군사용 SWaP 제조 애플리케이션 설계 - Technology

FPGA는 감소된 비용으로 더욱 우수한 유연성과 기능성을 지속적으로 제공하고 있다. 알테라의 최신형 FPGA 제품들은 소형 풋프린트, 경량, 소형 배터리의 특징을 갖춘 새로운 SDR 시스템을 실현함으로써 SWaP 요구조건을 만족시키는 최적의 솔루션을 제공한다. 확신에 찬 설계를 비롯해 효율적인 SWaP 기반 SDR 생산 구현을 위해, 알테라의 가장 최신 제품인 65nm FPGA를 검토해 보자.
자료제공│알테라 코리아

군사공동체(Military Community)는 네트워크를 중심으로 하는 성능을 둘러싸고 21C의 전쟁터로 변형되고 있다. 위성에서 군인에 이르기까지, SWaP(System size, Weight, and Power)간의 모든 요소는 중요하다. 유인(선박, 항공, 자동차)이든 또는 무인(미사일, 센서, 무인항공기(UAV) 및 무인지상차량(UGV)이든지 간에, 보안 무선 통신은 솔루션에서 중요한 역할을 담당한다. 여러 전쟁 시나리오를 포괄하고, 트리플-플레이(음성, 비디오, 데이터) 성능의 복잡도 및 멀티-메가비트 대역폭을 추가하려면, 보안 통신 기기용 설계 과제는 굉장히 어려워 진다. 공중 수송 및 해상 SDR(Software-Defined Radios)이 기능별 과제와 열 소비(쿨링) 과제를 가지고 있는 반면, SWaP 애플리케이션을 위한 가장 까다로운 조건은 HMS(Hand-held, Manpack, and Small form factor) 배터리 동작형 시스템에 존재한다.

SWaP 군사용 애플리케이션

그림 1은 감도(Sensitivity)가 가장 적은 것에서부터 가장 민감한 것에 이르기까지 즉 레이더 및 전자 전투에서부터 HMS 라디오에서 센서에 이르는 군사용 시스템 전반에 걸쳐 보안 통신의 SWaP 프로세싱 스펙트럼을 보여준다. 대부분의 레이더 및 전자 전투 시스템은 SWaP 결정형 이라기 보다 일반적으로 기능 결정형이며, 크기 및 전력을 위해 충분한 외피(Envelope)를 가지고 있다. UAV 및 UGV 내에서 무선 통신은 SWaP에 민감하면서, 대기 및 지상 모빌리티를 위해 요구되는 전체 전력 예산 중 작은 부분만 필요로 한다. 군수품과 미사일은 매우 공간 제약이 따르는 반면, 전력 감도는 활성화 이후 미사일의 짧은 수명으로 낮다. 그러나 HMS 배터리 구동식 무선 장치의 경우, SWaP의 벽은 더욱 엄격한 크기, 무게, 전력의 제한 때문에 점점 더 높아지고 있다.

핸드헬드 무선 장치를 설계하는 작업은 까다로운 작업이다. 군인들은 배터리가 아닌 더욱 많은 군용복과 방탄복을 가지고 움직여야 하기 때문에, SWaP 요소는 중요하다. 다양한 전쟁 시나리오에 걸쳐 배치에 대한 엄격한 동작 요구조건에 직면한, 무선 폼 팩터는 제한된 수의 부품을 사용해 최소한의 구현 크기를 요구한다. 그림 2에서 보듯이, 새로운 군사용 파형은 저전력 DSP 디바이스 이상의 유연성과 기능성을 요구한다.

SDR 설계는 고성능 파형(IF; Inter-mediate Frequency, 변조, Mbps에서 비트-레벨의 프로세싱), 트리플-플레이 패킷 프로세싱, 군사용 소프트웨어 통신 아키텍처(SCA) 미들웨어(하드웨어 독립을 위해)를 위한 프로그램 가능한 성능을 요구하며, 이 모든 성능들은 FPGA 리소스의 경계를 확장시킨다. 궁극적으로 SDR 전자제품의 소비전력은 미션 수명(Mission Life)에 반대로 영향을 미치거나 극한의 환경에서 시스템 열 소비 제한을 초월할 수 있다.

