차세대 임베디드 설계: 기능 밀도
글│Len Staller, Silicon Laboratories
오늘날 임베디드 시스템 설계자들은 더 적은 비용에 더 많은 기능을 원하는 소비자들을 만족시켜야 하는 주요 과제에 직면해 있다. 이러한 요구에 의해 전자 산업은 수년에 걸쳐 혁신을 이루었으며, 휴대용 PC에서부터 가정용 의료 기기에 이르기까지 우리의 생활을 변화시키는 제품들이 개발되었다.
현재 1달러 미만의 비용으로 엔지니어는 회로 보드 하나에 달을 여행하는 우주선의 보드에 탑재된 것 보다 더 많은 컴퓨팅 성능들을 수월하게 탑재할 수 있게 됐다. 혁신에 대한 요구는 줄어들지 않고 있으며, 많은 애플리케이션이 최소형, 최저가 및 고성능의 전자 부품을 필요로 한다. 이러한 흐름은 더 나은 기능성을 향한 움직임으로 보여진다.
통합의 경로
가장 효과적인 혁신은 더 작고 더 저렴하면서, 보다 우수한 제품을 지속적으로 제공하는 것이다. 시스템온칩(SoC)은 제품의 성능을 저하시키거나 기능을 줄이지 않으면서 크기와 복잡성을 줄이고자 끊임없이 노력하는 장비 설계자들의 요구에 대한 집적회로(IC) 업체들의 대응이었다. 이를 위해서는 하나의 칩에 수 많은 기능이 탑재된 IC가 필요하다.
가장 일반적이고 익숙한 8비트 마이크로컨트롤러(MCU)를 예로 들어보자. 시스템온칩 제품은 데이터를 정확하게 포착하고, 복잡한 연산을 수행한 뒤 데이터를 일련의 다른 시스템으로 전달하기 위해서 MCU에서 다양한 기능을 통합한다. 이를 위해서는 단일 칩 형태로 고성능 아날로그 및 고성능 디지털을 제공하는 완벽한 ??혼성신호?? MCU가 필요하다.
이들 회로를 하나의 다이 상에 탑재시키는 것이 쉬운 일은 아니기 때문에 반도체 업체라고 모두 완벽한 시스템 온 칩을 제공할 수 없는 것이다. 문제는 고성능 아날로그를 잡음이 있는 디지털 CPU 및 통신 주변장치에 인접하게 통합하는 것이다. 일반적인 솔루션은 디지털 성능(보통 디지털 주변장치의 속도나 수)과 아날로그 성능(선형성 및 신호 대 잡음 측정 등) 간에 절충을 이루는 것이다.
실제로 일부 제품에서는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 전압을 측정하는 동안 CPU는 작동을 멈춘다. 그 밖에 흔히 사용되는 대안으로는 신호 대 잡음비를 낮추거나 최대 선형도 오차를 지정해주지 않는 등, 강도가 낮은 사양을 지정하는 것이다. 이러한 솔루션들은 많은 문제를 해결하지만, 시스템 설계자들은 종종 기본 디바이스나 시스템이 요구하는 성능을 얻기 위한 디바이스의 성능이 칩 안에서 중복이 되는 것을 피할 수 없었다.
기능 밀도의 개념은 높은 수준의 혼성신호 전문성 및 시스템 이해의 결합이 MCU를 위한 시스템온칩 설계에 있어서 새로운 기준을 정립했는데, 그것은 바로 절충 없는 통합이다.
임베디드 엔지니어의 해결 과제
전자 업체들이 직면한 문제들은 익히 아는 것들이지만 계속 커져가고 있다.
- 최종 소비자는 더 많은 기능과 더 뛰어난 성능을 원한다: 업체들은 최종 사용자들에게 신속한 답변 및 시그널 공정을 포함하여 더 많은 기능 및 더 뛰어난 성능을 제공하기 위해 경쟁하고 있다.
- 업체들은 더 우수한 품질 및 신뢰성을 제공해야 한다: 여기에는 두 가지 주요 요소들이 있다. 첫째는 제조업체의 수율로, 생산 공정의 결함은 손실을 초래하며 수익성을 감소시키거나 가격을 높인다. 둘째는 최종 소비자가 경험하는 신뢰성으로서 이는 회사의 브랜드 인지도뿐만 아니라 소비자가 해당 제품에 대해 기꺼이 지불하고자 하는 가격에도 영향을 미친다. 신뢰성은 또한 일부 시장에서 안전성 요인이 될 수도 있다.
- 가격 압력: 성능 및 신뢰성을 향상시키는 것이 제품의 가격을 유지하는데 도움이 될 수 있지만 가격에 대한 압력은 언제나 존재한다. 전자기기 제품은 특히 가격에 민감한 분야로 디자인 편의성, 우수 제품 생산 가능성 및 신속한 출시시간들이 중요한 요인으로서 제품 개발비용에 영향을 미칠 수 있다.
- 크기 소형화: 더 소형화된 폼팩터에 대한 요구는 모든 시장 분야에서 갈수록 높아지고 있다. 휴대성 개념이 널리 일반화됨으로써 사용자들이 이제 하나의 소형 디바이스를 통해 전화 통화를 하고, 좋아하는 노래나 라이브 토크 쇼를 듣거나 TV를 시청하고, 길을 찾고, 사진을 찍을 수 있다.
