인피니언은 수십 년에 걸쳐 축적하고 있는 하드웨어 기반 보안 전문성을 바탕으로 네트워크화된 자동차로 최대한 보안성이 뛰어난 데이터 통신을 달성토록 함으로써 완전 자동화된 운전 실현의 토대를 제공하고 있다. 네트워크화되고 부분적으로나마 자동화된 자동차를 실현하기 위해서는 지금보다 더 고도화된 시스템 차원의 사고가 요구된다. 인피니언의 요흔 하나벡 사장이 그 방안을 제시한다.

자동차 전자부품 시장이 갈수록 빠른 속도로 성장하고 있다. 전 세계 자동차 생산량은 2013년에 약 8,400만 대였으며, 빠르면 5년 내에 연간 1억 대를 돌파할 것으로 전망된다. 한편 반도체는 자동차로 이뤄지는 모든 혁신의 80%에서 기초 토대가 돼 자동차 산업의 발전을 견인하고 있다. 각국 정부가 CO2 배출을 더 줄이도록 요구함에 따라 인피니언을 비롯한 반도체 업체들이 제조하는 제품은 앞으로 자동차 전자장치와 관련한 다음과 같은 두 가지 경향에 있어 더욱 더 중요한 역할을 담당할 것이다.
첫째는 기존 동력 전송의 효율을 향상시키는 한편, 구동 트레인의 전기화를 가속화하고, 하이브리드 카와 전기차의 시장 보급을 늘림에 따라 배기가스 배출을 감소시키는 것이다. 둘째는 자동차의 안전성과 데이터 보안의 중요성이 높아지고, 이 안전성과 보안성의 융합이 가속화되는 것이다.
인피니언은 그동안 축적해온 하드웨어 기반 보안 전문성을 바탕으로 네트워크화된 자동차로 최대한 보안성이 뛰어난 데이터 통신을 달성하도록 함으로써 미래의 완전 자동화된 운전을 실현할 수 있는 토대를 제공하고 있다. 네트워크화되고 부분적으로나마 자동화된 자동차를 실현하기 위해서는 현재 하고 있는 것보다 더 고도화된 시스템 차원의 사고가 요구된다. 이것이 구체적으로 무엇을 말하는지 살펴보자.
인피니언은 더 효율적이고, 안전하며, 더욱 지능적인 자동차를 실현할 수 있도록 기여하고 있다. 인피니언은 지능적인 센서 및 마이크로컨트롤러 제품에서부터 전력 IC 및 전력 모듈에 이르는 매우 포괄적 유형의 고품질 반도체 포트폴리오를 구축하고 있다. 뿐만 아니라 이들 제품에 수반되는 제조기술을 축적하고 있다. 또 시스템에 대한 탁월한 이해를 바탕으로 고객이 가능한 시스템 파티셔닝에 대해 상의할 수 있는 역량 있는 파트너 역할을 수행하고 있다. 그럼으로써 고객과 협력을 통해 자동차 시스템 협력사(1차 협력사) 및 완성차 업체(OEM)가 필요로 하는 모든 요구사항을 충족하면서, 고객이 시장에서 자사를 차별화할 수 있는 솔루션을 제공하도록 돕는다. 인피니언은 고객의 제품 설계를 지원하는 것에서부터 고객이 향후 시스템 비용을 낮추는 한편, 성능을 향상시키는 혁신적 콘셉트를 개발하는 모든 단계에서 필요한 솔루션을 제공한다(그림 1).


