성냥갑만한 레이더로 더 많이, 더 정확하게

센서·컨트롤러·V2X·이더넷·보안…자율주행 백화점 NXP

2016년 09월호 지면기사 / 정리│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr

NXP Semiconductors Lars Reger NXP 반도체 라스 레거 CTO

제4회 오토모티브 이노베이션 데이(Automotive Innovation Day, AID)에서 NXP 반도체의 라스 레거 CTO가 ‘Revolution Ahead - Enabling Securely Connected, Self-Driving Cars’를 주제로 강연을 했다. 하루 전 짧은 질의응답, AID 패널 토론을 포함해 강연을 정리했다.

지난 연말 NXP는 프리스케일을 합병하면서 세계 최대 차량용 칩 공급업체가 됐다. 무려 40~50%의 시장 점유율을 마크하게 됐다. 두 회사의 제품 포트폴리오를 보면, 서로 중복되는 부분이 거의 없는 완벽히 상호보완적이라고 할 수 있는데, 특히 이 인수합병을 통해 NXP는 마이크로컨트롤러(MCU)와 무선통신, 보안을 융합시키면서 자동차 산업의 미래에 완벽히 대응할 수 있게 됐다. NXP는 현재 전 세계 30개 지역에서 60년 이상의 자동차 산업 경험, 240만 명 이상의 자동차 엔지니어를 보유하며 회사의 40% 이상의 매출을 자동차 산업에서 올리고 있다.

센서 통합

현재 자동차 업계를 움직이는 큰 트렌드는 커넥티비티와 친환경이다. 외부환경, 운전자, 자동차 모든 것의 연결성이 확보돼야만 한다. 이산화탄소 배출은 끊임없이 감소돼야한다. 이는 폭스바겐 이슈, 전기차와 함께 급격히 떠오르고 있다. 그러나 가장 흥미로운 것은 자율주행 트렌드다.
전 세계에서 매년 130만 명이 도로 교통사고로 사망하는데, 한국에서도 연 5,000명 이상이 사망한다. 이를 줄이기 위해서는 자동차에서 발생하는 인재(人災)를 막아야한다. 안전에 대한 기술은 진보하고 있지만 차 내에서 모바일 기기를 이용하는 빈도가 늘면서 오히려 사고는 늘고 있다. 이런 때에 한눈을 팔지 않고 음주운전을 하지 않으며 피로로 지치지도 않는 로봇이 차를 제어한다면 어떨까. 문제는 로봇을 사람만큼, 또는 그 이상의 능력으로 주변환경을 인지할 수 있도록 하는 것이다.

업계는 자율주행을 향해 두 가지 방향으로 나아가고 있다. 하나는 구글과 같은 자동차 산업 밖의 기술기업의 전개이고, 다른 하나는 IT 업계, 로봇 분야 전문가와 손잡고 그들의 IT 인프라를 강화하고 있는 자동차 업계의 진행이다. 전자가 레벨 3, 4의 자율주행 단계에 단번에 진입하려고 한다면, 자동차 업계는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 혁신을 지속적으로 추진해 최종적으로 완전 자율주행 진입을 목표로 하고 있다.
현재 우리는 로봇 센서를 더욱 개선해야만 한다. 카메라가 좋은 예인데, 터널에 진입한다거나, 터널을 막 빠져나올 때 강한 햇빛이 비치는 환경에 직면할 때처럼 카메라 기능이 일시적으로 작동하지 않는 상황에서는 레이더나 라이더 센서가 필요하다. 또 코너 너머의 보이지 않는 곳의 교통상황, 돌발사고, 원거리의 신호등 상태나 보행자에 대한 정보 등 차량에 탑재된 센서의 감지 범위밖의 정보를 파악하기 위해 V2X 통신이 통합되고 이 모든 것이 융합돼야만 한다. NXP는 운전자가 자동주행 중 전방을 주시하지 않아도 되는 레벨 3 단계에서는 3~6개의 레이더, 3~6개의 카메라, V2X 통신, 초음파센서, 저가의 라이더 등 여러 센서의 퓨전이 요구된다고 보고 있다.

