애닐 카나*(Anil Khanna), 앤드류 패터슨**(Andrew Patterson), Mentor Automotive

자동차에 탑재되는 임베디드 소프트웨어의 양과 중요성은 계속해서 증가하고 있다. 산업표준과 오픈소스 소프트웨어의 신중한 사용을 통한 개발비용 절감은 이제 과거 그 어느 때보다도 중요해졌다. 플랫폼 전문 공급업체인 멘토그래픽스는 티어1 공급업체 및 그들의 자동차 OEM 업체들이 적절한 기술혁신을 통해 생산 일정을 맞출 수 있도록 돕고 있다.

지금은 자동차 산업에 있어서 대단히 흥미로운 시기다. 현대적인 자동차의 경우, 소비자와 자동차 OEM 모두가 변화하는 환경에 적응하고 있다. 두말할 필요도 없이, 자동차 제조업체들은 차량 내에서 풍부한 멀티미디어 경험을 원하는 소비자의 기대에 부응해야 하는 문제에 직면해 있다.
자동차 제조업체의 최고 관심사는 안전한 플랫폼을 구축하고 차량 내외부의 연결성(connectivity) 요건을 충족시키는 것이다.

이러한 문제들은 엄격한 안전 및 보안 규정과 요건들을 고수해야 할 필요성 때문에 더욱 까다로워지고 있다.
OEM 업체들이 이러한 문제 해결에 성공하고 앞서나가기 위해서는 몇 가지 추세를 고심하지 않으면 안 된다. 먼저, 이제까지 이질적이었던 분야들을 총 망라해 통합적인 차량 내 경험을 구현하려는 움직임이 있다. 이러한 움직임은 주로 자동차가 가전기기와 비슷한 방식으로 움직이고 반응해 주기를 바라는 기대로 인한 것이다. 그 외에도 자동차의 전자화로 인해 자동차 내부는 물론 자동차 전반에 걸쳐 다량의 데이터가 생성되고 있다. 이러한 데이터는 대개 실시간으로 통합 및 처리되어 작동 가능한 포맷으로 차량 탑승자에게 제공되어야 해 통합 솔루션에 대한 필요성을 더욱 강조하고 있다.

끝으로, OEM 업체들은 사전에 결정되어 있는 무수히 많은 안전 및 품질 기준들을 충족시키는 차량 내 경험을 개발 및 구축해야해 비용 문제가 과거 어느 때보다도 심각해지고 있다. 문제는 어떻게 혁신을 도모하면서도 연구개발 비용의 상승을 막느냐는 것이다. 이러한 상황을 고려할 때, 이처럼 빠르게 부상하고 있는 자동차 전장 애플리케이션 분야에서 임베디드 시스템이 주도적인 역할을 맡게 된 것은 놀랄 일이 아니다.

통합적인 차량 내 경험

자동차 전장은 임베디드 운영체제(OS)가 필요 없는 단순한 전자제어장치(ECU)로부터 다수의 운영체제가 요구될 수 있는 복잡한 다기능 ECU에 이르기까지 꾸준히 진보해왔다. 옛날에는 임베디드 운영체제가 별도의 고립된 존재로 취급됐지만, 성능 및 보안상의 이유로 인해 더 이상은 그럴 수 없게 됐다. 운영체제는 자동차에 있어서 필수적인 구성요소로서 안전성과 보안성, 차량 내부는 물론 도로변의 인프라, 클라우드 또는 다른 외부 차량들의 장치에 대한 연결성에도 직접적으로 영향을 미친다.

차량 내부에 요구되는 연결성은 광범위한 물리적 네트워크 전반에 걸친 통신 문제를 다룬다. CAN, FlexRay, LIN과 같은 전통적인 차량 내 버스 기술들은 이더넷, eAVB(Ethernet Audio Video Bridging), A2B(Automotive Audio Bus) 및 무선 기반의 솔루션과 같이 보다 역량 있는 기술들로 보완되고 있다. 복잡성을 관리하기 위해 개별 네트워크들의 개발은 대개 특정 애플리케이션의 요구에 의해 이뤄지며, 게이트웨이 ECU는 서로 다른 차량 분야들을 한데 연결시키게 된다. 자동차 제조업체들은 강력한 SoC와 소프트웨어 시스템의 결합을 통해 새로운 통합 시스템 아키텍처를 고려할 수 있게 됐다.

