FPGA는 최종 시스템의 차별화와 현장 업그레이드 가능성을 보장한다. 새로운 툴들은 더 넓은 범위의 디자이너들이 FPGA를 채택해 신속하게 프로토타입을 작성하고 자동차 시스템을 구현할 수 있도록 돕는다.

진화의 방향

오늘날 다수의 자동차 모델에서는 스마트폰과 같은 디지털 가전이나 클라우드와의 접속 기능이 빠르게 일반화되고 있다. 앞으로 이러한 모델의 숫자는 훨씬 더 늘어날 것이다. 자동차의 접속 기능은 빅데이터(big data)와 실시간 정보에 접근하는 것을 가능케 해 정보의 요청과 제안을 더욱 향상시킬 수 있다.

단순한 응답으로서의 정보 제공이 아닌 정보의 제공을 개인화하는 것 역시 또 다른 중요한 경향으로 떠오르고 있다. 운전자들은 자신의 기호에 따라 표시형식, 선택사항, 기타 HMI(Human-Machine Interface) 변수를 선택함으로써 맞춤화된 “자신만의” 인터페이스를 구축할 수 있게 됐다.

자동차는 상황에 적응하는 능력이 갈수록 발전하고 있으며 이전의 경험과 클라우드 데이터를 기반으로 예측 정보를 제시할 수 있게 됐다. 이러한 기능들이 사용자 경험에 초점을 맞춘 것이라고 한다면, 안전성에 대한 요구 또한 갈수록 높아지고 있다. 전방 시각 기능과 여타 센서 정보를 융합시킨 것과 같은 인명구조 애플리케이션은 충돌 경고, 차선 유지, 긴급 제동 시스템 등을 통해 견고하면서도 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있다.
 
카메라를 이용해 서라운드 뷰 정보를 수집함으로써 운전자에게 맞은편 차량으로 인한 어떠한 잠재적인 위험성이나 사각지대에서 일어나는 상황에 대해 알려줄 수 있다. 이러한 기능 중에서 어떤 것들은 안전성을 높일 뿐만 아니라, 예를 들어 사이드미러로 공기 저항을 줄임으로써 에너지 절감에도 기여한다.

자동차는 여전히 A 지점에서 B 지점으로 우리를 이동시켜 주기 위한 수단이지만 동시에 갈수록 더 풍부하고, 즐겁고, 생산적인 경험을 할 수 있도록 해준다.

과제의 해결

자동차에는 더 많은 전자부품이 사용되고 있으며 시스템 측면에서 많은 과제를 제기하고 있다. 기존에는 기능 하나에 하나의 시스템 또는 전자제어장치(ECU)가 사용됐다. 하지만 앞으로는 지능화 관점에서나 비용 측면, 더 나아가 무게 측면에서까지 네트워크를 통한 시스템 통합이나 데이터 공유가 중요해질 것이다.

FPGA(Field Programmable Gate Array)는 빌딩 블록 ASSP나 고정 기능 ASIC을 이용할 경우와 비교해 이러한 시스템을 설계하는 디자이너들을 위해 유연성 측면에서 뛰어난 해결책을 제공한다. FPGA는 디자이너들이 자신의 특정한 필요에 따라 CPU와 패브릭을 이용한 하드웨어 가속화로 시스템을 분할(partitioning) 할 수 있는 유연성을 제공한다.

패브릭으로 주요 프로세싱 요소들을 병렬로 구축함으로써 높은 스루풋(throughput)과 확정적 지연 특성의 낮은 지연시간을 달성할 수 있다. 이러한 특징은 안전성, 시스템 개입, 파일럿/자동운전 의사결정 등에 관련된 핵심 시스템에 이용하기에 이상적이다. 구현상의 유연성은 칩으로 들어오고 나가는 데이터만을 모니터하는 안전성 마이크로컨트롤러 기법과는 대조적으로 곧바로 시스템의 필요한 위치로 Functional Safety(ISO26262)를 구축할 수 있다. FPGA를 이용하면 BIST(Built-In-Self Test), 진단, 체커, 심지어 중복성 기능까지도 정확하게 필요한 곳에 구축할 수 있다.

더 소형화되고, 가볍고, 저렴한 시스템을 달성하기 위해서는 통합이 또 다른 중요한 과제다. FPGA는 더 이상 단순히 로직 게이트 어레이에 머물러 있지 않다. 내부를 들여다보면 다수의 프로세서, 트랜시버(CAN, 컨트롤러 등), 주변장치, 심지어 아날로그 블록들까지 통합돼 있다는 것을 알 수 있다. 게이트 어레이 부분도 더 이상 단순히 로직 게이트가 아니라 임베디드 메모리와 디지털 신호처리(DSP) 블록을 포함한다.

통합은 두 가지 측면에서 유용하다. 첫째, 자주 쓰이는 공통 블록들이 최적화된 하드 구현으로 이미 구축돼 있어 설계 시간을 절약할 수 있다. 둘째, 그럼으로써 보드 상에서 이러한 기능들을 수행하기 위해 필요한 소자들을 생략할 수 있어 공간을 절약하고, 비용을 낮추고, 그럼으로써 전력도 절약할 수 있다.