배터리 동작형 SDR을 위한 SWaP 설계 과제를 정리하면 다음과 같다:

엄격한 크기 및 무게 제한: 최소형 구현은 크기의 10in3 미만이다.

전력 소비가 미션 수명에 직접적인 영향을 미친다: 일반적인 군사용 배터리를 사용하면, 오늘날의 프로그램 가능한 전자제품은 4와트 이상을 소비하며, 전체 무선 시스템을 위해 6시간의 미션 수명만을 산출한다.

디지털 전자 프로세싱으로 조절되는 전력 예산: 파형 대역폭과 복잡도가 증가함에 따라, 디지털 프로세싱은 무선 내에서 더욱 다양한 기능과 전력을 흡수한다.

디지털 로직 구현 교환 효과(트레이드-오프): 디지털 프로세싱에 대한 선택은 CPU에서 ASIC까지 다양하다. 일반적으로, DSP 디바이스와 FPGA는 기능성과 유연성에 대한 최상의 결합을 제공하는 반면, 전력 교환 효과를 갖는다.

정지(Static) vs. 다이내믹 전력 트레이드-오프: 무선 모드의 듀티 싸이클 때문에, 대기 동작은 일반적으로 10:1의 비율로 무선 사용을 조절한다. 따라서, 이것은 대기 동작일 경우 디지털 전력 누수를 최소화하는 것이 필수적이다.

전력을 절감하는 전압 및 주파수 조절 트레이드-오프: 세심한 시스템 설계로 인해, 전압과 주파수 모두는 대기 상태일 경우 축소될 수 있으며, 무선 기능의 작은 부문만 남게 된다.

전력을 위한 소프트웨어 및 하드웨어 파티셔닝: 소프트웨어 설계자들은 무선 동작 모드를 이해해야 할 필요가 있으며 전력 사용을 효율적으로 최소화하기 위해 하드웨어 리소스를 지능적으로 관리해야 한다.

제조 장치(Production Unit)에 적합한 HMS 요구조건을 만족시키기 위한 기존의 시도는 불충분했다. SRW(Soldier Radio Waveform)의 변화와 같은 파형 요구조건은 고성능 FPGA에 대해 전력에 너무 민감하나, 저전력 DSP 디바이스와 저가형 FPGA의 성능 이상이다. 데이터 속도가 Kbps에서 Mbps로 이동함에 따라, 저전력 DSP 디바이스들은 IF, 변조, 비트-레벨의 프로세싱을 더 이상 갖지 않는다. 저가형 FPGA는 필수 기능을 구현하기 위한 멀티플 디바이스를 필요로 하며 따라서 집적을 위한 크기 및 무게 성능을 제한한다.

고성능 FPGA 공급업체들은 거의 성공이 없는 파형 통합을 위해 전압 조절(Voltage Scaling) 및 부분적인 재구성(Partial Reconfiguration)과 같은 기능들을 이용하려고 시도하고 있으며, 종종 개발 지연의 결과를 초래하며 시스템 위험도를 증가시킨다.

전압 조절(정지 전력 드레인을 감소시키기 위해 무선 대기 상태 동안 전압을 낮추기)은 기능별, 시간별, I/O 검증의 퇴보와 민감도를 발생시킨다. 전력 감소를 위한 부분적인 재구성(로직의 일부를 재프로그램 하는 기능인 반면, 다른 기능은 유지된다)은 고성능 공정으로 이루어지는 FPGA 디바이스에서 비효율적이다. 사용하지 않은 기능 영역은 몇 와트의 정지(누수) 전력을 소모할 수 있다.