NXP는 다양한 센서를 활용한 ‘센싱(sense)’, 데이터 퓨전과 인포테인먼트의 ‘결정(think)’, 인스트루먼트 클러스터, 엔진, 트랜스미션, 브레이크, 스티어링, 라이트, 도어, 앰프와 관련된 ‘행동(act)’이란 자율주행의 기본에 있어 모든 포트폴리오를 갖춘 회사다. 이는 차량용 반도체 업계에서는 유일한 것이다.
자율주행이 상용화되고 업계가 수익을 창출하려면 기술, 기능만으로는 불가능하다.
기능안전성, 디바이스 신뢰성, 도로안전성, 보안의 확보란 기술의 마스터가 요구되고 그렇지 못한 혁신기업들, 대형 자동차 업체들은 심각한 타격을 입게 될 것이다. 지난해 업계의 리콜은 역대 최고기록을 갱신했다. 에어백 관련 2,000만 대, 점화 스위치 1,600만 대, 전기/전자장치 500만 대, 브레이크 470만 대, 파워트레인 380만 대, 스티어링 250만대, 연료 시스템 200만 대 등 자동차의 안전과 밀접한 부분의 리콜 수가 상위권을 차지했다. 예를 들어 파워 스티어링이 오작동하게 된다면 심각한 사고로 이어질 것이다. 또 이런 기능의 문제는 지난해 사례들처럼 해킹을 통해 발생할 수도 있다.

구글, 헬라 등이 채택한 新레이더

NXP는 현재 혁신적인 제품을 개발 중이다. 차는 자율주행에 근접할수록 더 많은 레이더 시스템이 필요할 것이다. 레벨 4라면 6~20개의 레이더가 필요할 것이다. IHS에 따르면 2021년 레이더 시장은 5,000만대 규모가 될 것이다.
기업들은 NXP의 새로운 RF CMOS 77 GHz 단일 레이더 칩 모듈을 이용해 새 레이더 시스템을 개발 중이다. 이 레이더는 0~30 m, 120 m, 250 m 등의 범위에 대응한다. NXP의 CMOS 레이더 포트폴리오는 고성능 레이더 시그널 프로세서 및 MCU를 포함해 77 GHz 장/중/단거리 레이더 애플리케이션용 송수신기를 제공해 OEM과 서플라이어들이 저가 모델부터 최고급 차량에 이르기까지 자유롭게 확장할 수 있다. 소형 칩에 트랜시버, CAN/이더넷, 그리고 프로세서와 파워 매니지먼트를 통해 차세대 레이더 센서가 구현된다. 이에 따라 자율주행 과정에서 늘어나는 센서 수에도 불구, 센서는 우표만한 크기로 차량의 어느 곳에도 보이지 않게 탑재할 수 있다. 전력 소모량도 기존 레이더 IC 대비 40% 수준이다.

NXP는 이미 많은 카 메이커, 서플라이어들과 이 레이더 칩을 이용한 시스템을 개발 중이거나 테스트하고 있는데, 밝힐 수 있는 곳은 두 개 회사다. 하나는 구글로 이미 2년 전부터 사용하고 있다.
다른 하나는 헬라다. 그러나 공식적으로 제품 개발과 파트너십을 발표한 헬라 외에도 이미 6개 회사가 NXP의 이 센서를 이용해 시스템을 개발 중이고, 한국에서도 여러 업체들과 이야기를 나누고 있다.

헬라는 지난 6월 NXP CMOS 레이더 칩 기술을 이용한 77 GHz ‘콤팩트레이더(CompactRadar)’를 개발했다고 밝히며 2018년 중 이를 양산할 것이라고 했다. 헬라의 콤팩트레이더는 성냥갑보다 작은 사이즈로 차량의 내외부 모두에 통합된다. 차량 외부에서는 종전의 24 GHz 레이더와 함께 구축한 중단거리 ADAS 애플리케이션 기술력과 노하우를 더욱 넓어진 시야각, 길어진 감지 거리, 고해상도로 차량 앞과 측면에 통합돼 진보된 사각지대 감지, 전방 교차교통 경고, 360도 감지, 자동주차 기능을 가능하게 할 것이다. 헬라는 이 레이더를 차 내부에서 제스처 인식에도 이용한다.
NXP의 RF CMOS 77 GHz 장거리 레이더는 곧 샘플이 나올 것이다.

테슬라, 구글, 볼보

20년 이상을 모듈, 시스템 부분에서 일하며 관련 업체들과 긴밀히 일해왔다. 그런데 이번 테슬라의 사고를 보면 자동차 회사들은 물론 구글과도 큰 차이가 나 보인다.