이러한 예 중 하나가 IVI와 운전자 정보가 통합된 운전석으로, 이는 인포테인먼트 선택사항을 표시해 줄 뿐만 아니라 속도, 엔진 상태, 안전성 포인터(차선이탈 경보 시스템 데이터) 등과 같은 다양한 소스로부터 오는 차량작동 데이터도 오버레이시켜 표시해준다.

ECU와 모듈의 통합

커넥티드 차량은 과거 그 어느 때보다도 많은 ECU 기반의 기능들을 요구하고 있다. 고급 차량에는 이미 100여 개가 넘는 ECU가 탑재되고 있으며, 더 나아가 8비트 및 16비트 마이크로컨트롤러(MCU)로 부터 32비트 마이크로프로세서 기반의 시스템 SoC, 그리고 멀티코어 아키텍처로 옮겨가는 추세다. 이는 복잡한 SoC의 하드웨어 가격이 지속적으로 떨어지는 반면에 그성능과 기능은 향상되고 있기 때문이라고 할 수 있다.

전자 기능의 수가 증가함에 따라 모듈 통합의 필요성은 한층 더 뚜렷해지고 있다. 새로운 ECU들이 차량 아키텍처에 추가됨에 따라 여러 가지 문제들이 발생하고 있다. 자동차 와이어링 하네스의 복잡성과 무게는 증가하고 있으며, 차량 내 ECU 수의 증가로 인해 표준화가 더욱 강조되고 있다.

하드웨어 플랫폼이 진화함에 따라 모듈 간의 기능 이동이나 통합을 위해 소프트웨어를 재설계하고 경우에 따라서는 시스템 구조까지 변경해야 하는 어려움에 직면할 수도 있다. AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)와 같은 파트너들의 노력은 이러한 종류의 문제들을 해결하기 위해 다양한 자동차 소프트웨어 아키텍처를 위한 개방 표준들을 개발 및 확립하는 일을 훌륭하게 해냈다. AUTOSAR는 현재 자동차 OEM 업체, 전장 공급업체, 칩 제조업체 및 소프트웨어 업체들로 구성돼 있다.

커넥티드 인포테인먼트

자동차의 인포테인먼트 시스템은 과거 그 어느 때보다도 많은 기능과 상호작용 하고 있어 연결성의 개념이 매우 광범위해졌다. 인포테인먼트 시스템은 운전석으로서, 이를 통해 운전자와 승객은 차량 전체에 걸쳐 다양한 데이터의 생성 및 분배를 지휘 통제한다. 인포테인먼트 시스템이 다수의 ECU로부터 데이터를 수집하고 자신의 상태에 대해 보고하기 위해서는 자동차 네트워크에 연결돼야 한다.

외부적으로는 스마트 장치들에 대한 연결성 제공이 기대되고 있는데, 이는 갈수록 더 애플 카플레이, 구글 안드로이드 오토, 미러링크와 같은 앱과 기술들을 통해 충족되고 있는 추세다. 또한 자율주행차의 도래로 인해 인포테인먼트 기능은 이제 다른 차량과 외부 세계에도 연결되지 않으면 안 되게 되었다. 인포테인먼트 시스템의 OS는 대개 헤드유닛에 있는데, 이것이 자동차의 두뇌가 되었다는 것은 놀랄 일이 아니다.
이같은 책임과 기능이 기대되는 만큼 운전석을 구성하는 임베디드 시스템은 결정적인 중요성을 갖는 기술이 아닐 수 없다. 멘토 그래픽스(Mentor Graphics)는 차량 내 경험을 극적으로 향상시키기 위해 차세대 솔루션에 필요한 수많은 통합 및 연결성 계층들을 망라하고자 Connected OS™라는 개념에 투자해왔다(그림 1).

가전 속도로 이뤄지는 혁신

Connected OS 소프트웨어는 향상된 보드 지원 패키지(SuperBSP)와 최적화된 미들웨어 계층(OPTstack)을 갖춘 모듈방식의 GENIVI 기반 리눅스 플랫폼을 제공한다. 바로 사용 가능한 이 소프트웨어 플랫폼은 Fast Boot, Instant-On 및 최적화된 오디오/비디오(A/V) 기능과 같은 핵심 기술들을 구현하는데 이들은 모두가 최첨단 자동차 애플리케이션의 구축에 요구되는 기술들이다. 그러한 예 중 하나는 긴밀하게 통합된 Connected OS 아키텍처 일 것이다. 이 아키텍처는 신속한 시스템 가동 능력과 함께 빠른 오디오 및 비디오기능을 실현한다. 이는 백업 카메라를 갖춘 인포테인먼트 시스템의 요건을 충족시키는 데 있어서 중요하다.