성공을 향한 설계자 목표

설계자는 프로그램 요구조건을 준수하기 위해 기능 및 스케쥴의 어려운 과제에 직면하고 있다:

소형 팩터, 경량의 군사용 솔루션 실현하기

미션 수명 및 유연성 확장을 위해 1와트 미만의 파형 통합 달성하기

대용량 SDR 기반 시스템을 위한 최적의 값 제공하기

이러한 어려운 과제에도 불구하고, 설계자들은 알테라의 가장 최신형 65nm FPGA 디바이스를 고려함으로써 확신을 가지고 SWaP 조건을 준수할 수 있으며 미래형의 군사용 배치를 위한 성공적인 다음 단계의 성공을 이룰 수 있다. 알테라는 자사의 90nm Stratix와 Cyclone을 사용해 모바일과 공중 수송의 SDR 구현의 성공을 구축해 왔으며, SDR 배터리 동작 솔루션, 생산에 알맞은 새로운 전력 최적형인 65nm FPGA와 툴 셋트를 고안해 냈다.

SWaP 설계 과제 풀기

알테라의 새로운 65nm FPGA는 첨단 아키텍처 성능이 적절하게 조합되었으며 가장 까다로운 전력 감소 기법이 결합되었다. 이전 세대의 90nm 디바이스가 시스템 개발과 데모 무선(SDD 프로그램)을 구현하기 위해 적절한 리소스의 조합을 제공한 반면, 알테라의 65nm 제품군들은 SWaP 생산 애플리케이션을 위해 최적화되었다. 그림 3은 성능과 유연성의 확장을 보여준다.

디바이스

가장 최신형의 고성능, 고밀도 Stratix 시리즈 FPGA 제품들은 최소한의 전력에서 최대 신호 처리 성능과 기능을 제공해 광범위한 공중 수송 및 지상 모바일 무선장치를 다룬다.

Stratix 시리즈 FPGA 제품들은 300K 로직 엘레멘트 이상의 디바이스 리소스, 17Mbytes의 임베디드 메모리, 900 멀티플라이어와 근접한 특징을 갖추고 있어 기능성이 중요한 SWaP 애플리케이션을 위해 가장 좋다. 배터리가 요구되지 않을 경우, 알테라의 특허형 프로그래머블 파워 테크놀로지(Programmable Power Technology)는 이러한 애플리케이션을 위해 열 소비와 쿨링 조건을 최소화시킨다.

센서처럼 매우 민감한 전력 애플리케이션에서 신속한 무선 모드 변경을 위해, 유일하게 알테라가 로직 효율적인 HardCopy 스트럭처드 ASIC에 대한 완벽한 경로를 제공한다. HardCopy 디바이스는 Stratix FPGA처럼 동일한 툴 플로우를 사용하며, 신속한 프로토타입과 빠른 변환을 가능하게 해 전력을 감소시키고 최대 70%까지 구현 비용을 절감시킨다.

소형 폼 팩터, 경량, 배터리 구동형 SDR, 특수 명령 무선 장치에서 가장 까다로운 사용의 경우, 알테라의 저전력 디바이스들은 다양한 SWaP 설계 과제를 해결하는데 최적화 되었다.

크기 및 무게의 엄격한 제한: 10in3 미만의 최소형 구현의 경우, 새로운 디바이스는 SRW-CC(Soldier Radio Waveform, Combat Communicator mode)처럼 첨단 파형을 처리하기 위해 단일 칩에서 충분한 리소스를 보유한다. 풍부한 신호 처리 블록과 충분히 분산된 메모리는 전력이 많이 소비되는 외부 메모리 부품을 제거시킨다. 디바이스들은 첨단 마이크로-패키징 옵션을 위해 다이 폼(Die Form)으로도 이용할 수 있다.

미션 수명에 직접 영향을 미치는 전력 소비: 디바이스들은 1와트 미만으로 전체 파형 기능을 구현할 수 있으며, 4시간의 미션 수명이 현재의 PLD(Pro-grammable Logic Device) 구현을 실현시킨다.

디지털 프로세싱이 조절하는 전력 예산: 파형 복잡도의 현저한 증가로 인해, 대부분의 전력 예산은 디지털 전자제품에 존재하며 최저전력 PLD를 이용해 최적화되어야 한다.

디지털 로직 구현 트레이드-오프: PLD는 MIPS(Millions of Instructions Per Second) 와트에서 DSP를 능가하며, 더욱 효율적이고 저전력 디지털 구현을 제공한다.

