통합 프로세서는 미래를 실현하는데 필수 요소이다. 한 가지 분명한 것은 신중하게 만들어진 혼합 신호 디바이스 수요는 계속해서 늘어날 것이고, 이와 함께 그것을 보완할 전력 효율성이 뛰어난, 우수한 프로세싱 코어의 필요성도 늘어날 것이라는 점이다.
글/리처드 요크(Richard York), 임베디드 및 마이크로컨트롤러 CPU 제품 마케팅 디렉터 ARM
아날로그와 디지털 기술 분야를 하나의 다이(die)에 구현하는 혼합 신호 실리콘 설계는 결코 쉬운 작업이 아니다. 과거에는 아날로그 팀과 디지털 팀이 각자 설계작업을 독립적으로 추진하고, 모든 것을 단일 칩으로 통합하는 작업은 플레이스 & 라우트(place and route) 팀에게 맡겼다. 신중하게 고려된 주변장치를 갖춘 마이크로컨트롤러 설계는 라우팅되면서 설계 완성에 필요한 오실레이터(oscillator: 발진기), ADC 및 트랜시버 크기의 아날로그 자리를 남기게 된다. 설계의 진정한 첫 번째 테스트는 랩 테스트 벤치 상에서 첫 번째 실리콘으로 이루어 지는데, 이는 대량 생산을 늘리기 전에 결국에는 하나 또는 그 이상의 메탈 픽스(metal fix)를 야기하는 잠재적 위험이 있는 공정이다. 다행스럽게도, EDA 설계 툴이 발전되고 통합적인 혼합 신호 분석 역량이 발전하면서 디지털 주변장치를 아날로그 블록과 통합할 때 잠재적 문제가 발견될 가능성이 현저히 높아졌다. 이에 따라 위험과 오류로인한 잠재적 비용이 상당히 절감되어 수직 시장 니즈에 맞춘 주변장치와 기능을 갖춘 실리콘 디바이스의 개발이 훨씬 매력적이게 되었다.
고도의 통합을 주도하는 다른 요인
고도의 통합 수준을 주도하는 다른 요인은 바로 애플리케이션과 가전제품이 더 높은 에너지 효율성을 추구하기 때문이다. EU내에서는 에너지 라벨링에 관한 92/75/EC 지침(92/75/EC Directive on Energy Labeling)으로 소비자들의 에너지 소비 인식이 제고되었고, 다양한 가전 제품, 에어컨, 조명 및 자동차의 에너지 니즈를 이해하기 쉽게 비교해준다. 미국도 자국 내 유통 제품에 대해 에너지스타(Energy Star) 표준에 따라 비슷한 프로그램을 운영하고 있다. 컴퓨터 전원 공급장치도 80 플러스표준에 맞춰 자발적으로 인증을 받았으며, 일부는 가장 까다로운 최고 인증 기준인 티타늄(Titanium)은 물론 역률 성능 0.9이상으로 인증을 받았다. 이렇게 에너지 사용에 초점을 맞추면서, 백색 가전 제조업체들은 제품에 들어가는 마이크로컨트롤러 제품을 신중하게 고려하게 되었다. A+++ 에너지 라벨링 등급을 확보하기 위해 주 전원형 냉장고 설계에 저전력 수면 모드와 반 지능형, 자율 주변장치 모듈을 갖춘 마이크로컨트롤러가 필요하게 될 것이라고 누가 생각이나 했겠는가?
이는 100% 아날로그나 혼합 신호 디바이스를 사용하고, 때로는 외부 프로세서도 사용하기도 하는 전통적인 회로 설계 방법이 에너지 효율성 문제를 다루는데 있어 더 이상 최상의 방법이 아니라는 의미이다. 설계에서 비롯된 추가 에너지 손실을 낮추기 위해서는 프로세서를 반 지능형 및/또는 반 자율 주변장치 모듈을 갖춘 시스템에 통합해야만, 해당 애플리케이션에 적용할 수 있는 최상의 측정 정보를 바탕으로 적절한 제어 방식을 선택할 수 있다. 32 비트 ARM Cortex-M0 프로세서는 이러한 시스템에 필요한 프로세싱 지능을 제공하는데 매우 적합하다. 12,000 로직 게이트(logic-gates)에서 필요한 다이(die) 면적은 면적 집약적인 인접 아날로그 블록과 비교했을 때 무시할만한 수준이다(그림 1). 따라서 이 지능 면적을 추가하는 비용은 거의 들지 않으면서도 최종 사용자에게는 엄청난 가치를 제공하여 최종 사용자가 강력한 가치제안(value proposition)으로 제품을 개발 할 수 있게 해준다. 프로세서의 전력 소비가 16μW/MHz(90LP process)에 불과하며, 단일사이클 32x32 멀티플라이 옵션을 갖춘 Cortex-M0 코어는 소비 전력 대비 매우 우수한 시스템 레벨 전력 효율을 구현하기 적절하다.