이러한 요구들은 결코 새로운 것이 아니다. 사실 이러한 요구들은 임베디드 엔지니어들에게 그 전부터 요구되던 것들이다. 새로운 것이라면 이러한 요구들이 빠르게 증가하고 있다는 것이다. 따라서 이러한 모든 불가피한 요구들 하나 하나를 성공적으로 해결할 수 있는 혼성신호 MCU가 등장한 것이다.
기능 밀도를 통한 설계 과제의 달성
시스템온칩 통합의 개념은 한 단계 도약이었지만 아날로그 및 디지털 성능 어느 쪽의 절충이든 종종 성공적이며 수익성 높은 제품과 실패하는 제품 간의 차이를 만들어낼 수 있는 최종 시스템을 위한 트레이드 오프를 요구한다. 한 단계 발전한 시스템온칩의 집적은 기능 밀도를 통해서 이러한 트레이드 오프를 없앤다.
그렇다면 기능 밀도(Functional Density)란 정확히 무엇인가? 이는 고성능 디지털 CPU 성능, 통신 인터페이스의 선택들, 이들의 독립형 카운터파트 상응하는 고성능 아날로그(보통 ADC뿐만 아니라 아날로그 출력 및 정밀 발진기)의 조합이다. 이는 기능 측면이고, 밀도는 솔루션의 크기와 관련이 있다. 이들 모든 기능을 작게는 3mm x 3mm의 초소형 풋프린트에 통합해야 한다. 그 결과, 가격과 복잡성을 낮추면서 성능과 신뢰성을 높이는 솔루션을 달성할 수 있다.
전자기기 제품이 기능 밀집 설계가 필요한 대표적인 경우이고 모든 임베디드 시스템이 이를 필요로 한다. 자동차, 산업 전자기기, 가전 시장 분야는 그러한 몇 가지 예에 불과하다. 통신 애플리케이션 역시 예외가 아니다. 데이터 통신 및 텔레콤 시스템은 신호 경로 및 모니터링 및 컨트롤의 몇 가지 형태를 위한 빠른 공정을 필요로 한다. 물론 통신 시스템은 신뢰할 수 있어야 하고 유지보수가 용이해야 한다.
광 통신을 예로 들어보자. 최대 5Gbps까지 통신이 가능한 SFP(Small Form-factor Pluggable) 트랜시버와 최대 10Gbps 동작이 가능한 최근의 XFP 트랜시버는 레이저 다이오드를 변조함으로써 광섬유를 통해서 광대한 데이터 대역폭 안에서 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 이들 시스템은 레이저 전력(트랜스미터 출력 전력 및 리시버 입력 전력) 및 시스템 온도를 조절하고 파라미터가 지정된 지점에 도달했을 때 이를 알려줄 수 있도록 진단 및 통신을 수행해야 한다.
이를 위해서는 파라미터를 측정하기 위해 데이터 컨버터와 결과를 해석하고 신속하게 대응할 때 시스템의 나머지 부분과 통신하기 위해 프로세서가 필요하다. 그럼으로써 시스템에 대한 손상을 방지하고 신뢰성을 유지할 수 있다.
일부 300핀 MSA 커넥터 같은 이전 세대 트랜시버는 전형적인 19인치 통신 시스템 랙에서 오직 2개 트랜시버만을 탑재할 수 있다. 기술이 발전함에 따라서 소비자들은 이들 트랜시버가 모듈러, 핫스왑 가능, 저전력은 물론 더 소형화되기를 원했다.
그러므로 더 높은 플러그 밀도가 요구되어 최근의 멀티소스 협정(www. xfpmsa.org)은 폼팩터의 범위를 보드 상으로 최대 16개 모듈(XFP 모듈은 규격이 0.7″(1.77cm) x 3.1″(7.87cm) x 0.34″(0.86cm))이 가능하고 이전 세대보다 전력을 1/3 절약하는 것으로 규정했다.
이와 같이 성능 및 트랜시버 신뢰성을 향상시키기 위해서는 시스템이 출시된 제품 중 가장 기능 밀도가 높은 디바이스를 이용해야 한다. 이는 신호 경로 및 디지털 관리 시스템을 모두 포함한다. 여기서도 온도 및 레이저 전력에 대해 정확한 측정이 이루어져야 하며, 아날로그 출력 또한 바이어스 제어를 위해 유용하다. 이들 모두와 제어 및 통신을 위한 지정된 2선 인터페이스가 탑재된 고속 CPU는 매우 소형의 폼팩터로 통합할 수 있다.
그림 1. 광통신 디지털 관리
결론
시스템온칩의 경향은 임베디드 시스템 설계자들에게 더 나은 툴들을 제공하지만 이들이 현재 해결해야 할 과제들을 위해서는 일반적인 MCU 이상의 것을 필요로 하는데. 그것은 바로 갈수록 더 작아지는 폼팩터의 고성능 및 혼성신호 디바이스화이다. 기능 밀도는 임베디드 전자 산업의 미래이다.
우수한 아날로그 데이터 컨버터와 고속 CPU가 탑재된 절충 없는 컨트롤러를 통해 주변 세계를 탐지 및 조작을 시스템 내에 더 적은 수의 부품과 더 낮은 비용으로 수행할 수 있다.
더욱 더 작은 시스템 설계는 전자분야의 통합뿐만 아니라 기계, 전자 및 컴퓨팅 성능 등을 완전히 통합하여 시너지 효과를 내는 것으로 공학 분야의 새로운 혁신을 가속화 하고 있다.