오늘날의 통신 액세스 시장 같은 혁신적인 시장을 위해서는 출시시간을 단축하면서 변화하는 요구에 적응할 수 있는 기술이 중요하다. FPGA는 멀티 서비스 액세스 노드(MSAN) 장비의 출시에 있어서 핵심적인 역할을 한다. 이 글에서는 액세스 네트워크의 발전, MSAN 장비의 요구, 액세스 장비 업체들이 FPGA를 이용해서 주문형 솔루션을 구축하는 경향 등에 대해 설명하려고 한다.
글│Kevin Cackovic, 통신 사업부 선임 전략 마케팅 부장, 알테라
네트워크 사업자들은 고대역폭 서비스 제공을 향상시키기 위해서 자사 액세스 네트워크를 업그레이드하기 위해 지속적으로 투자를 하고 있다. 이러한 투자로 인해서 공급 사슬 전반에 걸쳐서 지속적인 네트워크 향상에 필요한 대역폭, 신뢰성, 확장성을 제공하도록 혁신이 이루어져 왔다. 오늘날의 통신 액세스 시장 같은 혁신적인 시장을 위해서는 출시시간을 단축하면서 변화하는 요구에 적응할 수 있는 기술이 중요하다. FPGA는 멀티 서비스 액세스 노드(MSAN) 장비의 출시에 있어서 핵심적인 역할을 한다. 이 글에서는 액세스 네트워크의 발전, MSAN 장비의 요구, 액세스 장비 업체들이 FPGA를 이용해서 주문형 솔루션을 구축하는 경향 등에 대해 설명하려고 한다.
액세스 네트워크의 변화
광대역 액세스 네트워크는 구리 기반 인프라에서 광섬유 및 구리 네트워크의 혼합으로 변화하고 있다. 세계의 각 지역에서 ADSL, VDSL, 케이블, 이더넷 수동 광 네트워크(EPON), 광대역 PON(BPON), 기가비트 PON(GPON) 등의 각기 다른 기술이 채택되었으며 갈수록 더 높은 데이터율을 지원하고자 하는 기술 개발에 의해서 지역마다 각기 요구가 달라지게 되었다. 그러한 예로서 그림 1에서는 광대역을 구축하는 지역마다의 차이를 보여준다. Infonetics는 북미 지역에서 케이블 텔레비전 서비스 보급률이 높아서 2010년에 전세계 케이블 광대역 가입자의 절반 이상이 이 지역 가입자일 것으로 전망했다. PON 가입자는 북미 및 아시아 태평양 지역에서 2010년까지 150퍼센트의 연간 복합 성장률로 급속도로 성장할 것으로 전망되며, GPON은 중국 및 북미 지역에서 인기를 얻고, EPON은 일본에서 지배적일 것으로 전망된다. 유럽 지역 광대역 가입자들은 대체적으로 계속해서 DSL을 이용할 전망이다. 다만 각각의 지역이 지역 내에서 다시 어느 정도의 편차를 나타낼 수 있다.
이러한 차이에 기반해서 DSL Forum 같은 표준화 기관에서는 `다중의 사업 모델을 통해서 서비스를 제공할 수 있도록 고유의 품질, 확장성, 탄력성, 상호운용성을 제공하는 관용적 액세스 네트워크 아키텍처`를 위한 표준을 개발하고자 한다. 이 새로운 네트워크는 특정한 구축에 대해서 고유하게 구성할 수 있는 액세스 플랫폼을 필요로 한다.
MSAN의 탄생
2004년에 British Telecom(BT)이 최초로 `21세기 네트워크(21CN)`라고 하는 자사 네트워크를 향상시키기 위한 프로젝트를 발표했다. 이 전략은 다음을 목표로 한다고 했다.
고객들에게 현재로서는 불가능한 방식으로 지배력, 선택권, 유연성을 제공한다.
전보다 훨씬 더 신속하게 고객들을 위한 흥미로운 새로운 서비스를 개발한다.
비용을 절감하고 현금 비용 절감을 늘림으로써 절감액이 2008/2009년까지 연간 20억 달러를 넘을 것으로 전망된다.
