FPGA를 통해 경쟁우위 솔루션 구현 가능

2015년 09월호 지면기사  /  글│윤 범 진 기자 _ bjyun@autoelectronics.co.kr



Altera John Goldie
알테라 자동차 사업부 존 골디 전략 마케팅 매니저


인텔이 167억 달러에 올해로 창립 21주년을 맞은 프로그래머블 반도체(PLD) 업체인 알테라(Altera)를 인수했다. 인텔이 알테라를 인수한 배경을 놓고 다양한 해석이 있다. 확실한 것은 알테라가 FPGA 기술을 보유하고 있으며 인텔이 그 기술을 소유하게 됐다는 사실이다. 인텔도 탐낸 FPGA는 어떤 특별한 매력이 있을까. 본지 주최의 2015 Automotive Innovation Day 강연 차 방한한 알테라 자동차 사업부의 존 골디(John Goldie) 전략 마케팅 매니저로부터 FPGA가 자동차 전장 시스템 설계에 어떤 이점을 제공해줄 수 있는지 이야기를 나눴다.



주관적인 견해이긴 하지만 최근 2, 3년 전부터 FPGA의 적용사례가 빠르게 증가하고 있다. 2010년을 전후로 ASIC의 개발비용이 급속히 상승한 측면 외에도 범용 마이크로프로세서(MPU)나 ASSP의 성능이 크게 개선되었고 FPGA 자체도 45 nm~28nm 세대로 이행하면서 고성능화가 진행됐기 때문이 아닌가 싶다. 그 결과 기존에 ASIC으로 설계하던 시스템을 ASSP+FPGA 구성으로 설계할 수 있게 됐다.

부품 원가 측면에서 보면, 아직 ASIC이 유리한 것이 사실이지만 ASIC의 개발비용까지 감안하면 꼭 그렇지만은 않다. FPGA를 양산 애플리케이션에 사용하는 시스템 설계자가 점점 늘어나고 있다는 사실에서 알 수 있듯이, FPGA의 이점은 비용 문제를 상회하고도 남는다.

우선, 프로그래밍 기능을 통해 ASIC에 비해 시장 진입 기간이 짧은 데다 리스핀(respin) 없이 버그 수정이 가능하기 때문에 ASSP보다 위험도가 낮다. 또한 ASSP, ASIC, DSP, 마이크로컨트롤러(MCU) 등과 달리 FPGA는 하드웨어 레벨의 회로 변경이 가능하다. 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 MCU의 경우 상대적으로 낮은 비용에 높은 수준의 시스템 통합성을 제공하지만, 하나의 제품이 설계를 거쳐 생산되고 시장에 유통되는 과정 중에는 숨겨진 비용들이 존재한다.



예를 들어 추가 기능이 필요할 경우에 외부 로직이나 소프트웨어 또는 다른 디바이스로 보강해야 한다. 또한 시장의 요구조건이 급변하는 상황에서 특정기능과 일정한 수의 전용 인터페이스가 장착된 대부분의 MCU는 적절하게 시장의 요구조건을 충족하지 못한다.

FPGA는 고집적화도 빠르게 진행되고 있다. 28 nm에 이어 20 nm 공정을 이용한 제품이 양산되고 있으며, 16/14nm 공정을 위한 개발 툴이 이미 출시된 상태다. 알테라는 2014년 4월 14 nm 트라이게이트(Tri-Gate)공정을 적용한 FPGA 테스트 칩을 발표했다.

FPGA는 15년 전부터 MPU 또는 MCU를 내장한 제품이 존재해왔다. 하드 코어로 파워PC나 ARM7를 내장하거나 자체 소프트 코어를 내장한 제품이었다. 예를 들어 알테라는 자체 소프트 코어인 Nios 프로세서를 자사 FPGA에 내장한 SOPC(System on a Programmable Chip)를 소개했다. 최근에는 Cortex-A9 코어를 내장한 사이클론 Ⅴ(Cyclone Ⅴ) SoC를 제공하고 있다.

하이엔드급 FPGA는 고집적화에 따른 역설적인 효과도 있지만, 미들레인지나 그 이하의 제품은 점점 더 가격이 낮아지고 있다. 예를 들어 듀얼 구성 플래시 메모리 블록과 소프트 코어 Nios Ⅱ 프로세서를 통합한 알테라 MAX 10 FPGA 제품군은 최저가가 1만 원대다. 디지키(Digikey)공급가 기준으로 2,000개 로직 엘리먼트(LE)와 160개 I/O를 제공하는 MAX 10FPGA(10M02DCU324I7G)의 경우 13,837원이다.

MAX 10 FPGA는 높은 수준의 기능 통합과 소형화된 패키지 옵션(가장 작게는 3 × 3 mm)을 결합함으로써 카 인포테인먼트의 비디오 처리, ADAS의 레이더 처리, 전기차(EV)의 인버터 제어 등과 같은 공간제약적인 시스템에 이용하기에 효과적인 솔루션을 제공한다. 개발 키트도 40달러 대의 저렴한 가격으로 제공된다.

골디 매니저는 “알테라는 이미 10년 넘게 오토모티브 분야에 투자해왔다. 지금까지 오토모티브 시장에 누적 4,000만 개의 PLD 제품을 공급했으며 올해만 1,000만 개의 PLD 제품이 판매될 것으로 본다”고 말했다.
알테라는 현재 세 가지의 자동차 등급(A-Grade) PLD 제품군을 공급하고 있다.

