고성능 신호처리 유닛 갖춘 레이더용 MCU

미래 레이더 애플리케이션 요구 충족, 자동운전 차량 안전성 향상

2018년 09월호 지면기사  /  글│ 안드레 로거 박사, 자동차 부문 수석 시스템 아키텍트 / 알렉산드르 엥겔슈타인 박사 인피니언 테크놀로지스

새로운 AURIX™ 레이더 마이크로컨트롤러 제품은 높은 분해능, 빠른 응답시간, 간섭에 대한 견고성을 제공하고, 물체를 더 잘 식별할 수 있으며, 전력소모를 낮출 수 있다. 또한 AURIX™ 플랫폼의 검증된 안전성 콘셉트를 기반으로 한다. 설계 작업을 쉽고 빠르게 할 수 있도록 포괄적인 소프트웨어 프레임워크와 평가 보드를 지원한다.


자동차 분야의 메가트렌드는 전기화(electromobility), 자동운전(automated driving), 연결성(connectivity)이다. 이러한 트렌드가 상호 영향을 주고받으면서 가속화하고 있다. 한편으로는 사이버 보안이 점점 더 중요한 문제로 대두되고 있다. 인피니언 2세대 AURIX™ 제품군인 TC3xx 마이크로컨트롤러는 전적으로 레이더 애플리케이션용으로 개발됐다. 이 마이크로컨트롤러는 운전자지원시스템과 자동운전에 필요한 높은 연산 성능과 확장성을 제공하며 작고 효율적이고 안전한 레이더 솔루션을 설계할 수 있다. 또한 보안 기능들을 포함함으로써 자동차 네트워크 보안을 향상시킨다.

레이더 센서는 자동/자율 운전의 핵심 부품이다. 최신 레이더 시스템은 다양한 조명 및 기상 조건에 대해 고가용성, 내결함성, 견고성을 갖추고 있기 때문에 강력한 운전자지원시스템을 구현할 수 있다. 하지만 차세대 레이더 시스템에 대한 요구는 계속해서 높아지고 있다. 자동차 회사들은 레이더 시스템에 대해 비용을 낮추고, 확장성이 뛰어나고, 안전성 요건을 충족하고(NCAP, SAE 레벨 2 이상), 간섭으로 인해 방해를 받지 않을 것을 요구한다.

그러므로 더 빠른 응답시간으로 더 높은 분해능이 가능하고, 간섭에 대한 견고성이 뛰어나고, 물체를 포착하고 분류하는 능력이 뛰어나고, 기능적 안전성을 달성하고, 안전하게 자동차 네트워크 통신을 할 수 있고, 전력 소모를 낮출 수 있는 레이더 시스템을 필요로 한다. 바로 이러한 요구를 반영하여 Infineon은 새로운 세대의 AURIX™ 레이더 마이크로컨트롤러 제품을 개발했다.



이 마이크로컨트롤러에 레이더 트랜시버와 안전성(Safety) 전원장치를 결합해서 77/79/24 GHz 애플리케이션용 레이더 칩셋을 제공한다. 그림 1과 그림 2는 77/79 GHz 애플리케이션을 보여준다. 동일한 무선 주파수(RF) 및 신호 프로세싱 플랫폼을 기반으로 필요로 하는 레이더 시스템에 따라서 이 칩셋을 확장할 수 있다(그림 2).



레이더 애플리케이션용 AURIX™ TC3xx 마이크로컨트롤러


AURIX™ TC3xx 제품군을 추가함으로써 레이더 애플리케이션용으로 더 다양한 실시간 안전성 마이크로컨트롤러 제품을 제공하게 되었다(그림 3). 이 제품군에 속하는 3개 제품(TC39x, TC35x, TC33x)은 다양한 용량의 임베디드 SRAM, 하드웨어 신호처리 가속기(SPU), 안전성 DSP 코어(TriCore™)를 결합함으로써 레이더 알고리즘을 처리하기 위한 강력한 프로세싱 성능을 제공한다. 그러므로 저가 코너 레이더(24/77/79 GHz)에서 강력한 원거리 레이더 시스템(MIMO 77/79 GHz)까지 다양한 애플리케이션을 충족할 수 있다.



AURIX™(TC3xx) 마이크로컨트롤러 제품군은 40 nm eFlash 공정과 검증된 300 MHz TriCore™ 아키텍처(TC1.62P)를 기반으로 한다. 그림 3은 3개 제품의 특징을 요약해서 보여준다. 또 LVDS 프로토콜을 기반으로 한 HSSL(High Speed Serial Link) 연결이나 “원격 DMA” 기능을 내장한 기가비트 이더넷 인터페이스를 사용해서 2개의 TC39x 제품을 간단히 연결하여 더 높은 성능을 달성할 수 있다. 이들 모든 레이더 제품은 핀 호환이 가능하며 소형 BGA-292(17mm × 17mm) 패키지로 제공된다.

AURIX™ TC3xx 마이크로컨트롤러는 EVITA HSM(Hardware Security Module)을 도입함으로써 최고 수준의 보안 요건을 충족하며, 대칭 및 비대칭 암호화를 지원하는 하드웨어 가속기를 포함한다. 레이더용으로 최적화된 이 하드웨어 가속기를 활용함으로써 레이더 애플리케이션으로 극히 낮은 전력소모를 달성할 수 있다. 전력소모는 레이더 애플리케이션에 따라서 약 0.5 W(TC33x)부터 2 W 미만(TC39x)까지 이를 수 있다.

하드웨어 가속기

레이더 애플리케이션용으로 가장 주목할 만한 혁신은 SPU(Signal Processing Unit)라고 하는 새로운 하드웨어 가속기이다. TC33x는 하나의 SPU 장치를 포함하고, 다른 두 제품은 2개의 SPU를 포함한다. 각각의 SPU는 하나의 특수한 RIF 인터페이스(LVDS IEEE 1596-3 표준을 기반으로 한 레이더 인터페이스)를 포함하며, 이 인터페이스를 통해서 최대 4개 수신 안테나를 작동할 수 있다. 또한 이 마이크로컨트롤러의 안전성 메커니즘은 ISO 26262 ASIL-D까지 충족하며, SPU-IP와 마이크로컨트롤러 백엔드가 결합해서 레이더 솔루션용으로 최대 ASIL-C까지 기능 안전성을 충족한다.

SPU(그림 4)는 주 메모리와 가속기 사이에 2개의 각기 다른 데이터 경로로 연산자 재순환(Operand recirculation)을 기반으로 한다. 레이더 메모리로부터 연산자를 추출하고, 처리하고, 다시 쓴다. SPU는 다양한 실행 유닛을 포함하며(windowing, FFT, CFAR), 이들 유닛을 동시적으로 실행할 수 있다. 구성가능 출력 DMA 유닛은 각기 다른 결과들을 각기 다른 메모리 영역에 저장할 수 있다. 그러므로 TriCore™ CPU가 이들 영역들을 액세스해서 추가적인 프로세싱을 할 수 있다. SPU는 유연하게 구성가능하다.



300 MHz 클로킹을 사용해서 SPU가 1클록 사이클/BIN의 속도로 ADC 샘플과 FFT BIN을 매우 빠르게 처리할 수 있다(CFAR을 사용하는 경우에는 2클록 사이클/BIN). 그러므로 종합적으로 14 GOperations/s(초당 연산)의 성능을 달성할 수 있다.

고속 초장 명령어 워드(Very Long Instruction Word, VLIW) DSP와 쿼드 MAC을 사용한 벤치마크 비교에서 7~14배 더 우수한 클록 사이클 당 성능을 달성했다. 높은 성능을 제공할 뿐만 아니라, 비싼 RAM을 최대한 활용하기 위한 다수의 혁신적인 메커니즘을 포함한다. 이러한 것으로는, 연산 결과를 16비트 부동소수점 형식으로 저장하는 것(32비트 고정소수점이 아니고), 저장에 앞서 BIN을 제거할 수 있는 BIN 제거 유닛, FFT 자동 “패딩”(해당되는 BIN만 저장), in-place FFT(결과값을 원래의 FFT에 저장)를 들 수 있다. 또 레이더 메모리를 개별적인 영역(타일)으로 나눌 수 있다. 그리고 메모리를 액세스할 때 CPU(또는 시스템 DMA)와 SPU 사이에 간섭이 없도록 이들 영역을 구성할 수 있다.

실시간으로 고 분해능 달성

이 레이더 SPU는 14 GOperations/s의 성능으로 미래의 분해능 요구를 충족하며, MIMO 레이더의 계산을 가속화하기 위한 특수 기능 유닛들을 포함하며, 복잡한 FFT와 여타 결과값들을 저장하기 위한 최대 4 MB의 임베디드 RAM을 제공한다. 또한 AURIX™ TC3xx 제품군은 인터페이스로 최대 8개 LVDS 데이터 라인(2개 RIF)을 연결할 수 있으므로 최대 8개 수신 안테나를 처리할 수 있다.

긴급제동 등 안전을 위해서 중요한 작업에 레이더를 사용할 때는 빠른 응답시간이 요구된다. 시속 100킬로미터로 주행하는 자동차는 초당 27 m를 움직이는 것이므로, 40 ms의 샘플 시간에 자동차는 이미 1.1 m 앞으로 나가있을 것이다. 의사결정을 하는데 걸리는 데이터 포착 간격 횟수와 한 번의 포착 간격에 걸리는 연산 시간을 단축하기 위해서 SPU는 록스텝(Lockstep) 모드로 동작해서 더 짧은 시간에 신뢰할 수 있는 결과값을 얻을 수 있다.

또는 2개 SPU를 동시적으로 실행해서 프로세싱을 가속화할 수 있다. 또한 SPU는 하드웨어 구현 CFAR과 필터를 사용함으로써 2클록 사이클/BIN으로 FFT(1차 스테이지)와 훨씬 더 빠른 2차 스테이지 FFT를 실시간으로 실행할 수 있다. 그러므로 최대 10 ms의 시간을 단축하고 수십 센티미터의 귀중한 제동 거리를 확보할 수 있다.