또한 Connected OS는 eAVB, A2B등과 같이 부상하고 있는 네트워킹 기술들에 대한 미들웨어 지원 기능도 갖추고 있다.
사전 통합되어 있는 eAVB 소프트웨어 스택은 ADAS에서처럼 대기 시간이 짧은 실시간 통신을 요구하는 애플리케이션을 개발하는 데 있어서 특히 유용하다(그림 2). 이외에도, Connected OS 기반의 시스템은 eAVB와 같은 프로토콜에 대한 지원 기능과 비디오 프로세싱 전문 기술을 결합함으로써 뒷좌석 엔터테인먼트(RSE) 시스템과 같은 기능들을 구현할 수 있다. Connected OS 내의 eAVB 스택은 IEEE AVB 표준에 맞춰 개발됐으며, AVnu Alliance 표준을 준수한다. 지원되는 IEEE 구현 표준으로는 IEEE 802.1AS, 802.1Qat, 802.1Qav, 1722.1 및 1733이 있다. 마찬가지로, 자동차 제조업체들은 Connected OS 내의 A2B 소프트웨어 스택을 지원함으로써 오디오 네트워크를 보다 적은 시스템 비용으로 개발하면서도 향상된 차량 내 오디오 경험을 구현할 수 있다.

Connected OS는 소프트웨어 기반의 솔루션이어 맞춤화하기가 매우 쉬우며, 자동차 제조업체들이 차량 모델 전반은 물론 연식 전반에 걸쳐 자사 제품들을 혁신 및 확장할 수 있는 유연성을 제공한다.

비용 관리와 안전성 및 품질 목표 달성

안전성과 보안은 항상 자동차 제조업체들의 최우선 순위 중 하나다. 자율주행차가 도래함에 따라 잠재적인 해커와 외부 간섭원의 무선 “공격 노출면(attack surfaces)”은 늘어나고 있다. 보안은 하드웨어로부터 임베디드 소프트웨어, 애플리케이션과 인적 요소에 이르기까지 차량 아키텍처의 모든 레벨에서 고려돼야만 한다. 소프트웨어 결함은 가능한한 최소화돼야 하며 안전에 극히 중요한 소프트웨어를 철저하게 테스트하기 위한 전략은 끊임없이 발전하고 있다.

신중한 분할을 통해 안전에 중요한 요소들을 보다 복잡한 시스템들(한 라인씩 완전히 인증하기가 상대적으로 어려운)로부터 격리시켜 따로따로 인증할 수 있다. 멘토 그래픽스가 선보인 혼합임계(mixed-criticality) 계기판 솔루션을 이용하면 안전에 중요한 인증된 그래픽 지표와 풍부한 3D 그래픽을 단일 디스플레이 상에 결합시킬 수 있다. 안전에 중요한 그래픽은 보안이 이뤄진 하드웨어 구역에서 작동하며 독립형의 안전 인증된 Nucleus SafetyCert™ RTOS 상에서 실행돼 외부의 간섭과 서비스 거부(Denial of Service, DoS) 공격으로부터 최대한 안전이 보장된다.

다중 운영체제의 지원

Connected OS 개념의 대상이 되는 것은 단지 기초가 되는 리눅스 운영체제뿐 만이 아니다. 새로운 멀티코어 아키텍처들을 이용하면 다수의 운영체제를 탑재하고 이들 간에 긴밀하게 소통할 수 있다. 여기에는 예를 들어 AUTOSAR 기본 소프트웨어(BSW) 운영체제, Nucleus RTOS와 같은 실시간 운영체제, 심지어는 네이티브 환경이나 리눅스 컨테이너(LXC)에서 실행되는 안드로이드에 대한 링크까지도 포함된다.

일단 다중 운영체제가 사용되면, Remote Processor Messaging(RPMsg)과 VirtIO 같은 프로토콜들을 이용해 안전한 통신이 가능해져 하나의 도메인에서 생성된 정보를 다른 도메인으로 전송할 수 있다(그림 4). 그러한 예 중 하나가 폰 상태 메시지로서, 이는 안전한 운전자 정보 클러스터 디스플레이에 필요하다. 도메인들을 멀티코어 프레임워크 상에 분리하거나 임베디드 하이퍼바이저를 이용해 분리하면 보안과 분리 기능을 관리하는 동시에 성능을 최적화할 수 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine