거의 모든 군용 및 항공우주 애플리케이션에 있어서 작동 효율 및 물류를 향상시키고, 임무 수명을 연장하고, 전체적인 시스템 유지비용을 낮추기 위해서 크기, 무게, 전력(SWaP: size, weight, and power)을 관리하고 줄여야 하는 요구가 그 어느 때보다 높아졌다. 시스템 업그레이드는 기능을 추가하고 성능을 향상시킬 것을 요구하므로 SWaP에 대해 부담을 가중시킨다. 뿐만 아니라 시스템이 소형화되고, 경량화되고, 가격이 낮아짐에 따라서 시장이 확대되고 있다.
65nm FPGA 및 스트럭처드 ASIC을 이용한 군용 플랫폼의 SWaP 요구 충족 [1]
글│John Ector, Sr., Altera의 군용 및 항공우주 사업부 마케팅 책임자
Ryan Kenny, Altera의 군용 및 항공우주 사업부 테크니컬 마케팅 책임자
SWaP를 낮추기 위해서는 여러 과제들을 해결해야 한다. 보안 통신이나 레이더 애플리케이션 같은 다수의 기존 플랫폼은 대형의 배터리 또는 전원장치뿐만 아니라 히트 싱크나 팬 같은 냉각 시스템을 이용할 수 있다. 아무리 대형 배터리를 이용한다 하더라도 이들의 일부 시스템은 지속가능한 임무 수명이 불과 수 시간에 불과함으로써 실제로는 구축할 수 없는 연구소 장비로 전락할 수 있다. 또 다른 많은 애플리케이션에서는 크기, 무게, 전력, 또는 이 세 가지 모두의 예산이 고정적일 수 있다. 그러한 예로서 무선 또는 항공전자 시스템이 기존에 존재하는 새시 크기를 따라야 하는 항공기 개조나 기존 시스템 디자인 한계 내에서 성능과 정확성을 향상시켜야 하는 레이더 시스템을 들 수 있다. 마지막으로는 물류와 유지보수가 해결해야 할 또 다른 과제이다. 이 글에서는 군용 플랫폼의 SWaP 요인에 대해 살펴보고, 특정한 애플리케이션에 대해 설명하고, 오늘날의 첨단 FPGA 및 스트럭처드 ASIC을 이용해서 어떻게 SWaP 문제들을 효율적으로 해결할 수 있을지 논의한다.
군용 시스템의 SWaP의 감소
그림 1에서 보듯이 애플리케이션의 요구에 따라서 SWaP를 낮추어야 한다. 많은 애플리케이션은 기능성과 성능을 높이면서 기존의 SWaP 예산을 낮추거나 아니면 최소한 유지하도록 요구하고 있다. 예를 들어서 항공기의 기존의 새시 크기나 전력 버스가 업그레이드 시에 한계에 도달할 수 있다.
그림 1. 군용 애플리케이션의 SWaP 스펙트럼
이 스펙트럼의 한쪽 편에서는 일부 애플리케이션들이 가능한 가장 작은 크기, 무게, 전력, 또는 이 셋 모두를 필요로 한다. 그러한 예로서 배터리로 현장에서 수개월 동안 작동하는 센서나 배터리 동작이 임무 수명에 영향을 미치는 휴대 무선 장비 등을 들 수 있다. 이러한 애플리케이션에서는 되도록 긴 현장 수명으로 가장 소형의 가장 경량의 제품을 제공하는 것이 목표이다.
SWaP 상관관계
성능과 기능을 향상시키는 것이 명백하게 전력에 영향을 미치며, 이는 다시 전원장치 유형, 열 관리 요구, 새시 크기, 무게에 영향을 미친다. 그러므로 최종 시스템에서 가장 소형의 크기 및 무게를 달성하기 위해서는 설계 작업의 조기 단계에 전력을 감소시키는 것에 역점을 두어야 한다. SWaP 효율적 플랫폼은 정지 전력 및 동적 전력 예산, 성능 목표, 통합 요구를 충족하는 적합한 실리콘 솔루션을 목표로 해야 한다. 하지만 적합한 시스템 솔루션을 목표로 하기 위해서는 먼저 최종 시스템의 요구를 철저하게 이해하는 것이 필요하다.
보안 통신의 SWaP 요구 이해
보안 통신에 있어서는 모바일 무선이나 센서 같은 무선 애플리케이션과 인라인 네트워크 암호화기(INE)나 인라인 매체 암호화기(IME) 같은 유선 애플리케이션이 요구가 다르다. 무선 애플리케이션을 위해서는 더 긴 임무 수명과 더 소형의 더 경량의 배터리 및 무선 장치가 중요하다. 뿐만 아니라 SRW(soldier radio waveform) 같은 새로운 파형을 위해서는 더 높은 통합이 필요하다. 유선 애플리케이션은 동일한 폼팩터로 또는 어떠한 경우에는 IME 같은 더 소형의 폼팩터로 더 많은 기능성, 더 높은 성능, 더 신속한 암호화를 구현할 것을 요구한다.