이러한 목표를 달성하기 위해서 21CN 아키텍처는 공통의 플랫폼으로 음성, 인터넷 프로토콜(IP), 이더넷, 고정 라인 서비스를 제공할 수 있는 액세스 노드를 정의했다. 이러한 MSAN는 BT가 네트워크 엘리먼트를 줄이면서도 고정 네트워크에서 유연한 IP 네트워크로 전환할 수 있도록 한다. 전세계의 통신업체들이 새로운 서비스를 지원하기 위해 인프라에 투자함으로써 이 MSAN 아키텍처는 필요한 기술 요구를 지원하기 위한 향상을 가능하게 할 것이다.
장비 제조업체의 해결 과제
액세스 장비 업체들의 시장 기회는 상당히 크다. Lightreading Insider는 2011년에 GPON 장비가 47억 달러 규모의 시장에 달할 것으로 전망하고 있다. Infonetics는 DSL 및 멀티 서비스 액세스 플랫폼 시장이 2009년에 60억 달러를 넘어설 것으로 전망하고 있다. 기회는 상당하나 이를 위해서 해결해야 할 과제 또한 만만치 않다.
장비 제조업체들은 액세스 시장의 기술적 및 사업적 과제들을 해결해야 한다. 그러한 해결 과제로서 다음을 포함한다.
출시시간 단축
개발비 절감 및 엔지니어링 투자 보호
변화하는 네트워크 요구에 대한 적응
향후의 확장성 요구 지원
이러한 해결 과제들을 달성하면서 비용, 전력, 위험성을 낮추는 상충되는 목표 또한 달성해야 한다.
출시시간 단축
북미 지역에서 GPON을 구축하는 것과 같은 새로운 시장에서는 유효한 솔루션을 가장 먼저 내놓을 수 있는 것이 성공과 실패를 가늠한다. 북미 통신 사업자들이 케이블 사업자들로부터의 위협에 맞서야 하는 시급함에 의해서 출시시간을 단축해야 하는 필요성이 높아졌다. 액세스 시장 같은 대량 시장을 위해서 유효한 솔루션을 내놓은 후에는 솔루션의 비용과 전력을 낮추어야 하는 요구가 매우 중요하다.
총 유지비 절감
지난 10여 년에 걸쳐서 OEM 업체들이 제품 개발을 위해서 취하는 기법이 급격하게 변화했다. 예를 들어서 통신 장비 업체들은 지속적으로 엔지니어링 개발을 통합하고, 아웃소싱하고, 인건비를 줄일 수 있는 지역으로 재배치하고 있다. 지출을 통제하려는 이러한 노력들로 인해서 신기술 개발에 있어서 총 유지비(TCO)를 낮추는 것에 역점을 두게 되었다. 다중의 애플리케이션이나 플랫폼에 걸쳐서 공통의 프레임워크, 방법론, 모듈을 재사용할 수 있다면 실리콘 투자에 대해서 TCO를 낮출 수 있을 것이다.
엔지니어링 투자 보호
반도체 시장 내의 사업 동향을 이해함으로써 OEM들이 업체를 선택할 때 적절한 위험성 분석을 수행하는 데 유용할 것이다.
다양한 애플리케이션에 걸쳐서 폭넓게 활용할 수 있는 이더넷 곱셈기-누산기(MAC) 칩셋, 메모리, 범용 프로세서, FPGA 등의 반도체 소자를 이용함으로써 시간의 경과에 걸쳐서 지속적으로 해당 기술에 대한 투자를 보호할 수 있다. 65nm나 45nm 같은 새로운 프로세스 기술에 있어서 신제품 개발을 위한 비용이 상승함으로써 고유의 애플리케이션을 목표로 하고 여기에 대해서 최적화된 디바이스는 시장에서 점차 사라질 가능성이 높다.
예를 들어서 표 1에서 보는 것과 같은 네트워크 프로세서 실리콘 업체의 판도 변화는 특정 용도 부품의 선택과 관련된 위험성을 보여준다. 이와 비교해서 FPGA를 이용해서 지속적으로 첨단 실리콘을 이용함으로써 안정적으로 성장할 수 있으며 FPGA를 이용함으로써 IP에 대한 투자가 가장 잘 보호된다는 것을 알 수 있다.