배기가스 감소

반도체는 CO2 배출을 줄이는데 상당한 기여를 한다. 특히 인피니언의 제품은 구동 계통의 기능과 전력소모 부품의 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 노력은 스톱&스타트 기능으로부터 시작해 최종적으로는 순수 전기차 구동에 이르며, 이를 위해선 OEM과 반도체 회사 간 긴밀한 협력이 무엇보다도 중요하다. 전력 전송 관련, 바퀴 구동을 위해 배터리로부터 필요로 하는 모든 에너지는 전력반도체를 통해 제공된다. 전력반도체를 이용함으로써 에너지 흐름의 제어가 가능해진다.
전통적 동력 전달 시스템을 채택한 자동차는 오염 배기가스를 줄이기 위해 직접분사, 무게 감소, 스톱&스타트, 7/8/9속 트랜스미션, 에너지 및 열관리, 바람 저항과 마찰을 줄이는 등의 다양한 기술들을 활용한다. 혁신적인 반도체를 이용하면 단지 EPS(Electronic Power Steering) 시스템, 자동 스톱&스타트, 타이어 공기압 감지 시스템만으로도 CO2 배출량을 킬로미터 당 10그램(g/km) 이상 줄일 수 있다. 또 펌프, 팬, 컴프레서에서 추가적인 감축이 가능하다. 최근에는 평균적으로 5개의 이러한 보조 장치 중 2개가 벨트 드라이브를 이용해 구동됨으로써 상시 작동상태로 유지된다. 이들 장치를 전기화하면 필요할 때만 작동시킬 수 있다.
또 전기모터의 제어를 더욱 최적화할 수 있다. 자동차에 이용되고 있는 평균 28개 모터 중 7개는 온/오프 스위치로 제어된다. 지능적 전자장치를 이용하면 이의 출력 전력을 필요에 따라 적응시킬 수 있어 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 시스템들에 이용할 수 있도록 시장에는 마이크로컨트롤러, 센서, 브리지 드라이버, MOSFET, 전압 레귤레이터, 트랜시버 등을 비롯한 첨단 반도체 제품들이 구비돼 있다.
기술적으로 가장 까다로운 과제는 자동차에 이용하도록 견고하면서 경제성이 뛰어난 전기 구동 트레인을 개발하는 것이다. 현재로서는 이러한 전기차가 그렇게 많지 않으나, 전력 전송은 동작 전압이 110 V부터 700 V에 이르는 각기 다른 전압 등급에서부터 시작해서 각기 다른 인버터 토폴로지 및 통합 수준에 이르기까지 다양한 변형들이 있다. 인피니언은 OEM 및 1차 협력사들과 긴밀한 협력을 통해 전기 구동 트레인에 이용하도록 매우 경제성이 뛰어나면서 동시에 매우 효율적인 반도체 솔루션을 제공하고 있다.
2021년이 되면 유럽은 CO2 배출량을 현행 120 g/km에서 95 g/km로 낮출 것을 요구할 것이다. 따라서 향후에는 배기가스를 배출하지 않는 완전 전기차의 시대가 될 것이라고 해도 과언이 아니다. 인피니언은 이를 달성할 수 있도록 하기 위해 자동차 업체 및 관련 협력사들과 긴밀하게 협력하고 있다. 여기에 필요한 기술들은 이미 나와 있고, 인피니언은 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 니트라이드(GaN)를 비롯해 더욱 효율적인 기술들을 연구, 개발하고 있다.
BMW i3 모델은 첨단 반도체 기술을 이용해 어느 정도 수준이 가능한지를 잘 보여준다. 이 자동차는 인피니언의 IGBT 전력 모듈 HybridPACK™ 2와 32비트 TriCore™ 아키텍처를 채택한 AURIX™ 마이크로컨트롤러를 이용해 125킬로와트(Kw)의 최대 성능을 달성하고 있다. 또한 i3 모델은 에어백 제어와 LED 조명 모듈 등과 같은 편의성, 안전성 향상 장치들을 추가하고 있으면서도 에너지 소모를 낮추도록 함으로써 출력 전력을 되도록 가장 중요한 일, 다시 말해 운전에 쓸 수 있도록 하고 있다.


안전성과 보안성

2011년 ISO 26262 표준이 도입되면서 자동차의 안전성은 기능 안전성(Functional Safety)으로 재정의됐다. ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D는 가장 높은 수준의 품질 레벨로 이를 달성하기 위해 시스템 개발자들에게 매우 까다로운 과제가 제기되고 있다. ASIL은 제동, 에어백, 스티어링 시스템뿐만 아니라 트랜스미션, 모터와 배터리 관리, 운전자 지원 시스템 등 다수 시스템에 적용되고 충족하도록 요구하고 있다. 향후의 운전자 지원 시스템은 예측 운전이 가능할 것으로 예상되는데, 그러기 위해서는 갈수록 많은 양의 데이터가 요구될 것이다. 이러한 다량의 데이터를 자동차 내 여러 곳에 안전하게 분배해야만 한다. 또 미래에는 이러한 데이터를 다른 자동차로도 전송해야 할 것이다.
안전성과 보안성을 융합하는 것이 시장의 뚜렷한 경향이 되고 있다. 자동차에서 반도체 사용이 늘어나는 만큼 통신 시스템의 대역폭 또한 꾸준히 높아지고 있다. 특히 네트워크화된 자동차를 위한 인피니언을 비롯한 반도체 회사들의 무엇보다 중요한 과제는 자동차의 안전성 관련 애플리케이션이 어떠한 손상을 입거나 방해받지 않고 작동할 수 있도록 하는 것이다. 또 네트워크화 된 자동차는 해킹 공격을 방어해야 한다. 따라서 통신 경로를 보호하기 위한 솔루션도 필요하다.
이러한 요구를 충족하도록 AURIX 마이크로컨트롤러 제품군은 미래의 구동 트레인 요구를 충족할 뿐만 아니라 안전성 애플리케이션에 이용하기 적합하도록 설계됐다(그림 2a 및 2b). AURIX 아키텍처는 최대 3개의 독립적인 32비트 TriCore 프로세서 코어와 추가적인 암호화 프로세서 코어를 포함한다. 이에 따라 자동차 애플리케이션에 대한 가장 높은 수준의 보안 표준을 충족시킨다. 뿐만 아니라, 현재 등장해 있는 가장 강력한 제품에 비해 프로세싱 성능이 두 배나 높다. 보안성과 안전성을 결합하고 있을 뿐만 아니라, TriCore의 성능과 높은 실시간 성능을 제공함으로써 AURIX 제품군은 모터 컨트롤러, 트랜스미션 제어, 전기차 및 하이브리드 카 제어, 섀시 시스템, 제동 시스템, 전동 파워 스티어링, 에어백, 운전자 지원 시스템 등의 다양한 자동차 애플리케이션에 이상적인 플랫폼을 제공한다.