레이더, 센서, 전자전 플랫폼의 SWaP 요구 이해
레이더 시스템에서 SWaP에 대해 설계하는 것은 갈수록 까다로운 작업이 되고 있다. 시스템 프론트엔드로 갈수록 더 많은 프로세싱이 투입됨으로써 프론트엔드 카드가 갈수록 더 정교해지고 훨씬 더 향상되고 있다. 향상된 디지털 빔형성은 향상된 프로세싱 성능을 필요로 하며, 이는 제한된 공간으로 전력과 열을 증가시킴으로써 열 관리를 필요로 한다. 새로운 포스트 프로세싱 솔루션이 더 소형의 공간으로 더 많은 전력을 소비하도록 하고 새로운 VPX 카드는 냉각의 중요성을 높임으로써 새로운 시스템 설계에 있어서 SWaP가 중요한 요소가 되고 있다.
모든 기술적 진보는 더 광범위하고 더 깊이 있는 정보에 대한 전투기의 요구를 증가시킨다. 센서는 더 높은 유연성, 식별 능력, 거리, 신뢰성을 요구하며, 레이더와 전자광학 센서는 더 정교한 전자장치 및 신호 프로세싱 알고리즘을 통합함으로써 열 발생과 냉각과 같이 SWaP에 있어서 해결 과제를 야기한다. 디자이너들은 각각의 설계 검토 단계에서 전력과 성능 사이에 어려운 선택을 해야 한다.
보안 통신의 SWaP 요구: 사례 분석
대다수의 무선 및 유선 통신 시스템은 양방향 또는 전이중 방식이므로 전송과 수신을 위한 프로세싱 기능을 필요로 한다. 예를 들어서 수신 경로는 매체(RF, 구리선, 광섬유 등)로부터의 신호를 프로세싱하고 이를 정보로 변환한다. 역으로 정보를 전송하기 위한 프로세싱 기능은 패킷 프로세싱, 암호화 프로세싱, 파형 및 유선 인터페이스 프로세싱을 포함한다.
패킷 프로세싱은 음성, 비디오, 데이터를 패킷으로 변환하고, 패킷 프로토콜 사이를 브리징하고, 소스에서 목적지로 패킷을 루팅 및 스위칭하는 것을 포함하는데, 이들 모든 단계가 안전하지 않다. 암호화 프로세싱은 비밀 및 공개 알고리즘 기능의 중복 암호화 엔진을 이용해 비트를 암호화하고, 암호화 비트스트림을 비교해서 안전하게 암호화가 이루어졌는지 확인하고, 키를 생성하고 관리하는 것으로 이루어진다. 파형(또는 무선 RF) 및 유선 인터페이스 프로세싱은 암호화된 패킷을 전송을 위한 비트스트림으로 변환하고 이 비트를 RF(비트를 심볼로 변환하고, 복조를 적용하고, 심볼을 중간 주파수(IF) 및 RF로 상향변환)나 전기 또는 광학(비트를 심볼로 변환하고, 복조를 적용하고, 심볼을 구리선 또는 광섬유 매체로 변환)을 통해서 신호로 변환한다.
그림 2에서 보듯이 보안 통신 애플리케이션은 라우터와 스위치의 네트워크 암호화 카드에서부터 센서 및 휴대 무선 장비의 소형 폼팩터 모뎀에 이르기까지 다양하다.
그림 2. 보안 통신 애플리케이션 스펙트럼
Stratix 및 Cyclone FPGA, HardCopy 스트럭처드 ASIC, Quartus II 개발 소프트웨어를 이용함으로써 군용 시스템 디자이너들은 자신의 시스템의 전력과 성능을 최적화할 수 있다. 주요 애플리케이션과 FPGA 용도는 다음과 같다.
- 유선 암호화기 블레이드: Red/Black 분리에 있어서 레드 섹션에서는 패킷 프로세싱을 위해 기가비트 성능이 요구되며 반면에 암호화 섹션은 기가비트 암호화 엔진을 요구한다. 이러한 요구는 오늘날의 상용 통신 구현과 유사한 것이다.
- AMF(airbone maritime fixed) SDR (소프트웨어 정의 무선)은 레드 섹션에 있어서는 패킷 프로세싱을 위해 기가비트 성능의 다중의 채널을 필요로 하며 암호화 섹션에서는 기가비트 암호화 엔진을 필요로 한다. 이러한 요구는 오늘날의 상용 통신 구현과 유사한 것이다. 블랙 섹션의 다중 프로토콜의 파형 프로세싱은 고성능 FPGA를 이용하는 것이 적합하다.
- GMR(ground mobile radios) SDR은 100Mb 패킷 프로세싱 성능의 다중 채널을 필요로 하며 블랙 섹션의 디지털 신호 프로세싱(DSP) 파형 프로세싱 임무를 위해서 여분의 FPGA 대역폭을 가능하게 한다.