구글의 경우엔 도로 주행만 수100만 km를 실시했다. 차에 장착한 센서만도 상당하다. 기본적으로 매일 일상에서 센서의 성능과 안전성을 확보하기 위해 노력하고 있으며 이를 입증하고 있다. 이는 개인적으로 자율주행차를 신뢰하게 만드는 부분이기도 하다. 앞서 말했듯이 구글의 셀프 드라이빙 카는 NXP의 레이더를 여러 개 장착하고 있는데, 레이더의 성능이 나쁘다는 것은 운전자가 한쪽 눈을 감고 운전하는 것과 같다. 구글도 테슬라와 마찬가지로 몇 건의 사고 사례가 있다. 그러나 구글은 영리하게도 매우 경미한 사고에 대해서도 어느 부분에 어떤 스크래치가 어떤 이유에서 발생했는지까지 매우 정확하게 밝히고 있다.
볼보와 같은 회사는 그 이상이다. “볼보는 볼보 차량이 자율주행 모드로 운행 시 일어나는 모든 사고에 대해 책임을 지겠습니다. 볼보는 이와 같은 약속을 드리는 최초의 자동차 회사입니다”라고 약속하기까지 했다. 이런 점에서 테슬라는 사고 전후 대응에 있어 현명하게 행동하지 못하고 있다.
볼보에 따르면, 3~4년 후면 고속도로에서의 자율주행이 가능해진다. 그러나 도시는 다를 것이다. 서울만 하더라도 2~3년 후면 레이저 스캐너, 레이더 등을 장착하고 약 20마일(30 km/h)로 달리는 셀프 드라이빙 카를 볼 수 있게 되겠지만, 이것은 제네시스 EQ900과 같은 일반적인 차는 아닐 것이다. 이런 차의 자율주행은 ADAS 기능의 진화를 통해 하이브리드화될 것이다. 예를 들어 고속도로에서는 자율주행을 하고 남은 10 km 구간의 시내주행은
전자가 직접 하는 식으로 하게 될 것이다. 모든 조건에서 자율주행이 가능하려면 기술은 더욱 발전해야 한다.
자율주행차의 법적 책임 문제는 간단히 해결될 수 있다. 독일 법조계의 한 친구는 궁극적으로 자율주행차의 사고 데이터, 운행 기록이 공개되고 관련 기업, 기관과 연결되기 때문에 사고의 원인 규명이 명확해질 것이어서 테슬라 사고와 같은 이슈가 나올 수 없을 것이라고 봤다.

V2X, 플래투닝

V2X 통신은 몇 년 전부터 북미와 유럽에서 상당히 빠르게 발전하고 있다. V2V의 효과는 보급률에 따라 효과가 크게 달라지지만 센서 중심의 자동주행이 전개되는 동안 반드시 진행되게 될 것이다.
현재 NXP는 미국의 교통부와 손잡고 일하고 있다. 미국은 이미 상당한 기술을 완성했는데, GM이 올해 말부터 V2V를 상용화하면 보급이 본격화될 것으로 보인다. 한국의 추격 속도도 놀랍다. NXP는 국토교통부가 추진하는 ‘차세대 지능형 교통 시스템(C-ITS)’ 시범사업에 이씨스와 함께 참여하고 있다. 이 시범사업은 7월부터 내년 7월까지 세종~대전 지역 도로 총 87.8 km에 달하는 구간에서 진행된다. NXP의 V2X 솔루션인 로드링크(RoadLink) 칩셋이 이씨스의 WAVE 통신 솔루션에 탑재된다.
NXP의 솔루션은 이미 전 세계적으로 다양한 프로젝트를 통해 검증받았다. 특히 높은 보안 수준의 NXP 시큐어 솔루션은 해킹에 대한 우려 없이 보안 연결을 구현할 수 있다. V2X 기술은 돌발사고, 긴급차량의 접근, 신호등의 변경 정보, 코너 반대쪽, 트럭 너머의 전방 교통상황 등 운전자 시야 밖의 교통 방해물을 확인할 수 있게 해 도로 안전성을 높이고, 원활한 교통흐름을 통해 CO₂배출을 줄인다.
이런 차량 통신기술은 트럭 플래투닝(군집주행)도 가능케 한다. 예를 들어 선도 트럭이 긴급제동을 하게 되면 V2V 통신으로 후속 4~6대 트럭 모두가 4 ms 내에 똑같이 긴급제동을 하게 된다. 도로에서 0.5초는 차가 11미터를 가는 시간이다. 많은 트럭 회사들은 이미 플래투닝이 주는 안전성, 효율성, 편리성, 경제성에 주목해 많은 기술과 경험을 확보하고 있고, 전 세계 6개 OEM 중 4개 OEM이 NXP의 칩을 사용하고 있다.