변화하는 네트워크 요구에 대한 적응
전통적인 액세스 장비는 가정으로 순수 데이터 서비스를 제공하기에 충분한 `덤(dumb)` 인터페이스를 제공했다. 이 장비는 이후로 이더넷 및 IP 프로세싱을 지원하도록 향상되었으며, 이는 액세스 장비로 얼마나 많은 지능을 포함해야 하는지에 대한 논란으로 이어졌다.
액세스 박스로 더 많은 지능을 추가함으로써 사업자들이 궁극적으로 액세스 박스 옆에 설치되는 광대역 원격 액세스 서버(BRAS) 같은 추가적인 장비를 제거할 수 있다. 그림 2 및 그림 3에서 보듯이 중앙집중 또는 분산 프로세싱을 지원하는 시스템들이 개발되고 있다. 분산 아키텍처는 패킷 프로세싱 기능이 가입자에게 가까이 있을 수 있도록 함으로써 채널 변경 같은 기능에 대해서 매우 신속한 응답 시간을 가능하게 한다. 중앙집중 아키텍처는 중앙 스위치 카드 상에서 더 첨단의 패킷 프로세싱을 수행한다.
향후의 확장성 요구 지원
비디오 및 피어 투 피어 서비스가 등장함으로써 10G PON 및 WDM PON 같은 갈수록 더 높은 대역폭 액세스 기술이 요구되었다. 이와 더불어서 장비 포트 밀도 역시 72개에서 96개 DSL 포트 및 4개에서 8개 PON 포트로 증가하고 있다. 이러한 경향은 다양한 방식으로 실리콘 기술 및 시스템 디자이너들에게 영향을 미칠 것이다. 데이터 패스가 10Gbps를 지남에 따라서 메모리 인터페이싱이 병목지점이 됨으로써 I/O 수, 패키지, 전력 소비가 문제가 되고 있다.
시스템 디자이너에게 있어서 패킷 프로세싱 솔루션 등의 디자인을 1Gbps에서 2.5Gbps로, 5Gbps로, 10Gbps로, 다시 40Gbps 이상으로 높이기 위해서는 매 성능 노드마다 새로운 기술을 필요로 할 수 있다. 네트워크 프로세서 유닛(NPU) 같은 표준형 실리콘 기술의 한계는 근본적으로 고정적인 아키텍처 및 자원이다. TCO를 효율적으로 관리하기 위해서는 1Gbps에서 100Gbps까지로 확장 가능한 솔루션을 개발해야 한다.
최적의 MSAN 솔루션 맞춤화
어떠한 유형의 기술이 그와 같은 폭넓은 확장성을 가능하게 하면서 매 성능 노드에 따라 효율적으로 설계할 수 있을 것인가? 패킷 프로세싱 예를 더 깊이 살펴보면 효율적인 아키텍처는 성능 및 프로토콜 요구가 늘어나는 것에 따라서 소프트웨어 및 하드웨어 프로세싱을 적절히 조합할 수 있는 것이다. 소프트웨어 프로세싱의 이점을 활용해서 하드웨어 코드화 상태기 디자인을 제거할 수 있으며, 한편 하드웨어 가속화기를 이용해서는 성능에 대해서 모듈을 최적화할 수 있다. 또한 다중의 작업을 동시에 수행할 수 있는 병렬화를 통해서 확장성을 달성할 수 있다.
소프트웨어 병렬화는 멀티쓰레드 프로세서 같은 기술을 이용해서 실현할 수 있으며, 하드웨어 병렬화는 모듈의 다중 사례화를 통해서 달성할 수 있다. 최적의 기술은 또한 전반적인 설계 아키텍처에 영향을 미치지 않으면서 향후의 실리콘 프로세스 노드로 이전하는 것을 지원해야 한다.