골디 매니저는 “알테라는 낮은 집적도의 CPLD 제품(40~2.2k LE)인 MAX Ⅴ부터 ARM Cortex-A9 프로세서 코어를 내장한 SoC 제품(25k~110k LE)인 사이클론 Ⅴ까지 라인업이 구축돼 있다”며 “최근에 임베디드 플래시 공정 기술을 기반으로 한 MAX 10 FPGA를 새롭게 추가함으로써 CPLD에서 FPGA와 SoC에 이르는 광범위한 자동차등급 PLD 제품을 공급하게 됐다”고 말했다.

MAX 10 FPGA는 임베디드 플래시를 통합함으로써 하드웨어와 소프트웨어 둘 다 맞춤화된 단일 칩 임베디드 시스템을 제공한다. 예를 들어 CPU를 최종 사용자가 요구하는 서비스품질(QoS)이나 기능 패키지를 충족하도록 현장에서 실시간으로 커스터마이징 할 수 있고, 표준이 바뀌거나, 출시 일정상의 압박 때문에 최초 제품에서 누락된 가능이 있다거나, 현장 업그레이드를 하고자 하는 등의 경우에는 마이크로컨트롤러 하드웨어를 업그레이드할 수도 있다. 상용 프로세서를 사용할 때는 불가능한 것 들이다. 하지만 Nios Ⅱ 프로세서와 MAX 10 FPGA의 내장 플래시 및 원격 업데이트 기능을 사용하면 이런 기능을 구현할 수 있다.

골디 매니저에 따르면, MAX 10의 내장 플래시는 2개의 FPGA 구성 피티션을 제공한다.
이 중 하나를 FPGA 하드웨어 이미지의 원격 업데이트가 안전하게 이루어지도록 보장하는 데 사용할 수 있다. 하지만 원격 업데이트나 이중 구성 기능이 필요하지 않으면 범용 사용자 플래시 메모리(UFM)를 확장하는 데 최대 700 KB까지 할애해 소프트웨어의 코드 저장 공간을 추가로 확보할 수 있다. 또한 시스템 부트 및 관리에 내장 플래시를 활용할 수 있다. 하드 코어든 소프트 코어든 임베디드 프로세서 기술을 채택한 기존의 FPGA 시스템에서는 FPGA가 파워업하고 환경설정하기 위해서는 시간이 걸렸다.

반면 MAX 10 FPGA는 플래시를 통합시켜 FPGA가 시스템의 첫 번째 장치로 파워업할 수 있게 됐다. 따라서 커스텀 FPGA 로직이 시스템 브링업(bring-up)을 완벽하게 관리할 수 있게 하며, 시스템 파워온 시 Nios Ⅱ 시스템을 소프트웨어 진단에 사용할 수 있게 한다.
이와 같은 하드웨어 업그레이드 기능을 통해 디자인의 결함을 신속하게 교정할 수 있다.

MAX 10 FPGA는 업계 최초로 ADC를 탑재한 것도 눈여겨 볼만한 부분이다. 골디 매니저는 “MAX 10 FPGA는 최대 17개의 입력 채널을 가진 12비트 ADC 블록을 최대 2개까지 통합할 수 있다”며 “내장된 ADC를 사용해 환경을 측정하고, 파워업 및 파워다운 시퀀싱을 관리하고, 모터 토크를 제어하는 등의 일을 할 수 있다”고 설명했다.

또한 이들 12비트 ADC는 프로그래머블 디지털 인터페이스, 샘플 시퀀스 제어, 하드웨어 애버리징, 전압 및 디바이스 온도에 대한 인터럽트 임계값 등의 기능을 포함한다.
Nios Ⅱ 프로세서로 설계하면 이들 ADC를 통합시켜 마이크로컨트롤러나 외부 ADC를 대체할 수 있다.

자동차 전장 시스템 설계에 FPGA를 적용함에 있어서 가장 큰 걸림돌은 무엇보다도 비싼 가격이다. 하지만 그 장벽도 점차 무너지고 있다. FPGA는 양산용 설계에 있어서도 경제적으로 실용적인 솔루션이 되고 있다. 또 하나 걸림돌이라면 자동차 업계에 FPGA를 다룰 수 있는 RTL 설계 전문가가 부족하다는 점이다. 이에 대해 알테라는 DSP Builder나 OpenCL을 지원함으로써 소프트웨어 엔지니어도 FPGA를 다룰 수 있는 진보된 개발 환경을 제공한다. 동작 온도 또한 자동차 산업의 까다로운 요건을 만족한다.

골디 매니저는 “탑재되는 위치에 따라 최대 150℃까지 견딜 수 있는 제품을 준비하고 있으며 내년에 접합 온도 135℃ 이상에서 견딜 수 있는 AEC-Q100 자동차 인증제품을 발표할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

FPGA가 최근엔 인포테인먼트 외에도 ADAS 분야에서도 크게 활용되고 있다. 설계 프로세스 후반에도 변경이 가능한 탁월한 유연성뿐 아니라 ADAS 시스템에서 요구되는 뛰어난 고속 연산 분석 성능을 제공하기 때문이다. 예를 들어 ADAS를 넘어서 자율주행을 실현하기 위해서는 센서로부터 받아들인 대규모 정보를 신속하게 처리할 수 있어야 한다.

골디 매니저는 “FPGA는 최적의 인터페이스 표준을 포함시킬 수 있는 유연성을 제공한다. 이는 시스템 설계자가 특정 GPU나 SoC 인터페이스를 중심으로 설계할 필요 없이, 전체 시스템에 최상인 인터페이스들을 가지고 설계할 수 있도록 해준다”고 말했다.
 

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