최대 3.9M 비트의 RAM, 120,000개의 LE, 288번의 18 x 18 멀티플라이어를 갖춘, Cyclone III FPGA는 Cyclone II FPGA보다 더욱 다양한 최종-애플리케이션 기능을 통합할 수 있다. 두 제품 모드 저가형의 저전력의 특징이 있다. 전력, 기능, 비용의 뛰어난 결합을 통해, Cyclone III FPGA 제품군은 대용량, 비용에 민감한 수많은 새로운 무선 애플리케이션을 구현시킨다.
자료제공│알테라 코리아
리모트 라디오 헤드(Remote Radio Head), 피코(Pico)/ 펨토(Femto) 기지국, WiMAX CPE(Customer Pre-mises Equipment)와 같은 새롭게 출현하는 무선 애플리케이션은 엄격한 소비 전력 요건과 낮은 비용 요건을 필요로 한다. 이러한 과제 이외에, 고속 데이터 속도 조건과 계속 진화하는 표준을 고려할 경우, 설계자는 최종 제품에서 고성능 및 유연성을 보장할 필요가 있다. 이 글은 하나의 사례로 위에서 언급된 WiMAX 피코 기지국을 살펴봄으로써 알테라의 Cyclone£ III FPGA가 무선 애플리케이션을 위해 다양한 요건을 어떻게 만족시키고 있는가에 대한 내용을 제공한다.
새롭게 출현하는 애플리케이션
고속 데이터 속도를 위한 시장의 요구조건은 협대역 2G GSM IS-95 시스템에서부터 피크 데이터 속도를 지원하는 현 세대 W-CDMA 기반 3G 및 3.5G 시스템에 이르는 무선 셀룰러 시스템의 진화를 주도하고 있다.
미래형 3GPP의 장기적인 개발 규격을 위해, MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)와 같은 복잡한 신호 프로세싱 기법들은 OFDMA와 같은 새로운 무선 기술과 함께 100Mbps을 초과하는 데이터 처리량을 지원할 수 있느냐가 핵심 사항으로 고려되고 있다. WiMAX 와 같은 대안적인 OFDM 기반 광대역 무선 시스템도 70Mbps를 초과하는 전송 스피드를 위해 비슷하게 진화해 왔다. 빌딩 내 서비스범위 또한 미래형 무선 성장을 위한 핵심적인 조건이며, 이러한 문제를 위해 피코 및 펨토 기지국과 같은 기술을 적용한다. 리모트 라디오 헤드는 도달범위를 향상시키면서 비용 및 운영 지출을 감소시키는 목적으로 출현하는 또 다른 기술이다.
신생 애플리케이션을 위한 설계요구조건
위에서 언급된 신생 무선 기술들은 OEM 업체들이 요구하는 확장성이 높으며 비용 효율적일 뿐만 아니라 개발 중인 여러 개의 표준에 걸쳐 유연하고 재사용할 수 있는 제품을 설계하기 위해 수많은 도전들에 받고 있다. 이러한 다양한 요구조건들은 하드웨어 플랫폼 선택을 궁극적으로 주도한다.
저렴한 비용의 생산
피코 기지국과 같은 시스템은 상당히 낮은 BOM(Bills Of Material)을 가지고 있으며, 일반적으로 수백 달러에 그친다. 이것은 수천 달러의 BOM 범위를 가진 매크로 및 마이크로 기지국과 반대된다. 유사하게 WiMAX CPE는 서브 US$200 범위에 도달할 것으로 예측된다. 이 같은 소매 가격을 지원하기 위해, 중요한 실리콘은 저가형의 대용량 생산 능력을 보유해야 한다.
저전력 소비
피코 기지국 및 리모트 라디오 헤드와 같은 시스템은 매크로 및 마이크로 기지국보다 더욱 적은 서비스범위(Foot-Prints)를 가지고 있으며 지붕과 장대에 장착된다. 소형 폼 팩터 및 무게 조건으로 인해, 이러한 시스템들은 필수적인 에어-플로우나 쿨링 팬을 보유하지 않으며, 기본적인 하드웨어에서 허용할 수 있는 전력 소비 레벨에서 엄격한 제한선을 주도한다.