액세스 패킷 프로세서 내의 아키텍처적 절충
패킷 프로세싱 솔루션은 파이프라인형 및 비파이프라인형, 단일 쓰레드 및 다중 쓰레드, 전적으로 소프트웨어 프로그램 가능 및 순수한 하드웨어 기반으로 분류할 수 있다. 각각의 고정 패킷 프로세싱 아키텍처는 제한적이므로 다양한 애플리케이션 및 요구를 적절히 지원하지 못한다. 예를 들어서 DSL 네트워크에서 채널 결합을 통해서 더 높은 대역폭을 제공하기 위해서는 주문형 실리콘이 필요하다. 장비 업체들이 주문형 프로세서의 부족함을 보완하기 위해서 이 디바이스 옆에 디바이스를 추가할 수 있으나 기존의 프로그래머블 디바이스에 주문형 하드웨어를 추가할 수 있으면 향후에 더 높은 유연성을 가능하게 한다. 특정한 애플리케이션에 대해서 최적화된 솔루션은 맞춤화할 수 있어야 할 뿐만 아니라 향후의 애플리케이션에 재사용할 수 있어야 한다.
재사용 가능 설계 방법론
MSAN 장비 업체의 새로운 경향은 FPGA 같은 프로그래머블 솔루션으로 재사용 가능 프로세서 및 하드웨어 엔진을 이용해서 주문형 솔루션을 구축하는 것이다. 시스템 디자이너가 특정한 애플리케이션을 위해서 적합한 하드웨어 및 소프트웨어 컴포넌트 조합을 판단할 수 있다. 이들 컴포넌트를 교체가능 및 재프로그램 가능 프레임워크로 구축함으로써 디자인을 간편하게 변경 및 이송할 수 있으며, 그럼으로써 디자인을 이후의 프로세스 기술로 이전하고 더 낮은 비용으로 갈수록 더 증가하는 속도 요구를 충족하도록 확장할 수 있다.
MSAN을 위한 최적의 실리콘 기술
프로그래머블 실리콘 기술은 솔루션을 맞춤화하고 출시시간을 단축할 수 있는 이점을 제공한다. 액세스 시장 같은 대량 시장은 전통적인 FPGA의 비용 구조를 뛰어넘는 공격적인 비용 절감을 요구한다. FPGA 프로토타입에서 HardCopy 같은 스트럭처드 ASIC으로 전환함으로써 OEM 업체들은 기술을 조기에 채택하면서 양산에 돌입해서 더 낮은 가격을 제공할 수 있다. 이러한 전환 때의 기술적 위험성은 프로토타입에서부터 생산에 이르기까지 단일 실리콘 업체를 이용함으로써 관리할 수 있다.
Altera의 광대역 액세스 솔루션
MSAN 아키텍처는 GPON MAC, 패킷 프로세싱, 트래픽 관리, 백플레인 인터페이스 등의 다양한 기능적 요구를 포함한다. 디자이너들은 어느 블록이 다음 제품 세대 때 변화될 가능성이 높고 어느 블록이 경쟁 제품에 대해서 제품 차별화를 가능하게 할지 판단해야 한다.
Altera는 유연한 FPGA 기반 솔루션을 이용해서 확장 가능한 비용 절감적인 빌딩 블록을 제공한다. GPON 및 DSL 라인 카드를 위한 빌딩 블록은 설계 프로세스를 더 수월하고 비용 효율적으로 수행할 수 있게 한다. 이들 솔루션은 트리플 플레이 IPTV 네트워크 같은 변화하는 애플리케이션의 고유한 요구에 대해서 맞춤화할 수 있다. 예를 들어서 20Gbps 이상의 데이터율 및 고수준 통합을 달성하는 것이 설계 목표라면 고성능 Altera Stratix 시리즈 FPGA를 이용하고 저가형 HardCopy 시리즈 스트럭처드 ASIC으로 이전할 수 있도록 경로를 제공함으로써 매우 효과적이고 효율적인 솔루션을 제공한다. 저가형 패킷 프로세싱 시스템을 위해서는 Altera의 Cyclone 시리즈 FPGA가 매력적인 저전력 솔루션을 제공한다. 기가비트 이더넷 백플레인을 위해서 통합적인 SerDes(Serializer/ Deserializer)가 필요하다면 트랜시버 기반 Arria GX FPGA가 최적의 가격대 성능비 조합을 제공한다.