ADSP-CM40X 디바이스 제품군
아날로그 디바이스(Analog Device)의 ADSPCM40X 디바이스 제품군은 프로세싱 코어와 반 자율 주변장치를 현명하게 통합한다(그림 2). 예를 들어, 이 혼합 신호 제어 프로세서에는 PMSM 모터 제어 목적으로 14비트 정확도의 듀얼 16비트 A/D 컨버터가 적용되었다. 이러한 특징은 모터로 들어가는 전류를 정확하게 측정하는데 훌륭한 출발점을 제공한다. 그러나, 정확한 측정만으로는 충분하지 않다. 제어 대상 모터의 상태를 정확하게 파악하기 위해서는 측정하는 순간 역시 중요하다. 우선, 듀얼 A/D 컨버터는 2번의 측정이 동시에 일어나도록 함으로써 제어 루프(control loop) 정확도와 성능을 개선한다. 게다가, A/D가 PWM 모듈과 동기화되어서 샘플링이 제로 벡터(zero vector)의 중간점에서 발생하기 때문에 스위칭 리플(switching ripple)을 효과적으로 제어하는 즉각적인 평균 전류를 제공하게 된다. 그런 다음, 부동소수점 처리기능을 갖춘 온-칩(on-chip) Cortex-M4 프로세서는 이러한 정확한 정보를 이용해서 복잡한 제어 알고리즘을 실행, 뛰어난 전력 효율성으로 모터를 제어한다.
또 다른 좋은 예는 인피니언(Infineon)의 MCU XMC4000 시리즈이다(그림 3). 솔라 인버터, SMPS, UPS 및 모터 제어 애플리케이션 등을 타겟으로 하는 이디바이스는 CAPCOM 캡처 비교 장치, 12-비트 ADC, 델타 시그마 복조기(Delta Sigma Demodulator) 그리고 PWM 모듈을 갖추고 있다. 따로 있을 경우, 이 모듈들은 어떤 특별한 의미를 갖지 않지만, 통합‘커넥션 메트릭스(connection matrix)’와 결합되면, 반 자율적으로 많은 제어 및 측정 작업을 수행하여, ARM Cortex-M4 코어에 CMSIS DSP 라이브러리가 지원하는 DSP확장을 제공해주고, 전력 효율성의 솔루션을 구현할 수 있는 정보와 기회를 제공한다. 그리고, ARM Cortex-M0 프로세서의 라이센스를 신규 확보한 다이얼로그 세미컨덕터(Dialog Semiconductor)는 통합 프로세싱 파워로 PMIC 및 배터리 관리 디바이스 범위를 추가 확장 할 계획이다.
요약
관심이 늘어나고, 관련 기술이 개발되면서, 사물 인터넷(IoT, Internet of Things)이 점점 현실화되고 에너지 효율성 개선 기회가 더욱 많아지고 있다. 한편으로 IoT는 소비자들
이 가전제품 에너지 소비에 더욱 신경을 쓰고, 스마트폰 및 태블릿 애플리케이션으로 에너지소비 정보를 공유하게 만들어 준다. 또한, 가전 제품, 전원 공급장치 및 모터 제어 시스템이 서로 통신 할 수 있는 기능을 갖추게 되어 장치(unit) 레벨의 전력 절감뿐만 아니라 많은 장치로 이루어진 설치 시스템에서 집단적으로 전력을 절약할 수 있는 가능성도 제시되고 있다. 통합 프로세서는 이러한 미래를 실현하는데 필수 요소이다. 한 가지 분명한 것은 신중하게 만들어진 혼합 신호 디바이스 수요는 계속해서 늘어날 것이고, 이와 함께 그것을 보완할 전력 효율성이 뛰어난, 우수한 프로세싱 코어의 필요성도 늘어날 것이라는 점이다.
<반도체네트워크 8월>