산업용 전자기기는 세계에서 가장 안정적으로 성장하고 있는 시장 중 하나이며, 유럽 시장이 수십년동안 트렌드를 결정지어 왔다. 신흥시장의 저가격 공급자들과 경쟁하여 생존하기 위해 제품과 개발 비용 지위의 혁신 및 지속적인 향상이 중요한 역할을 했다. 마이크로컨트롤러와 같은 주요 컴포넌트의 제조업체들은 최선의 방법으로 이러한 요인들을 지원하기 위해 스스로를 독려해야 했다.
산업용 애플리케이션을 위한 마이크로컨트롤러
글│요흔 하나벡(Jochen Hanebeck)
, 선임부사장 겸 사업본부장
, 인피니언 테크놀로지스
마이크로컨트롤러 자체는 지난 20년 동안 어디에나 존재해 왔다. WSTS에 따르면, 2007년에 100억 개의 마이크로컨트롤러가 판매되었다. 1991년 이후 연평균성장률은 대략 12%인 것으로 조사되었다(그림 1참조). 년별 컴퓨팅 성능 비교 역시 매우 인상적이다.
그림 1. WSTS에 따르면, 대략 100억 개의 마이크로컨트롤러가 2001년 공급되었다. 1991년 이후 마이크로컨트롤러의 판매 수량은 연평균 12%씩 증가했다.
우주왕복선 내의 모든 비행 제어 시스템이 약 2.5MIPS의 컴퓨팅 성능을 가지고 있는 반면 일반적인 세탁기의 모터 제어용 마이크로컨트롤러가 약 5MIPS의 컴퓨팅 성능을 제공한다. 이로부터 다음 3가지 결론을 도출할 수 있다.
첫째, 마이크로컨트롤러 비용의 지속적인 절감으로 비용에 민감한 애플리케이션에서도 사용이 가능해졌다.
둘째, 코어 자체만의 컴퓨팅 성능은 분명히 시스템 내의 프로세서 또는 마이크로컨트롤러의 성능을 측정하는 기준으로서 부적절하다 - 대신에 시스템 아키텍처와 온칩 페리페럴을 반드시 고려해야 한다.
셋째, 니치 마켓을 포함한 다른 애플리케이션에 대한 접근성을 확보하기 위해서 마이크로컨트롤러 고객의 개발 작업을 반드시 감소시킬 수 있어야 한다.
이러한 측면들은 차량, 소비가전, 데이터 프로세싱 분야의 고객과 달리 대개의 경우 매우 작은 프로젝트 팀과 프로젝트 예산으로 연구개발을 수행해야 하는 산업 분야의 고객들에 있어서 특히 중요하다. 한마디로 마이크로컨트롤러에 대한 이러한 요건들을 다음과 같이 말할 수 있다: 보다 낮은 가격, 보다 우수한 성능, 보다 간단한 개발(그림 2참조).
그림 2. 마이크로컨트롤러 제조업체들은 지속적인 제품 향상과 강력한 기술에 대한 간편한 접근을 통해 고도로 전문화된 중소기업들과 임베디드 소프트웨어 프로젝트의 혁신을 지원한다.
보다 낮은 가격: 시스템 레벨의 관점에서
마이크로컨트롤러 각각의 새로운 세대들은 가격대 성능비를 대폭 향상시킨다. 하지만, 이러한 절감 요소들을 관찰하기 위해서 각기 다른 마이크로컨트롤러의 성능 데이터를 상호 비교하는 것뿐만 아니라 마이크로컨트롤러가 제어하는 시스템의 성능과 비용을 비교하는 것 역시 중요하다.
예를 들어, 결과적으로 다른 외부 컴포넌트들을 제거할 수 있다면 고가의 마이크로컨트롤러를 사용하는 것이 타당할 수 있다. 시스템 비용을 절감하기 위해서 설계된 개선사항들은 인피니언의 XE166 16bit 리얼타임 신호 컨트롤러에서 구현된다. 이것은 3V에서 5V까지의 공급전압만을 필요로 하는 임베디드 전압 레귤레이터, 레벨 시프터(level shifter) 없이 동시에 3V 및 5V 신호를 처리할 수 있도록 해주는 패드(pad)에서 선택 가능한 2개의 전력 도메인, 많은 애플리케이션을 위한 외부 크리스털 오실레이터 없이 동작할 수 있는 내부 오실레이터, 외부 EEPROM을 제거할 수 있는 EEPROM 에뮬레이션 기능 등 그 외 많은 것들을 포함하고 있다.