MSAN 인프라 애플리케이션을 완성하기 위해서 하나 이상의 디바이스가 필요하므로 전체적인 솔루션을 달성하기 위해서 하나 이상의 업체를 이용할 수 있다. Altera는 애플리케이션 개발을 지원하기 위해서 MSAN 시장을 위해 단대단 솔루션을 제공할 수 있도록 주요 기술 파트너 업체들과 견고한 제휴관계를 구축하고 있다.
참조 디자인 및 IP 코어에서부터 프로그래머블 디바이스에 이르기까지 Altera 및 이의 파트너 업체들이 선택한 개발 방법론을 지원하기 위해 필요한 포괄적인 솔루션 셋을 제공한다. 자체적으로 MSAN 애플리케이션을 개발하든지 표준형 솔루션을 구입하는 경우이든지 Altera의 프로그래머블 플랫폼이 다양한 애플리케이션, 기능, 데이터율에 걸쳐서 디자인 확장성을 제공한다. 그러므로 차세대 디자인으로 신속하고 간편하게 새로운 기능, 사업자 요구, 밀도를 달성할 수 있다.
자체 개발: Altera나 써드파티 IP 업체들이 제공하는 빌딩 블록을 이용해서 특수한 IP를 개발함으로써 특정한 디자인 요구를 충족하는 유연한 모듈러 기능 블록을 구축할 수 있다. 설계 작업 및 시간을 단축하면서 최종적인 솔루션을 간편하게 조립할 수 있으며 소유권 및 지배력을 유지할 수 있다.
표준형 솔루션: 특정한 애플리케이션 사양을 정의하고 제휴 파트너 업체들을 이용해서 전체적인 턴키 솔루션을 달성함으로써 출시시간을 단축하고 오버헤드 비용을 낮출 수 있다.
확장 가능한 유연한 트리플 플레이
장비의 설계
Altera 및 이의 제휴 파트너 업체들은 다중 액세스 기술을 지원하는 단일 MSAN 장비를 구축할 수 있도록 프로그래머블 솔루션을 제공한다.
패킷 프로세싱: Altera는 유연한 빌딩 블록으로 구현되는 주문형 맞춤화 패킷 프로세싱 시스템이나 또는 디자인에 곧바로 플러그인할 수 있는 `축소 포장` 솔루션을 제공한다. 두 옵션 모두 비용, 설계 용이성, 기술 수명 문제를 해결한다. 또한 FPGA를 이용함으로써 이들 솔루션은 ADSL을 위해서 2Gbps에서 GPON 라인 카드를 위해서 20Gbps로 확장해서 갈수록 높아지는 네트워크 트래픽 요구를 충족할 수 있다.
산업표준 MAC 솔루션: Altera 파트너 업체가 1.244Gbps 또는 2.488Gbps 지원, 하드웨어 검증, 풀 서비스 액세스 네트워크(FSAN) G.984 GPON 캡슐화 메소드(GEM)를 특징으로 하는 표준형 GPON MAC 플랫폼을 제공한다. Altera는 기가비트 이더넷 MAC 솔루션을 제공한다.
트래픽 관리 및 채널 결합: 고유기술 시스템 개발자들을 위해서는 Altera가 하드웨어 검증 플랫폼, 고속 패킷 메모리 컨트롤러, 멀티레벨 스케쥴러 참조 디자인으로 이루어진 개발 프레임워크를 제공한다. 표준형 기술을 구입하는 디자이너들을 위해서는 Altera가 10Gbps 트래픽 쓰루풋, 패킷 버퍼, 스케쥴러를 특징으로 하는 통합적인 트래픽 관리 IP를 제공함으로써 출시시간을 단축할 수 있다.
결론
변화하는 액세스 시장은 새로운 서비스를 제공하기 위해 다양한 기술을 지원할 수 있는 유연한 아키텍처를 요구한다. 장비 업체들은 출시시간을 단축하고 변화하는 기술에 적응해야 할 뿐만 아니라 비용과 전력을 낮추어야 하는 요구가 갈수록 높아지고 있다. 그러므로 액세스 시장의 현재 및 미래의 요구를 지원할 수 있는 적합한 실리콘 기술을 선택하는 것이 중요하다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 10월호>