능을 통합한 제품들이 이미 시장에 출시돼 있으며, 가까운 시일 내에 더 많은 제품들을 볼 수 있을 것으로 예상된다.

보청기는 또한 스마트폰 애플리케이션과 인터넷에 의해 대부분 기능이 제어되도록 고급 기능을 구현하게 될 것이다. 예컨대 실시간 언어 통역 및 자막화는 이미 한 보청기 제조업체에서 제공하는 기능이다. 노이즈 캔슬링과 같은 편리한 기능들도 소비자들에게 인기를 얻고 있다. 이러한 추세가 계속됨에 따라 음악을 듣고 전화를 걸 때 일반적으로 사용되는 이어폰과 보청기 사이에 기능 융합이 있을 것으로 예상된다.

일부 보청기 제조업체는 음성 제어 디지털 서비스로의 끊김 없는 인터페이스를 지원하고 있다. 이러한 경향은 예상하지 못했던 장점을 제공할 수 있다. 보청기 착용에서 오는 편리함은 더 많은 사람들이 보청기를 사용하도록 장려할 수 있으며, 이는 궁극적으로 청각 기능에 대한 외부 지원이 필요하지만 이에 대해 알지 못하는 사람들에게 큰 도움이 된다.

활성화 기술

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보청기에 적용된 혁신은 뛰어난 오디오 품질과 함께 더 우수한 성능을 제공하는 디지털신호처리 (DSP) 아키텍처의 개발로 인해 가능하게 된다. 이러한 디지털신호처리 장치의 발전은 반도체 공정 기술 발전의 의해 실현되고, 이는 보청기의 다음 단계 혁신을 구현하는데 필요한 작고 고도로 통합된 솔루션을 위한 플랫폼을 제공한다.

하나의 예로써 온세미의 DSP 기반 오디오 프로세서 솔루션인 EZAIRO 제품군의 최신 장치가 있다. 보청기와 히어러블 제품을 대상으로 하는 EZAIRO 8300 제품은 각 응용분야 성능에 최적화된 6개의 코어를 갖추고 있다. 6개의 코어는 3개의 DSP 코어, 마이크로 컨트롤러, 2개의 하드웨어 가속기가 포함되며, 그 중 하나는 추가 프로세서 없이 에너지 효율적인 방식으로 AI 및 머신러닝을 실행하도록 설계된 신경망 가속기이다.

그림 1에서 볼 수 있듯이, EZAIRO 8300 아키텍처에는 주변 부품회로 및 인터페이스가 내장되어 있으며 다양하게 구성이 가능한 입력 및 출력 회로가 포함돼 있다.

그림 2. 온세미 보청기 및 히어러블용 Ezairo 8300 오디오 프로세서

EZAIRO 8300이 제공하는 기능은 의학적으로 처방되거나 처방전 없이 구입할 수 있는 무선 지원 보청기를 포함하여 다양한 첨단 제품과 새로운 제품을 사용할 수 있도록 개발됐다. EZAIRO 8300에 포함된 고기능 ADC 및 DAC를 통해 하이파이 (HiFi) 오디오를 처리할 수 있으며, 이는 편의성과 함께 소비자 요구사항이 반영된 차세대 히어러블 및 웨어러블 기술을 구현하는 데 중요한 역할을 한다. 일반적인 헤드폰과 헤드셋도 여기에 포함된다.

결론

무선 연결 기능과 AI 또는 머신러닝 알고리즘의 통합, 그리고 디지털 신호 처리 성능의 발전은 히어러블 및 웨어러블 기술이 구현 가능하도록 했다. 해당 기술의 성공을 위해 사용의 편이성과 길어진 배터리 수명시간은 EZAIRO 8300을 통해 완벽하게 구현 가능하다. 이는 초 저전력 소비와 전례 없는 기능을 통합해 제공하며, 최첨단 22nm 공정 기술을 기반으로 구축됐다. 이로 인해 새로운 트렌드의 선두에 서게 되었으며, 온세미는 EZAIRO 제품 포트폴리오 확장을 통해 이를 가속화할 계획이다.