자동차 전자제품 설계에서 유연성 증대하기 - Technology

자동차 및 컨수머 시장 모두에서 폭넓게 사용되고 있는 마이크로컨트롤러의 주요 장점은 상대적으로 낮은 가격에서 높은 수준의 시스템 통합을 가능하게 한다는 점이다. 그러나, 이러한 제품들과 관련해 숨겨진 비용이 존재한다.

글│알테라 코리아

도입

자동차 및 컨수머 시장 모두에서 폭넓게 사용되고 있는 마이크로컨트롤러의 주요 장점은 상대적으로 낮은 가격에서 높은 수준의 시스템 통합을 가능하게 한다는 점이다. 그러나, 이러한 제품들과 관련해 숨겨진 비용이 존재한다. 예를 들어, 부품들이 적절하게 혼합된 기능들을 실현하지 못할 경우, 이 부품은 외부 로직, 소프트웨어, 기타 고집적 디바이스를 이용해 성능을 증대시켜야 된다. 게다가 급변하는 최종 시장의 요구조건으로, 마이크로컨트롤러를 신속하게 이용할 수 없는 상황도 종종 발생한다. 수많은 마이크로컨트롤러들이 특정화된 기능과 정해진 수의 전용 인터페이스를 탑재하고 있으나 짧은 평가 기간을 거치고 나면 시장의 요구조건을 만족시키지 못하는 경우도 있다. 그 결과 시스템 공급업체들은 자신들의 하드웨어와 소프트웨어를 재설계해야만 하며, 심지어 프로세서 코어를 변경시켜야 하는 경우도 발생한다.

ASSP 기반형 마이크로컨트롤러의 딜레마

기존 마이크로컨트롤러 제조업체들은 전체 시장에 영향을 미치는 딜레마에 직면했다. 마이크로컨트롤러는 애플리케이션에 특화된 제품이다. 따라서 서로 다른 기능 셋트를 갖춘 새로운 마이크로컨트롤러는 각 애플리케이션에서 필수적이다. 하나의 마이크로컨트롤러 코어 아키텍처를 더욱 광범위한 시장에 공급하기 위해, 제조업체들은 인터페이스와 기능을 혼합시킨 다양한 마이크로컨트롤러 제품군을 제공한다. 그러나, 수많은 사례에서 이 같은 기능 혼합은 특정 고객의 요구조건을 정확하게 충족시키지 못한다. 따라서 대다수의 고객에게 기회를 제공하기 위해 새로운 셋트의 인터페이스와 기능 변형이 특정 코어 아키텍처를 중심으로 개발될 필요가 있다.

마이크로컨트롤러가 상대적으로 낮은 제조 비용으로 구식 기술로 구현되었을 때, 이 전략은 매우 성공적이었다. 안타깝게도, 더 높은 수준의 시스템 통합을 위해 점점 많이 사용되고 있는 오늘날의 최첨단 공정 기술로 인해, 새로운 마이크로컨트롤러의 변형 제품을 개발하는 것은 비용적인 측면을 신중히 고려해야 하는 것을 의미한다. 불과 소수의 고객만이 대량 기회를 이용하기 때문에, 이것은 단일 고객의 요구조건을 위해 이 같은 특별화된 디바이스를 생산하는 것이 경영상의 관점에서 더 이상 합리적이지 않다는 것을 의미한다. 그 결과, 새로운 마이크로컨트롤러의 변형 제품들은 애플리케이션 특정 제품보다 표준 특정 제품으로 이동하고 있기 때문에 전체 시장을 유인하기 위해 점점 더 많은 기능들을 탑재하고 있다. 이러한 추가적인 기능들이 마이크로컨트롤러를 매우 강력하게 만들지만, 한편으론 이런 요소들이 제품 비용을 급격히 상승시키는 원인이 되기도 한다. 따라서, 자동차 및 컨수머 산업처럼 비용에 민감한 시장을 공략하는 것이 점점 더 어려워진다. 반도체에서 기능을 고정으로 구현시키는 문제의 근본 원인을 변화시키지 않고서 이 딜레마를 풀 해결책은 없다.

유연한 마이크로컨트롤러 솔루션

이 딜레마에 대한 가능한 한 가지 솔루션은 FPGA 제품으로 이용 가능한 반도체에서 유연한 기능을 구현하는 것이다. 이러한 디바이스들은 마이크로컨트롤러에 대한 강력하고 실용적인 대안을 제시한다. 왜냐하면 이 디바이스들은 기술적인 개발 시간과 여러 번의 반도체 반복 작업에 따른 비용을 상당히 감소시켜 주기 때문이다. 필수적인 기능을 놓칠 수 있는 마이크로컨트롤러와 달리, FPGA는 설계 공정 동안 필요에 따라 프로그램 될 수 있고 재프로그램 될 수 있어, 더욱 신속한 프로토타입과 신속한 시장 출시를 가능하게 한다. FPGA 제품들은 요구조건이 변경될 경우 필드에서 업그레이드가 가능하며 심지어 이 FPGA 소자들이 제품 내에 배치된 다음에도 업그레이드를 할 수 있다.