정지 전력 vs. 다이내믹 전력 트레이드-오프; 대기상태 동작 동안 전력은 시장에 출시된 최저 저전력 누수, 1/10 미만의 정지 전력형 90 및 65nm FPGA를 이용한 PLD를 선택함으로써 최소화될 수 있다.

전력 절감을 위한 전압 및 주파수 조절 트레이드-오프: 기능별 영역을 여러 개의 PLD 클록 도메인에 파티셔닝함으로써, 주파수 조절은 최대화될 수 있다. 제조업체들의 가이드라인과 주의깊은 시스템 설계 및 테스트를 준수함으로써, 전압 조절과 일시 정지상태 기법은 대기 모드 일 때 정지 누수를 낮추기 위해 사용될 수 있다.

전력을 위한 소프트웨어 및 하드웨어 파티셔닝: 가장 효율적인 SWaP 구현은 시스템 이용, 동작 모드, 지능형 소프트웨어 제어 및 DSP, FPGA, 스트럭처드 ASIC 솔루션 간의 기능에 대한 적절한 파티셔닝을 고려해야 한다. 더욱 우수한 전력 절감을 위해, 지능형 시스템 파티셔닝은 대기상태일 때 중요하지 않은 부품을 정지시키기 위해 소프트웨어 제어기능을 갖춘 디바이스 전체에 걸쳐 사용될 수 있다.

추가적으로, 알테라의 최저전력 FPGA를 사용한 SDR 솔루션은 더욱 소형의, 경량의 덜 비싼 배터리 및 더욱 효율적인 전원 공급장치와 소형의 폼 팩터 인클로저를 사용하기도 한다.

SDR 설계 플로우와 툴

확신을 갖고 설계를 하기 위해, 설계자들은 FPGA와 써드-파티 벤더들이 공급하는 IP뿐만 아니라 새롭게 개발된 IP를 통합하고 기존의 IP를 재사용해서, 설계 플로우를 단순화시키는 툴을 이용해야 한다.

소프트웨어 프로그램 가능한 재구성(SPR: Software Programmable Reconfiguration) 설계 기법들은 완전히 스위치된 패브릭을 통해 다중 파형에 필요한 모든 기능 모듈(IP 블록)을 서로 연결시킨다. 그 다음 Nios II 소프트-코어 CPU나 임베디드 태스크 프로세서는 모듈 동작의 씨퀀스를 제어하기 위해 가장 효율적인 곳 어디에나 전략적으로 배치시킬 수 있다.

따라서 SPR은 소프트웨어 부하 vs. 하드웨어 비트 구성을 통해 기능을 변경시킨다. 이 방법은 소프트웨어 설계자에게 훨씬 더 쉽고 더 익숙하다. 이 방법은 향상된 알고리즘의 포팅과 디버깅도 단순화시킨다. 새롭게 개발된 모듈은 패브릭에 쉽게 추가되어 소프트웨어 제어를 통해 동작되며, 다양한 독립형 파형 구형의 검증을 감소시킨다.

SDR의 변경된 조건을 통해, SPR 방법은 프로그램 위험성을 감소시키고, IP 재사용을 단순화시켜, 알테라의 FPGA 기반형 HardCopy 스트럭처드 ASIC 기법을 이용해 저전력 및 저비용 솔루션을 실현시킨다. HardCopy 스트럭처드 ASIC은 유연하면서, 다른 DSP 및 FPGA 디바이스 대비 더욱 경제적으로 가능한 전력 효율성을 달성시킨다. 설계자의 시장 출시 시점을 가속화시키는 것을 도와주는 높은 생산성의 소프트웨어를 위해, 알테라의 고성능 툴 슈트(그림 4)를 살펴보자.

Quartus II 설계 소프트웨어는 컴파일 시간을 최대 70% 단축시키는 인크리멘탈 계층적 설계 기법, 가상 팀 및 프로젝트 관리, 업계 표준형 SDH 지원, TimeQuest 타이밍 애널라지어 시뮬레이션 성능을 비롯해 HardCopy 스트럭처드 ASIC에 대한 완벽한 설계 플로우를 위해 새로운 성능들을 포함하고 있다.