- HMS(handheld, manpack, and small form factor) SDR은 배터리 작동이므로 저전력 무선 대기 모드(초저 정지 전력)과 소형 폼팩터(낮은 동적 동작 전력)을 필요로 한다.
- PCMCIA 인라인 매체 암호화기(IME) 폼팩터는 100:1 기가비트 암호화 성능으로 2W 전력 및 2인치x3인치 크기 예산을 적용한다.
Altera 솔루션을 이용한 SWaP, 전반적 생산성, 시스템 가치 향상
높은 SWaP 민감성 요구의 보안 통신 애플리케이션은 HMS, GMR, PCMCIA IME이다. 표 1은 이들 애플리케이션과 그에 상응하는 Altera 저전력 디바이스 및 생산성 툴에 대한 요약이다.
표 1. 보안 통신의 SWaP 민감성 애플리케이션
HMS 폼팩터 시스템
HMS, GMR, PCMCIA IME가 SWaP에 가장 민감한 요구를 적용한다. Altera의 Cyclone III 및 Stratix III FPGA가 믿을 수 있는 디자인과 효율적인 SWaP 최적화 군용 생산 플랫폼 구현으로 이러한 요구들을 충족한다. 군인들은 배터리가 아니라 탄약과 무기를 더 많이 휴대해야 하므로 HMS 배터리 작동 시스템은 SWaP 애플리케이션으로서 가장 요구가 까다롭다. 이와 같은 요구들은 다음과 같다.
- 심각한 크기 및 무게 제한 - 가장 소형의 구현은 10입방인치 미만이다.
- 전력 소비는 임무 수명에 직접적으로 영향을 미친다. - 통상적인 군용 배터리를 이용해서 오늘날의 프로그래머블 전자 장비는 4W 이상을 소비하며 전체적인 무선 시스템의 임무 수명은 6시간에 불과하다.
- 디지털 전자 프로세싱이 전력 예산의 상당 부분을 차지한다. - 파형 대역폭과 복잡성이 높아짐으로써 디지털 프로세싱이 무선 장비 내에서 더 많은 기능과 전력을 소비한다.
- 디지털 로직 구현 절충 - 디지털 프로세싱을 위한 선택폭은 CPU에서부터 ASIC에 이르기까지 넓다. 일반적으로 DSP 디바이스와 FPGA가 전력 절충으로 가장 우수한 조합의 기능성과 유연성을 제공하고 있다.
- 정지 전력 대 동적 전력 절충 - 무선 모드의 듀티 사이클 때문에 무선 사용에 있어서 대기 동작이 일반적으로 10:1의 비율로 압도적이다. 그러므로 대기 동작 때 디지털 장치의 누설 전력을 최소화하는 것이 필수적이다.
- 전력을 절약하기 위한 전압 및 주파수 스케일링 절충 - 신중한 시스템 설계를 통해서 대기 상태일 때 전압 및 주파수를 축소할 수 있으므로 제한적인 기능만 대기 모드로 남겨둘 수 있다.
- 전력에 대한 소프트웨어 및 하드웨어 파티셔닝 - 전력 사용을 효과적으로 최소화하기 위해서는 소프트웨어 디자이너들이 무선 동작 모드를 활용하고 하드웨어 자원을 지능적으로 관리해야 한다.
Altera의 Cyclone III FPGA는 이전 구현에 비해서 임무 수명을 4배로 증가시키고 동일한 전력 엔벌로프로 더 많은 트리플 플레이(음성, 비디오, 데이터) 기능과 소프트웨어 통신 아키텍처(SCA) 기능을 추가함으로써 HMS 배터리 사용 시스템의 전력을 절약한다. 뿐만 아니라 이전 구현보다 훨씬 더 소형의 배터리, 냉각, 안정화 부품을 이용해서 크기와 무게를 감소시킨다. 매우 소형의 구현은 필요한 부품의 수를 제한해야 하므로 이제는 전체 파형을 단일 Cyclone III FPGA로 통합해서 초당 메가비트 속도로 IF, 변조, 비트 레벨 기능들을 처리할 수 있다.
이들 무선 플랫폼의 전력 요구를 낮추어서 임수 수명을 높일 수 있을 뿐만 아니라 이제는 크기와 무게를 대폭적으로 줄이는 것 또한 가능하다. 군용 휴대 장비에 주로 이용되는 배터리는 BA5590 배터리이다(그림 3참조). 만약 BA5800 배터리로 그러한 전력 요구를 충족할 수 있다면 크기를 92% 줄이고 무게를 78% 줄일 수 있을 것이다(표 2참조).
그림 3. 더 소형의 배터리로 크기 및 무게 감소
표 2. 군용 배터리의 비교
이러한 감소는 동작 효율이나 물류 향상 같은 그 밖의 부수적인 이점을 가져온다. 개별 병사의 무선 장비를 위한 배터리가 무게가 2파운드(906그램)가 넘으면 배터리 보관 및 운송 비용이 급속하게 높아진다. 그러므로 전력을 낮춤으로써 물류 관리의 측면에서 유지비용을 현저히 낮출 수 있다.