칩에 통합된 기능들은 외부 컴포넌트를 줄여주고, 시스템 내에서 1~2 유로 사이의 비용을 절감시켜준다. 추가적인 통합에 대한 이러한 경향이 미래에도 지속될 것이다. 컴포넌트의 관점에서가 아니라 시스템의 관점에서 사용자들이 가장 매력적인 가격의 마이크로컨트롤러를 선택하는 것이 점점 더 어려워 지고 있다.
보다 우수한 성능: 성능의 다양한 측면
마이크로컨트롤러 성능을 측정할 때 컴퓨팅 성능을 주요하게 고려한다면, 요건들은 하이-엔드 서보 드라이브 등과 같이 상대적으로 규모가 작은 시장 부분에 의해 결정 되어진다. 인피니언의 Tri-Core 제품군은 300MIPS를 능가하는 인상적인 컴퓨팅 성능, MB 범위의 대형 메모리, 통합 DSP 유닛 등을 통합하여 이러한 부문의 요건을 충족한다.
하지만, 산업용 시장의 대부분은 최대 가능 컴퓨팅 성능이 아니라 그 대신에 탁월한 실시간 성능을 낮은 유닛 비용으로 요구한다. 예를 들어, 요건이 제한 값과의 일치를 위해 매 10μs의 주기로 아날로그 신호를 확인해야 하는 것일 수 있다. CPU를 통해 확인을 수행하는 것은 태스크들의 주파수 스위칭으로 인해 컴퓨팅 성능의 20~30%를 빠르게 소모하게 될 것이다. 반대로 통합 ADC(analog-to-digital converter)가 분석을 자체적으로 수행하는 솔루션이 있으며, 제한 값을 벗어났을 경우에만 CPU의 컴퓨팅 성능이 필요로 하게 된다. 인피니언은 자사의 모든 8bit, 16bit, 32bit 컨트롤러 제품군에 대해 이러한 지능형 페리페럴들을 제공하고 있다. 컴퓨팅 성능과 관련해 보다 강력한 성능을 제공하지만 일반적으로 가격이 보다 높은 마이크로컨트롤러를 구매하는 데 있어서 이들 지능형 페리페럴은 보다 우수한 대안을 제공한다.
보안성 민감 애플리케이션들은 또 다른 예를 제공한다. 향후에는 통합 솔루션, 즉 멀티코어 솔루션이 2개 이상의 리던던트(redundant) 마이크로컨트롤러로 구성된 시스템을 대체하게 될 것이다. 보다 우수한 신뢰성을 향한 명확한 경로는 2개의 동일한 코어를 단일 칩에 통합하고, 2개의 코어 모두에서 동일한 코드를 동작시킨 다음 두 코어로의 결과를 비교하는 것이다. 이러한 소위 대칭 듀얼-코어 솔루션은 첫 눈에는 간단해 보이지만 단점들을 가지고 있다. 예를 들어 2개의 코어 내에서 발생한 코어, 컴파일러, 소프트웨어 등의 에러는 동일한 결과를 야기할 수 있기 때문에 발견할 수가 없다. 이와 같은 에러들은 인피니언의 TriCore 아키텍처를 통해 구현된 비동기식 개념, 즉, 동일한 칩에 통합된 2개의 다른 코어를 선택함으로써 시스템적으로 방지할 수 있다. 이러한 경우에 코어, 컴파일러, 소프트웨어 에러가 2개의 코어에 대해 각각 달라진다.
마이크로컨트롤러 아키텍처 성능의 또 다른 측면은 신뢰성이다. 연간 20,000개 이상의 물량을 가진 일반적인 산업용 프로젝트에 있어서 마이크로컨트롤러가 1 또는 100dppm(defect parts per million)의 품질 수준을 제공하는 경우, 이러한 수치는 무시할 수 있는 것처럼 보일지 모른다. 하지만, 특히 중요한 원재료 공급원에 인접한 매우 멀리 떨어진 지역에서 건설된 수백만 달러 가치의 산업용 공장들을 고려해보면, 교체가 상대적으로 어려운 마이크로컨트롤러가 대개의 경우 중심 컴포넌트이기 때문에 높은 수준의 품질을 가진 컴포넌트가 매우 중요하다.
산업 및 차량 부문에 상당히 집중하고 있는 인피니언과 같은 공급업체들이 이와 관련하여 선도적인 방법을 제시하고 있다. 인피니언은 ‘제로 디펙트(zero defects)’ 문화를 통해 이러한 목표를 추구하고 있다. 예를 들어, 인피니언은 2007년에 마이크로컨트롤러의 고장율을 1dppm 이하로 낮추었다.