그래픽 컨트롤러 애플리케이션은 FPGA 제품들이 자동차 시스템의 기존 컨트롤러에서 일반적으로 선호되는 사례이다. 그래픽과 같은 분리된 기능을 위해 저가형 FPGA 제품들은 자동차 시장에서 수용되고 있으나 반면에, 더욱 복잡한 기능들을 프로그램 가능한 디바이스에서 사용하기에 너무 고가이다. 그 이유는 프로그램 성능을 위해 요구되는 엄청난 반도체 비용 때문이다.

그러나, 유연한 마이크로컨트롤러는 비용 효율적이며 고객 욕구를 정확하게 충족시켜 준다. 알테라의 HardCopy£ 디바이스를 사용할 경우, 유연한 마이크로컨트롤러는 비용 효율적인 특성을 갖춘다. HardCopy 디바이스는 90nm 스트럭처드 ASIC의 기본적인 반도체로써, 고객들의 욕구에 맞춰 설정될 수 있다. 왜냐하면 기능들이 사전 정의되고 확장성이 높은 빌딩 블록의 대규모 라이브러리에서 선택되기 때문이다. HardCopy 스트럭처드 ASIC은 프로토타입형 FPGA에서 마이크로컨트롤러까지 완벽한 마이그레이션 경로를 갖추고 있어 개발 공정에서 기존의 마이크로컨트롤러와 다르다. CPU와 버스 아키텍처 모두는 유연한 마이크로컨트롤러 솔루션에서 유일한 특징이며 특정 고객 애플리케이션을 위해 요구되는 정확한 기능과 특징들을 갖춘 설계로 만들 수 있다. HardCopy 시리즈는 다음과 같은 장점이 있다:

반도체

- FPGA 보다 50% 더 빠르다

- FPGA 보다 최대 70% 더 낮은 코어 전력

- 60 ~ 85 %가 더 작은 다이

소프트웨어

- 통합형의 FPGA 및 HardCopy 설계 환경

- 전력 및 성능 관리 툴

- 저렴하고 사용하기 쉬움

패키징

- FPGA와 핀 대 핀 호환 가능

- 저가형 제품 패키징

- PCB 리스핀이 없다

RISC CPU

이 솔루션에서 사용되는 CPU인 Altera£ Nios£ II 임베디드 프로세서는 사전에 특화된 반도체의 변경할 수 없는 부분에서 존재하지 않는다. 대신, Nios II 프로세서는 이용 가능한 툴을 사용해 시스템 설계자가 정의한 스펙에 따라 자동으로 생성하며, 전체 회로를 위해 필요한 나머지 로직으로 FPGA에 로드된다. 따라서, 이 프로세서 코어는 특정 애플리케이션의 요구조건에 따라 파라미터화 되며(알테라의 SOPC 빌러 툴 사용) 정확한 기능과 이에 상응하는 로직을 사용해 구현될 수 있다. Nios II 프로세서는 각각 32비트 와이드인 별도의 어드레스 버스와 데이터 버스를 갖춘 표준 RISC 아키텍처를 기반으로 한다. 두 개의 버스 모두 별도의 캐쉬를 통해 동작하며 버스 시스템에서 개별적으로 지속될 수 있다. 궁극적으로 시스템 설계자는 코드 및 데이터를 위해 개별적인 메모리를 사용할 것인지 아니면 공유 메모리를 유지할 것인지를 결정한다.

각 프로세서가 포함하고 있은 수많은 기능 장치들은 Nios II 프로세서에 존재하나, 이에 대한 설정이 각 특성을 결정한다. 예를 들어, 하드웨어 멀티플라이어, 배럴 시프터, 하드웨어 디바이더는 옵션으로 선택될 수 있다. 크기가 변동될 수 있거나 완전히 배제될 수 있는 명령 및 데이터 캐쉬의 경우가 동일하게 적용된다.

버스 아키텍처

전통적으로, 단독 버스는 마이크로컨트롤러에서 사용되었다. 마이크로컨트롤러에서 아비터(arbiter)는 분배되는 리소스로써 버스를 모니터 한다. 이 과정은 심각한 장애를 발생시킨다. 그 이유는 시스템을 위한 주요 리소스인 버스가 빠르게 병목현상에 빠지기 때문이다. 그 결과, 멀티레이어 버스가 더욱 새로운 시스템에서 사용되며, 특히 여러 개의 버스가 동시에 작동하는 SoC 구현을 위해 사용된다. 알테라의 Avalon£ 버스 구조는 유사한 원리로 동작한다. 반면, 차이점은 수많은 레어가 다른 멀티레이어 버스에서 고정되어 있다는 점이다. Avalon 기법은 필수적인 수많은 레이어를 자유롭게 선택하는 것을 가능하게 한다.