자율주행 플랫폼

NXP는 리눅스 기반의 블루박스란 자율주행 플랫폼을 발표했다. 이는 자율주행이 요구하는 수퍼컴퓨팅과 기능안전성, 신뢰성과 같은 안전한 컴퓨팅을 통합한 것이다. 블루박스 엔진은 NXP의 S32V234 차량용 비전/센서 퓨전 기능안전성 프로세서는 물론, 지속적으로 더 높은 성능을 요구하는 네트워킹을 위해 개발된 최고 성능의 LS2088A 임베디드 프로세서를 장착했다.
LS2088A 프로세서에는 2 GHz 속도로 실행되는 8개의 64비트 ARM Cortex-A72코어와 함께 특수 액셀러레이터, 고성능 통신 인터페이스, 그리고 매우 짧은 대기시간을 위한 DDR4 메모리 컨트롤러 등이 포함된다. 이를 통해 전례 없는 수준의 고성능 솔루션이 탄생했으며 40 W 전력에서 90,000 DMIPS(Million Instructions Per Second)의 성능을 제공한다. S32V 프로세서는 그래픽 엔진, 전용 고성능 이미지처리 액셀러레이터는 물론, 최첨단 센서 융합 기능, 고성능 ARM 코어 및 고급 APEX 이미지 처리기술을 포함한다. 이미 상위 5대 카 메이커가 알고리즘과 함께 블루박스를 사용 중이다.

이더넷

NXP는 이더넷 부분도 선도하고 있다.
차량의 피지컬 레이어 부분을 살펴보면 많은 노드와 와이어하네스가 사용되고 있다.
미래의 애플리케이션은 현재의 CAN, LIN, FlexRay 시스템으로는 지원이 불가능한 높은 데이터 속도를 필요로 할 것이다. 차내에는 150개 정도의 컨트롤 유닛이 들어가고 서로 연결돼 통신하는데, 안전과 신뢰성을 이유로 유선 케이블로 연결되면서 차에서 두 번째로 중량이 많이 나가는 골칫거리가 되고 있다. 때문에 이에 대응하는 새로운 규격이 요구되면서 컴퓨터, 이동통신, 우주항공, 자동화 부문에서 널리 사용되던 이더넷이 자동차에 적용되고 있다. 예를 들어 이더넷은 서라운드 뷰 모니터, 풀 3D 디지털 인포테인먼트, 레이더 등 다양한 센서가 이용되는 자율주행 시스템이나 ADAS의 높은 대역폭을 감당한다.
NXP는 이더넷 PHY TJA1100과 SJA 1105를 발표했다. TJA1100은 저전력 모드를 지원해 엔진이 꺼졌을 때 시스템이 대기 모드로 들어가 이더넷 PHY의 전력이 부분적으로 들어와 있다가 네트워크가 작동할 때만 시스템을 깨운다. 티티텍(TTTech)과 긴밀히 협력해 개발한 이더넷 스위치 SJA1105는 자율주행에서 운행 효율성, 기능안전성이 필요한 애플리케이션에 메시지 레이턴시를 보장하는 ‘확정적 이더넷’ 기술을 사용해 대역폭 요건이 최대 1기가 비트까지 늘어났다. 따라서 네트워크 제어 시스템의 높은 신뢰성과 오류 작동 애플리케이션의 고가용성을 보장한다.

보안

보안은 NXP 전략의 핵심이며 커넥티드 카의 필수조건이다. NXP는 4단계로 구성된 완벽한 자동차 하드웨어 보안 솔루션을 제시한다. 블루투스, NFC, 이모빌라이저 등의 무선 인터페이스, 방화벽이나 도메인 격리와 같은 게이트웨이 보안, 인카(In-Car) 네트워크의 보호, 그리고 보안 부팅이나 OTA 업데이트에 대한 애플리케이션 프로세싱의 보안이다. 이렇게 해서 무선 인터페이스용 하드웨어, 게이트웨이 보안, 차내 CAN 버스용 네트워크 보안, 애플리케이션 통합 보안 마이크로컨트롤러 등 4가지 레벨의 완벽한 포트폴리오가 구성된다.