통합은 확장성으로도 이어진다. FPGA는 통상적으로 “수직적 이전(vertical migration)”이 가능하도록 제공됨으로써 공통적 하드웨어 풋프린트로 소형, 중형, 대형 로직 밀도 디바이스를 모두 포괄한다. 이에 따라 기본형, 중급형, 고급형 차량에 공통 플랫폼을 사용하고, 공통 PCB(printed circuit board)를 활용할 수 있으며, 차량 모델에 따라서 애플리케이션 기능들을 지원하기 위해 적합한 크기의 FPGA 디바이스를 선택할 수 있다. 또 경우에 따라서는 “수평적 이전(horizontal migration)”이 가능해 필요한 때에 필요한 위치에 트랜시버 등과 같은 추가적인 기능 옵션을 추가할 수 있다.

FPGA는 경쟁력 제고 차원의 차별화를 가능케 하고 시스템에 특수 기능을 제공할 수 있다. 모든 시스템을 특정한 ASSP를 이용해 구현한다면 시스템의 성능과 기능성이 제한될 것이고 모든 시스템이 서로 비슷해질 것이다. FPGA를 이용할 경우에는 시스템 성능을 위해 자체 고유 알고리즘 및 구현 기법이 매우 중요한 요소이다. 그럼으로써 자사 시스템을 경쟁사와 차별화할 수 있으며 다른 시스템이 할 수 없는 것을 할 수 있다.

끝으로, 디자인의 수명과 오늘날의 빠른 변화 속도에 대해 살펴보자. 자동차 소유주들이 자동차 수명이 5년 혹은 10년 이상 지속되기를 원함에 따라, 자동차 전자 디자인은 새로운 기술에 뒤쳐지지 않도록 하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 정부 규제를 비롯해 새로운 안전성 기준이나 기타 기술들을 충족하도록 시스템을 새롭게 하고 업데이트해야 한다. 한 가지 방법은 소프트웨어를 업데이트하는 것이다.

모듈러 디자인을 이용하는 것이 바로 그러한 방법으로서, 이러한 디자인은 서브시스템 모듈을 새로운 것으로 교체할 수 있다. 하지만 소프트웨어 업데이트는 여전히 제한적일 수 있으며, 하드웨어 모듈을 교체하기 위해서는 비용이 상승한다. 바로 이럴 때 FPGA의 현장 프로그램 가능성(field programmability)을 활용해 소프트웨어와 하드웨어(로직) 둘 다 변경할 수 있고, 이는 매우 합리적인 방법이 될 수 있다. 클라우드를 통해 “over the air(무선)” 업데이트를 이용해 이러한 변경을 실시함으로써, 예를 들어 시스템을 새로운 안전성 알고리즘으로 업데이트하거나 성능을 향상시키거나 운전자가 즐길 수 있는 새로운 기능을 제공할 수 있다.

알테라는 AEC-Q100 인증 제품으로서 Cyclone V SoC 제품군에 14개 디바이스 제품을 추가했다. 이들 SoC 제품은 듀얼 코어(또는 단일 코어) ARM짋 Cortex™-A9 MPCore 프로세서를 제공하며 듀얼 CAN(Controller Area Network) 컨트롤러와 듀얼 이더넷 MAC(Media Access Control)을 비롯한 일련의 주변장치와 IEEE1588 지원을 포함한다. 로직 밀도는 15k/40k/85k 및 100k LE를 포괄하고 있다.

이들 제품은 높은 통합 수준 및 확장성과 그밖에 FPGA의 모든 이점을 결합하고 있어 운전자 지원 애플리케이션에 이상적이다. 또한 최근에 출시한 Altera MAX10짋 FPGA 제품군은 임베디드 플래시와 아날로그 기능을 통합함으로써 통합 수준을 한 차원 끌어올리고 있다. 조기에 제품 설계를 시작할 수 있도록 소프트웨어를 제공하며 샘플과 개발 키트를 2014년 하반기에 제공할 예정이다.

단지 칩을 제공하는 것에서 끝나는 것이 아니다. 알테라는 시스템 디자이너들과 그리고 VHDL/Verilog 코딩보다는 C 기반 언어에 더 친숙한 소프트웨어 엔지니어들이 OpenCL로 FPGA 프로토타입을 신속하게 작성할 수 있도록 솔루션을 제공한다. 이제 OpenCL용 SDK(software development kit)로 Cyclone V SoC를 지원하게 됐다. 그럼으로써 FPGA 전문가들과 C 기반 소프트웨어 엔지니어들이 빠르게 FPGA의 이점을 확인하고 자신의 애플리케이션으로 그러한 이점을 실현할 수 있게 됐다.

최신의 FPGA는 유연성, 확장성, 통합 수준이 뛰어나기 때문에 다양한 인포테인먼트 및 운전자 지원 애플리케이션에 사용이 빠르게 늘어날 것으로 예상된다. FPGA의 고유한 특성과 뛰어난 성능을 활용함으로써 최종 시스템의 차별화를 달성하고 현장 업그레이드 가능성이라는 이점을 활용할 수 있다. 새로운 툴들을 제공해 더 넓은 범위의 디자이너들이 FPGA를 채택해 신속하게 프로토타입을 작성하고 자동차 시스템을 구현할 수 있게 됐다. 

존 골디에(John Goldie)
알테라의 자동차 사업부 인포테인먼트 및 운전자 정보 제품 전략 마케팅 책임자이다. 반도체 산업에 25년 넘게 종사하고 있으며 자동차를 비롯한 다수 시장 분야의 인터페이스, 디스플레이, 전원 제품을 주로 다뤄 왔다. 2012년 알테라에 입사하기 전에는 National Semiconductor와 Texas Instruments에서 엔지니어링 및 경영 직책을 역임했다.

AEM_Automotive Electronics Magazine