제품에서 시스템으로

인피니언은 자동차 시스템에 대한 전문적 이해와 반도체 기술력을 결합함으로써 각각의 애플리케이션에 대해 더욱 최적화되고 대안적인 솔루션을 가능토록 한다. 또한 기능상의 이점을 제공하는 제품들을 제공하고 있다. 인피니언은 고객들에게 명확한 부가가치를 제공하고자 한다.
“제품에서 시스템으로(from product to system)”란, 다시 말해 제품 차원에서 사고하던 것에서 시스템 차원에서 사고하는 것으로의 전환을 의미한다. 주행거리계 조작 방지와 레이더 기반 자동 거리측정의 두 가지 애플리케이션 예를 통해서 이러한 전환을 살펴보자.


마일리지 조작을 방지하기 위해 쓸 수 있는 한 가지 흥미로운 솔루션은 기존에 다른 자동차 제어 및 모니터링 기능에 이용되고 있는 전자장치를 활용하는 것이다. 무엇보다 이렇게 하면 추가적인 소프트웨어 기능을 제공하기 위해 요구되는 추가 비용을 낮출 수 있다. 필요한 보호 메커니즘을 구현하기 위해서는 마이크로컨트롤러의 필수 요소로서 Secure Hardware Extension(SHE) 및 2세대 Hardware Security Module(HSM)이 포함돼야 한다(그림 3). 인피니언은 다양한 유형의 TriCore 제품으로 SHE 또는 HSM을 구현하고 있다. SHE(AUDO MAX 제품군) 또는 HSM(AURIX 제품군)은 OEM 업체들에서 엔진 임모빌라이저, 도난 방지, 엔진 무단 변경 방지, 부품 및 IP 보호 등의 애플리케이션에 이용하기 위해 필요로 한다. 표준형 애플리케이션 프로세서로 이들 모듈을 통합함으로써 추가적인 하드웨어 요소를 필요로 하지 않는다.


SHE 또는 HSM 기능을 통합하고 더욱 안전하게 내부 통신이 가능하도록 하는 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있게 되며 ‘보안’ 마일리지 디스플레이 같은 애플리케이션이 가능하게 됐다. 이와 같이 기능적 안전성과 데이터 보안성을 긴밀하게 결합함으로써 더 많은 추가적 안전 기능들을 구현할 수 있다.
2020년에 이르면 정보 보안을 하지 않고서는 신차를 내놓을 수 없을 것이다. 인포테인먼트, 응급호출 시스템, V2V 통신 등의 애플리케이션에서는 전자제어 유닛에 이용되는 마이크로컨트롤러에 더해 자동차와 외부 세계 간 안전하게 통신이 가능하도록 하기 위한 추가적인 이산적 보안 마이크로컨트롤러가 필요하다. 이를 위해 인피니언은 SIM 기능을 지원하면서 AEC-Q100 자동차 품질 표준을 충족하는 보안 마이크로컨트롤러 제품을 제공하고 있다.
거리 측정 애플리케이션을 위해 인피니언은 77 GHz 레이더 송신/수신 제품을 제공하고 있다. 이들 제품은 실리콘-게르마늄(SiGe) 기술을 이용해 제조하고 고도로 콤팩트한 고주파 가능 eWLB(embedded Wafer Level Ball Grid Array) 패키지를 채택함으로써 시스템 비용을 낮출 수 있도록 한다. AURIX 32비트 멀티코어 마이크로컨트롤러 제품군 중 ADAS 제품 버전은 레이더 애플리케이션에 이용하기 위한 특수 기능들을 제공한다. 그럼으로써 대부분의 경우에 추가적인 DSP IC, 외부적 SRAM, ADC IC를 필요로 하지 않으므로 훨씬 더 낮은 비용으로 근거리 레이더 시스템을 구현할 수 있게 한다(그림 4). 

AEM_Automotive Electronics Magazine