유연성
WiMAX는 상대적으로 새로운 시장이며 현재 초기 개발 및 보급 단계에 있다. 이와 유사한 3GPP LTE가 정의되고 있으며, 마무리 단계에 들어가기 전에 수많은 수정할 사항들이 있다. 현재 시나리오에서, 유연하고 재프로그램 가능한 제품을 보유하는 것은 버그 수정을 실현하고 표준-불가지론식 또는 멀티-프로토콜 기지국 솔루션을 제공하기 위해 필수적이며, 이는 제품에 ASIC 적용한 디자인에서는 불가능하다. 유연성을 제공하는 시스템은 무선 인프라 OEM 업체들과 사업자들을 위해 자본 지출 및 운영 비용을 감소시키면서 꾸준히 발전하고 있는 표준으로 위험을 경감시킨다.
고성능
WiMAX 광대역 무선 시스템은 W-CDMA 및 CDMA2000 셀룰러 시스템보다 훨씬 더 높은 처리량과 데이터 속도 조건을 가지고 있다. 이 같은 고속 데이터 속도를 지원하기 위해 기본적인 하드웨어 플랫폼은 상당한 처리 대역폭을 가져야 한다. 추가적으로, FFT/IFFT(Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform)를 포함해 터보 코딩(Turbo Coding)/디코딩, 프론트-엔드 기능과 같은 여러 개의 고성능 신호-처리 기법들은 연산 기능이 강화되었으며 초당 수십억 번의 MAC(Multiply And Accumulate) 연산을 요구한다. 소프트웨어 프로그래머블 멀티플라이어는 이러한 성능 요건을 만족시킬 수 있는 프로세싱 대역폭을 가지고 있지 않아 채널 당 비용이 비효율적이다.
Cyclone III FPGAs로 구현 가능한 새로운 무선 애플리케이션
Cyclone III FPGA는 저전력 소비, 높은 기능성, 저가형의 특징이 뛰어나게 결합되어 시스템 전력을 보존하고, 생산성을 증대시키며 경쟁력을 최대화시킨다. 최대 3.9M 비트의 RAM, 120,000개의 로직 엘레멘트(LE), 288번의 18 x 18 멀티플라이어의 특징을 갖춘 Cyclone III 제품군은 저가형 FPGA와 비교해 훨씬 높은 수준의 기능성을 제공한다.
Cyclone III 제품군은 최저 전력의 FPGA를 제공하면서 알테라의 리더십을 정상으로 끌어올렸다. 아키텍처 및 실리콘 기능 향상의 포괄적인 방식, 최신 반도체 공정 기술, 고객을 위한 완벽한 전력 관리 툴을 결합한, 알테라의 노력은 90-nm 기반의 Cyclone II FPGA와 비교해 소비전력면에서 최대 50% 감소의 효과를 가져왔으며, 경쟁사 FPGA와 비교해 최저전력 소비를 달성한다. 온-칩 메모리와 병렬식 프로세싱 성능으로 대규모 멀티플라이어가 결합되어, Cyclone III FPGA는 오프-더-셀프(Off-The-Shelf) 멀티플라이어에 비해 상당히 더 높은 수준의 성능을 제공한다. 그림 1은 오프-더-셀프 멀티플라이어와 Cyclone III DSP 성능을 비교한 것이다.
그림 2는 WiMAX 피코 기지국에서 기능에 대한 블록 다이어그램을 보여준다. 다음 섹션은 Cyclone III FPGA의 저전력, 메모리, 멀티플라이어가 비용 효과적인 방식으로 피코 기지국에서 다양한 기능을 구현하기 위해 어떻게 사용될 수 있는가를 보여준다.
WiMAX DUC 및 DDC
디지털 업컨버터(DUC)와 디지털 다운컨버터(DDC)는 FIR(Finite Impulse response) 및 CIC(Cascaded Integrator -Comb) 필터를 포함해 복잡한 필터 아키텍처를 사용한다. Cyclone III FPGA는 260MHz 만큼 빠른 속도에서 동작하는 최대 288개의 18x18 멀티플라이어를 가지고 있으며 DUC 및 DDC 기능을 구현하는 저가형의 저전력 플랫폼을 제공한다. 그림 3 과 그림 4는 WiMAX DUC 및 DDC 아키텍처 및 스펙의 개요를 제공한다.