과거에는 간섭으로 인해 데이터가 소실되는 것을 어느 정도 허용할 수 있었다. 하지만 자동운전을 위해서는 레이더 시스템이 반드시 간섭을 피해야 한다. 이 점에서 신호 전송 시 위상 변조를 사용하는 방법이 자리를 잡고 있다. SPU는 이러한 위상 코드화 신호를 복조하는 것을 하드웨어적으로 지원한다.

미래의 레이더 센서는 보행자와 자전거 같은 물체를 더 정확하게 식별할 수 있어야 한다. SPU는 이러한 요구 또한 충족하도록 설계되었다. 이는 32비트 정밀도(고정소수점)와 CFAR(Constant False Alarm Rejection) 유닛을 사용해서 높은 프로세싱 성능을 제공하기 때문이다.

이들 새로운 레이더 마이크로컨트롤러는 록스텝 방식의 AURIX™ 제품과 동일한 안전성 콘셉트를 기반으로 하며, ASIL-C까지의 애플리케이션을 지원할 수 있다(CPU TriCore™를 사용하면 ASIL-D 및 2개 SPU 록스텝을 사용하면 ASIL-C).

무선 소프트웨어 업데이트(SOTA)

또 다른 새로운 요구는 무선 소프트웨어 업데이트(Software updates Over The Air, SOTA)를 할 수 있어야 한다는 것이다. 그러면 시스템을 현장에서 바로 재구성할 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 센서를 적절하게 인증할 수 있어야 하고 센서와 제어 유닛 사이에 데이터 교환을 안전(secure)하게 할 수 있어야 한다. 여기에는 AES 방식의 암호화 기법이 주로 사용된다. HSM은 비대칭 키와 HASH 또는 ECC 기반 MAC을 사용해서 향상된 보안을 제공한다. 그러므로 사이버 보안과 관련해서 갈수록 높아지는 요구를 충족한다.

전력소모 감소

3가지 특수 기능을 사용해서 전력소모를 낮춘다. 첫째, LVDS 인터페이스가 포착 간격과 포착 간격 사이에 저전력 모드로 전환한다. 둘째, 하드웨어 응답이 가능한 3D-DMA를 사용해서 낮은 전력소모로 메모리로부터 모든 연산자를 읽고 사용할 수 있다. 셋째, SPU가 병렬 실행 유닛들을 사용해서 메모리 액세스 횟수를 줄일 수 있다. 이를 통해 단일 계산으로 다수의 연산자를 실행할 수 있으므로 레이더 메모리에 대한 액세스 횟수를 크게 줄일 수 있다.

사용하기 편리한 툴

새로운 세대의 레이더 칩이 성공하기 위해서는 어떤 툴들을 지원하느냐가 중요한 문제이다. 이 레이더 SPU는 고도로 구성가능성이 뛰어난 것이지 프로그래머블한 것이 아니다. 즉 사용자가 새로운 프로그래밍 언어와 라이브러리를 배울 필요가 없으며, 몇 분 안에 설계 작업을 시작할 수 있다. 개발 작업과 생산성을 위해서는 코드 생성이 중요하다. 이 레이더 SPU는 MATLAB®을 사용한 자동 코드 생성을 지원한다. 제품군 내의 모든 제품에 걸쳐서 레이더 신호 프로세싱의 바이너리 호환이 가능하므로 설계 생산성을 높일 수 있다.

또한 이 SPU는 표준 소프트웨어 프레임워크를 사용할 수 있다. 그러므로 SPU 모델에서부터 실제 시스템으로 소프트웨어 디버깅을 하는 것에 이르기까지 전반적인 개발 작업을 매끄럽게 이어갈 수 있다. 프로그래머블한 것이 아니라 구성가능한 IP를 사용할 때의 또 다른 장점은 특수한 컴파일러가 필요하지 않다는 것이다. 또 Tasking이라고 하는 회사에서 AURIX™ TC3xx 레이더 제품군용 라이브러리로 LAPACK 인터페이스(BLAS 포함)를 제공한다.



이 인터페이스 구현은 Tasking TriCore 컴파일러 및 여타 아키텍처에 사용하도록 최적화되고 테스트를 거친 바이너리 라이브러리 형태로 제공된다. 그 외에도 설계 작업을 쉽고 빠르게 할 수 있도록 MATLAB® 기반 SPU 평가 툴(그림 5), AURIX™ TC3xx 레이더 제품군용 평가 보드(LVDS 커넥터 포함, MATLAB® 지원), 레이더 칩셋 평가 보드를 제공한다.
[저자 약력]
안드레 로거(Andre Roger) 박사는 인피니언 테크놀로지스의 자동차 부문 수석 시스템 아키텍트이다. 
알렉산드르 엥겔슈타인(Alexandre Engelstein) 박사는 인피니언 테크놀로지스의 자동차 부문, 자동차 ADAS 마이크로컨트롤러 사업부 제품 마케팅 및 사업 개발 책임자로 근무했다.

 

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