EMC와 소비전력 문제를 고려할 때, 때론 다른 속도에서 주변기기 모듈을 구동한 다음 전체 시스템의 나머지를 구동하는 것이 합리적이다. 이 과정은 이에 상응하는 로우 레벨에서 접근 시간을 유지하기 위해 고속으로 메모리 인터페이스를 구동하면서 더 느린 클록에서 시스템의 나머지를 구동할 때 효과적이다. 또 다른 시나리오는 상대적으로 느린 클록 속도가 완전히 충족되는 수많은 모듈을 통합하는 것이다. EMC나 소비전력 요구 조건을 만족시키기 위해, 상당히 높은 속도에서 작동하는 시스템의 일부에서 이러한 요소들을 디커플링하는 작업은 SOPC 빌더를 사용해서 쉽게 완성할 수 있다. 설계자가 클록 속도 영역에서 작동하는 모듈을 규정해야만 하기 때문에 SOPC 빌더는 다른 클록 속도의 영역을 동기화시키기 위해 필수적인 로직을 자동으로 생성한다.

FPGA에서 마이크로컨트롤러 구현하기

시스템의 복잡도가 순수 그래픽 컨트롤러 보다 더욱 높기 때문에, FPGA는 대부분의 경우 프로토타입 수단으로 사용될 것이다. FPGA를 이용한 프로토타입은 광범위한 검증, 펌웨어 개발 및 필드 테스트에 적합한 기회를 제공하기 때문에 개발 위험을 급격히 최소화 시킨다.

프로토타입을 위해 FPGA를 사용하는 것은 엔지니어가 실제 상황에서 구동시킬 수 있는 디바이스 인-시스템을 처리할 수 있다는 것을 의미한다. 이 작업은 엔지니어가 시뮬레이션 기간 동안 검출되지 않을 수 있는 잠재적인 설계 결점을 확인할 수 있게 한다.

소프트웨어 개발은 전체 개발 주기에서 더욱 비중이 커지고 있다. 소프트웨어 개발을 위해 필요한 시간과 리소스가 확장됨에 따라, 이용 가능한 프로토타입 시스템의 보유는 전체 개발 주기를 단축시킬 수 있다. 또한 버그, 호환 가능성 문제와 소프트웨어로 적절히 해결되지 않거나 구현될 수 없는 상관관계를 지원하는 새로운 하드웨어 기능의 필요성을 알 수 있다.

필드 테스트를 위해 이용 가능한 시스템을 갖추는 것은 랩에서 발견하지 못하는 시스템 오류나 디바이스 오류를 발견하는데 도움이 된다. 수 많은 사례에서, 데모 시스템의 보유는 판매사원이 고객의 사전 주문을 위해 확보해야 하는 필수적인 요건이다. 새로운 기능들과 이에 대한 상관관계들도 최초 사양의 일부가 아니라는 점에서 필요할 수 있다.

사전에 발견된 오류를 위해서 또는 새로운 기능 추가를 위해서든지 간에, FPGA를 이용한 프로토타입은 비반복적인 대규모 기술 비용을 들이지 않으면서 또한 장시간의 제조 주기를 소요할 필요 없이 신속하게 수정할 수 있다.

유연한 마이크로컨트롤러 솔루션에서 최종 요소는 ASIC 개발이다. 일단 프로토타입 시스템이 구축되어 테스트되면, 설계는 알테라로 넘겨지고 HardCopy 스트럭처드 ASIC으로 이동된다. 다른 스트럭처드 ASIC과 달리, 설계를 재합성하거나 추가적인 검증 싸이클을 시행할 필요가 없다. 왜냐하면 HardCopy 디바이스가 FPGA 대응 제품으로 동일한 빌딩 블록을 사용하기 때문이다. HardCopy 디바이스를 사용함으로써 얻게 되는 빠른 소요시간은 설계자들이 FPGA 로직을 신속하게 승인할 수 있게 해 저가형 변환을 가능하게 한다.

결론

차세대 자동차 전자 시스템은 시장 요구를 충족하기 위해 고도로 전문화되고 비용에 최적화된 디바이스를 필요로 한다. 최첨단 공정 기술을 위한 개발 비용의 급격한 증가를 고려하면, 기존의 마이크로컨트롤러를 전문화하는 것은 더 이상 사업적인 측면에서 합리적이지 못하다. 이러한 마이크로컨트롤러가 때론 너무 비싸기 때문에 기능이 풍부한 디바이스가 광범위한 기반의 시장을 겨냥하지 못한다. 따라서, 유연한 마이크로컨트롤러 솔루션은 프로토타입용으로 FPGA에서 구현함으로써 특정 애플리케이션을 위한 정확한 마이크로컨트롤러를 개발할 수 있는 방법을 제공한다. 검증, 소프트웨어 개발, 필드 테스트는 설계가 끝난 후에 실행될 수 있으며 심지어 동시에 진행될 수 있다. 대량 생산을 위해, FPGA 설계는 재합성이나 추가적인 검증을 할 필요 없이 HardCopy 스트럭처드 ASIC으로 즉시 이행된다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 01월호>