표 1은 이 같은 설계뿐만 아니라 W-CDMA-기반 DUC 및 DDC 피코 기지국 설계를 위해 Cyclone EP3C80 FPGA에서 사용되는 리소스를 정리한 것이다. Cyclone III EP3C80은 리소스의 몇 %만 사용해서 WiMAX 및 W-CDMA 애플리케이션을 위해 DUC/DDC 기능을 구현하고 있다. 따라서, 남아있는 FPGA는 애플리케이션의 나머지 부분에서 사용될 수 있다.
표 1에서 보이는 추가적인 이점은 저전력 소비로, DDC 및 DUC 기능들은 0.5watt 미만의 전력을 소모하며, 수많은 피코 기지국 및 리모트 무선 헤드를 위한 전력 예산을 만족시킨다.
WiMAX OFDMA 엔진
그림 2에서 보이는 것처럼, 다운링크(downlink: DL) OFDMA 엔진은 서브 채널화, IFFT, CP(Cyclic Prefix) 삽입 기능들이 포함된다. 반대로, 업링크(Uplink: UL) OFDMA 엔진은 CP (Cyclic Prefix) 제거, FET, 디-서브채널화 기능들이 포함된다. Cyclone III FPGA에서 풍부한 M9K 메모리 블록과 멀티플라이어는 표 2와 표 3에서 보는 것처럼 DL 및 UL OFDMA 엔진에 대해 비용 최적화된 구현을 가능하게 한다,
WiMAX 터보 디코딩
순방향 오류 보정(FEC: Forward error correction) 디코딩 스킴(scheme)은 Viterbi decoding, Turbo convolu-tional decoding, Turbo product decoding, LDPC decoding이 있으며, 이런 디코딩 방법들은 많은 계산을 필요로 한다. 만일 이러한 연산 기능을 소프트웨어 프로그래머블 멀티플라이어로 수행할 경우 상당한 대역폭을 사용하게 된다.
FPGA는 이러한 기능을 오프-로드시키기 위해 폭넓게 사용되며 다른 기능을 수행하기 위해 DSP 대역폭에서 자유롭다. 동일한 FPGA는 MAC 계층과 인터페이스 하기 위해 사용될 수 있을 뿐 만 아니라 암호/해독 및 인증과 같은 더 낮은 MAC 기능들을 달성하기 위해서도 사용될 수 있다. 알테라가 제공하는 저가형의 메모리가 풍부한 Cyclone III FPGA는 로직에서 메모리 비율이 적절하게 혼합되어 이러한 DSP 코프로세싱 기능을 수행하기 위해 매우 적합하다. 예를 들어, 20Mbps에서 WiMAX 컨볼루션널 터보 디코딩은 EP3C55 FPGA에서 10% 미만의 LE 와 5% 미만의 메모리로 구현할 수 있다.
그림 5는 다양한 FEC 디코딩 회로도가 멀티플라이어에서 FPGA 코프로세서까지 어떻게 오프-로드 될 수 있는지를 보여준다.
결론
최대 3.9M 비트의 RAM, 120,000개의 LE, 288개의 18 x 18 멀티플라이어를 갖춘, Cyclone III FPGA는 Cyclone II FPGA보다 더욱 다양한 최종-애플리케이션 기능을 통합할 수 있다. 두 제품 모두 저가형의 저전력의 특징이 있다. 예를 들면, DUC 및 DDC, DL 및 UL OFDMA 엔진, WiMAX 피코 기지국 사례에서 CTC 디코딩 기능성들은 2W 미만의 소비전력과 US$29 미만의 가격을 자랑하는 중간 범위의 Cyclone III EP3C55 FPGA에서 모두 통합할 수 있다. 정리하면, 전력, 기능, 비용의 뛰어난 결합을 통해, Cyclone III FPGA 제품군은 대용량, 비용에 민감한 수많은 새로운 무선 애플리케이션을 구현 할 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>