제시한 예제들은 마이크로컨트롤러 성능과 관련하여 고려될 수 있고 고려되어야 하는 주제들이 매우 다양하다는 것을 보여준다. 특히, 아키텍처의 최적화, 페리페럴, 신뢰성 역시 산업용 애플리케이션에서 있어서 점점 더 중요한 요소로 부각되고 있다.
보다 간단한 개발
유럽의 산업용 시장은 매우 전문화된 중소기업들과 임베디드 소프트웨어 프로젝트들에 의해 특징지어진다. 혁신이 전략의 핵심 요소이다. 마이크로컨트롤러 제조업체들은 지속적인 제품 개선과 강력한 기술에 대한 간편한 접근, 이 2개의 주요 측정 기준을 통해서 혁신성을 지원한다.
기존 제품군들에 대한 지속적인 개선을 통해 고객들은 개발 팀이 새로운 제품군에 친숙해지는 것 대신에 핵심 경쟁력(예를 들어, 시스템 통합)에 집중할 수 있도록 지원한다(그림 3참조). 애플리케이션-지정 온칩 페리페럴의 지속적인 개발이 예를 들어 표준화된 코어의 사용보다 한층 더 중요성을 가진다. 오늘날, C와 컴파일러와 같은 고차원의 프로그래밍 언어의 사용으로 인해 사용자들이 실제로 다양한 코어들을 쉽게 사용하고 있다. 반면, 애플리케이션별 최적화를 통해 반도체 제조업체들의 주요한 차별화를 가능하게 하는 페리페럴 유닛을 최상으로 사용하기 위해서는 상당한 노하우가 요구된다.
그림 3. 인피니언의 XC878 8bit 마이크로컨트롤러는 PFC(Power Factor Correction)와 FOC(Field-Oriented Control) 모두를 지원한다. XC878 MCU는 공기조절장치, 펌프, 팬 등과 같은 비용에 민감한 애플리케이션에서뿐만 아니라 산업 및 차량용 애플리케이션 내의 모터와 엔진의 토크, 구동 노이즈 동작, 에너지 효율을 향상시킨다.
예를 들어 심지어 8bit 아키텍처에서 16bit 아키텍처로 이동하는 경우에도 페리페럴 유닛이 변경되지 않는다면 개발 작업이 상당히 간단해진다. 인피니언은 예를 들어 전자모터의 제어를 위한 PWM 생성용 8bit, 16bit, 32bit 마이크로컨트롤러 제품군에 동일한 페리페럴 유닛을 사용함으로써 이러한 철학을 따르고 있다.
간단한 8bit 마이크로컨트롤러 상에서 한층 복잡한 태스크를 구현하기 위해서는 온칩 페리페럴 유닛이 지속적으로 확장되어야 한다. 이러한 방법의 경우, 그 복잡성이 본질적으로 증가한다. 애플리케이션 키트는 이와 같은 마이크로컨트롤러의 최적화된 사용을 위한 평가 시간을 줄여주는 것에 그 가치가 있다.
반도체 제조업체는 개발자들에게 시스템을 즉시 평가하고 통합할 수 있도록 해주는 개발 환경을 제공한다(그림 4참조). 예를 들어, 인피니언은 8bit 마이크로컨트롤러 상에서 구현된 현장에서 검증된 제어 회로를 통해 3상 모터의 제어를 위한 애플리케이션 키트를 제공하고 있다. 키트는 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 통한 디버깅 접근성을 제공하는 마이크로컨트롤러 PCB와 함께 전력단(power stage), 현장 지향적인 제어 및 모니터링을 위한 코드, 파라미터 소프트웨어 등을 포함하고 있다. 개발자들이 기존 소프트웨어를 즉시 조정 및 확장할 수 있도록 무료 컴파일러와 디버거 역시 제공된다. 결과적으로 소규모 개발 팀이 복잡하고 강력한 알고리즘을 하드웨어로 구현하는 경우에도 낮은 비용으로 쉽게 접근할 수 있다.
그림 4. 포괄적인 성능 테스트와 평가를 위해 USCALE 개발 키트는 XC866, XC886, XC888 등 3개의 8bit 마이크로컨트롤러의 모든 주요한 기능과 하드웨어 신호에 대해 접근할 수 있도록 해준다.
산업용 시장과 관련된 마이크로컨트롤러 제조업체들이 1차적으로 집중해야 하는 것은 보다 우수한 수준의 고객들이 접근할 수 있는 보다 복잡한 제품들을 개발하는 것이다. 이미 시작되었다.