파워플레이(PowerPlay) 전력 분석 및 최적화 기술은 설계 싸이클 동안 가장 정확한 전력 추정 및 최적화를 제공한다.

SOPC 빌더(Builder) 소프트웨어 툴은 시스템 통합과 새로운 IP와 기존 IP의 재사용을 자동화한다.

Nios II C2H(C-to-Hardware) 액셀러레이션(Acceleration) 컴파일러(Compiler)는 코프로세싱 모듈을 자동으로 구축함으로써 설계 제어에 따라 애플리케이션 소프트웨어를 가속화시키며 기존의 임베디드 설계를 위해 연결시킨다.

에코시스템(Ecosystem)

파형 및 애플리케이션 소프트웨어의 개발을 더욱 신속하게 시작하기 위해, 설계자들은 희망하는 PLD 제품군에 적합한 모듈식 개발 베이스보드(Baseboard)를 이용할 수 있다. 고속 I/O 인터페이스를 갖춘 디바이스 베이스보드는 기능성과 I/O 유연성 모두를 확장할 수 있으며, 광범위한 SWaP 구현을 위한 고성능 프로토타입 성능을 제공한다.

알테라는 HSMC(High-Speed Me-zzanine Connector)를 이용해 각 FPGA 제품군용 저가형의 고성능 개발 모드 모두를 제공한다. 이러한 HSMC 커넥터는 알테라 및 써드-파티 개발형 모듈식 도터카드(Daughtercard)를 이용한 유연한 프로토타입 성능을 제공한다.

알테라는 승인된 COTS 시스템 업체들과 협력하여, PCI, AMC, VME 등을 포함해 광범위한 업계 표준 인터페이스 보드를 제공한다. 알테라는 시스템 통합업체와 SCA 공급업체와 함께 자사의 써드-파티 관계를 확장하여, SDR 및 기타 군사 부문 전반에 걸쳐 미들웨어, 엔지니어링, 애플리케이션 전문 기술을 제공한다.

우수한 동작

알테라는 고객이 제공하는 정보에 경청하며 최상의 디바이스, 툴, 성능을 실현시키는 프로세스를 지속적으로 향상시키고 있다. 이러한 활동은 위험성을 감소시키고 군사용 프로그램을 위한 배치 솔루션을 가속화시킨다. 고객 자문 이사회(Customer Advisory Board) 미팅은 차세대 반도체를 위한 직접적인 정보를 제공하는 반면, 최적화된 비즈니스 기획 과정들은 디바이스를 보증하며 툴은 제품 스케줄을 준수하거나 그 이상을 뛰어넘어, 군사용 프로그램을 위한 디바이스의 위험성을 낮춰준다. 게다가, 최고 수준의 업계 제조 파트너십 및 공정은 최신의 생산 완료 반도체 기술을 활용해, 공정 기술에서 초기 개발을 사용하는 프로그램의 위험성을 제거시킨다.

알테라만이 유일하게 다음 단계에 대한 COTS 실리콘을 채택한다. SWaP 솔루션 이상으로, 알테라는 향상된 COTS (eCOTS) 디바이스, 변조 방지(Anti-Tampering)를 위한 군사용-디바이스 보장 암호 기능에 적합한 서비스, MCM 통합을 위한 베어 다이(Bare Die), SEU (Single-Event Upset) 검출, 신뢰성 높은 납 패키징의 사용 가능성 등 특정한 요구조건에 초점을 맞추고 있다.

게다가, SDR 애플리케이션에 적합한 디바이스들은 극단적인 환경에서 검증된 기능을 포함해 산업 및 군사용 온도 범위 전반에 걸쳐 검증되었다. 방위 애플리케이션을 위해 eCOTS 디바이스를 사용하는 것은 전용 군사용 디바이스와 비교해 궁극적으로 가격 및 제품 수명 등의 장점들이 실현된다.

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