자동차 제조사들이 자사 브랜드의 차별화와 수요 자극을 위해 전자장치의 사용을 늘려감에 따라 필요한 네트워크 용량과 속도, 대역폭을 지원하고 있는 업계의 구미를 자극하고 있다. 전자장치의 증가는 차량 네트워크의 수를 증가시켜 CAN이나 LIN 부품의 주요 제조사에 비즈니스 기회를 제공한다. 이들은 한발 더 나아가 차세대 네트워크 기술로 FlexRay 뿐만 아니라, 인포테인먼트용으로 제안된 MOST와 IDB-1394의 실용화에도 적극 나서고 있다. 속도와 대역폭에 대한 OEM들의 줄기찬 요구는 차량 네트워크 기술의 혁신을 주도하는 사실상의 진앙지가 되고 있다.
이미 자동차에 들어가는 전기·전자장치가 전세계적으로 35%를 넘어섰다. 오늘날 자동차의 ECU 수는 안전과 편리성을 위해 더 많은 기능들이 추가됨에 따라 30개에서 최대 100개까지 늘어났으며 인포테인먼트용 전자장치는 훨씬 더 복잡하게 발전하고 있다.
ECU 수는 새로운 아키텍처를 채택하지 않는 한 계속해서 늘어날 것이다. 이에 따라, 요즘 자동차에 탑재되는 전자장치의 수는 디자이너들에게 특정 애플리케이션을 위한 간단하면서도 고성능의 견고한 시스템을 개발하는 데 있어서 많은 과제를 제기하고 있다.
자동차에 ECU(electronic control units)의 수가 늘어남에 따라 차량 내부에는 LIN, CAN, FlexRay, MOST 등 다양한 버스 프로토콜이 사용되고 있다. 하나의 프로토콜이 모든 애플리케이션 조건에 부합되는 것은 아니기 때문에 다양한 프로토콜이 복잡한 차내 네트워킹 시스템에 분산돼 있다.
네트워크의 설계 복잡성은 통신 부담을 빠르게 증가시키고 있다. 전체 자동차 설계에서 다수의 ECU 서브시스템이 통합됨에 따라 기능성과 성능의 절충 측면에서 정보 손실, 불필요한 지연, 간헐적인 오류를 포함한 중요한 문제가 발생할 수 있다.
현재 125kbps의 저속 LIN과 500kbps의 고속 CAN 버스 프로토콜이 자동차에서 광범위하게 사용되고 있다. LIN과 저속 CAN의 경우에는 차체 제어 애플리케이션에, 고속 CAN은 엔진 제어용으로 사용된다. CAN은 이미 1993년도에 국제표준 규격으로 제정된 기술이며, LIN은 향후 사용이 더욱 늘어날 것으로 예상되는 표준이다.
하나의 네트워크가 정착되고 나서 그것을 대체하기 위해서는 많은 노력이 선행돼야 한다. 그런 점에서 지난 10년 이상 업계가 사용해 온 CAN이나 LIN 버스들은 앞으로도 계속 생명력을 이어갈 것으로 전망된다. 사실 FlexRay가 자동차 와이퍼나 전기식 창문 제어장치와 같은 LIN 애플리케이션에 영향을 미칠 가능성은 희박해 보인다. 그 이유는 이러한 장치들이 차량의 다른 장치들과 통신할 필요성이 크게 없고 데이터 대역폭에 대한 요구도 낮기 때문이다. CAN은 앞으로도 상당 기간 자동차 제어 장치에서 중요한 역할을 담당하게 될 것이다. CAN이 최신 자동차의 총 대역폭 요구를 수용하기에는 부족한 것은 사실이지만, 전혀 해결의 여지가 없지는 않다.

구입 가능한 칩 솔루션
마이크로칩(www.microchip.com)은 CAN과 LIN 기반의 ECU 개발자들을 지원하기 위한 플래시 타입의 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털 신호제어기 및 트랜시버를 제공한다. 이 제품군은 6핀에서 100핀까지의 넓은 소자 범위를 제공하며 모두 호환성이 있어서 개발기간 단축과 비용을 낮추는데 유리하다.
이 회사가 지난 해 8월에 발표한 8비트 CAN 마이크로컨트롤러 PIC18F4685는 80KB 또는 96KB의 플래시와 EEPROM 메모리를 통합했다. 이 제품군은 자동차의 서스펜션, 스티어링, 에어백, 온도조절장치, 충돌방지/후방감지기, 정보오락 기기, 무선 수신기 모듈 등 공간 제약이 있는 애플리케이션을 겨냥해 28핀과 44핀 소형 패키지로 제공된다. 
텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)의 독립형 LIN 2.0 트랜시버인 TPIC1021은 최고 17㎸(IEC) 및 12㎸(HBM)의 ESD 보호 기능을 제공함으로써 별도의 보호 부품이 필요 없다. S08패키지로 제공되는 TPIC1021은 ISO(Inter-national Standards Organization)7637 과도전류에도 영향을 받지 않으며 LIN 버스에서 -40V~+40V를 처리할 수 있는 오류 방지 기능이 제공된다.
이 소자는 RC(Resistance-Capacitance) 오실레이터 기반형 마이크로컨트롤러 시스템으로 사용될 수 있으며 이것은 도어 모듈, 윈도 리프터, 좌석 제어와 지능형 센서 및 액추에이터 등 차세대 LIN 기반형 자동차 보디 애플리케이션을 가능케 한다.
NEC전자(www.am.necel.com)는 2개의 CAN 인터페이스와 스테핑 모터 드라이버, LCD 컨트롤러 및 드라이버, 병렬 LCD 버스 인터페이스와 사운드 제너레이터를 통합한 32비트 마이크로컨트롤러 V850E/Dx3을 제공한다. 이 소자는 16채널 ADC, I²C 버스 및 17개의 16비트 타이머를 포함하고 있다. 144핀 QFP 패키지의 V850E/Dx3은 128KB에서 2MB의 플래시 메모리를 제공하며 RAM 용량은 6KB에서 최대 32KB이다.
르네사스 테크놀로지(www.renesas.com)는 16비트 코어와 8비트 또는 16비트 주변장치를 특징으로 하는 플래시 기반 R8C/tiny MCU를 제공한다. 최대 동작 주파수 20MHz의 이 제품군에 속하는 모든 소자들은 LIN 인터페이스를 지원하며 일부는 CAN 2.0B를 지원한다. R8C/Tiny 시리즈는 1MB의 메모리 공간을 가지고 있으며 8비트 다기능 타이머와 UART/클록 동기식 시리얼 인터페이스, 인풋 캡쳐 타이머(input capture timer), 와치독 타이머(WDT), 오실레이션 정지 감지 기능, 롬 에러 정정 기능 등이 온칩화 되어 있다.
R8C/tiny MCU는 현재 차체 제어 등 주로 8비트 애플리케이션을 겨냥하고 있으므로 부가적인 속도와 애플리케이션 개발 헤드룸에 의한 이점을 제공한다. 이 소자들은 동기화를 위해 필요한 인터럽트의 수를 감소시키는 LIN 하드웨어 제어 회로를 포함하고 있다. LIN 하드웨어 모듈은 버스 충돌 검출 및 웨이크업 기능도 제공한다. LIN 컨트롤러는 5% 정확도의 내부 오실레이터를 사용하여 구동할 수 있으며, 또는 소프트웨어를 통해 1% 정확도까지 트리밍 될 수 있다. 내부 오실레이터는 외부 클록의 필요성을 없애 주어 2개의 I/O핀을 자유롭게 이용할 수 있도록 해준다. 르네사스는 FlexRay를 지원하는 32비트 CISC 및 RISC 마이크로컨트롤러도 개발중에 있다. 이 소자들은 올해 안에 준비될 것으로 예상된다.

차세대 차내 네트워킹 기술
현재 FlexRay나 MOST 같은 TTA (Time Triggered Architecture) 기반의 결정론적 네트워킹 기술은 북미나 일본보다는 유럽에서 더 활발하게 전개되고 있다. OEM들은 대역폭이 실제로 필요하지 않는 한, 고속 네트워크의 구현을 가능한 한 지연시키려 하고 있다. 그동안 일부 OEM들은 500kbps 이상의 속도를 제공하는 특정 피어-투-피어 CAN 네트워크를 채택하게 될 것이다.
NXP 반도체(www. nxp.com, 구 필립스반도체)는 단일 칩 상에 LIN과 CAN 트랜시버, LDO 전압 레귤레이터, SPI, WDT, 진단 기능 등을 통합하여 ECU 설계를 단순화시킨 고장-안전 SBC(fail-safe System Basis Chip) 제품군에 속하는 UJA1061을 발표했다. 이 칩은 공통 지정(common pinning)과 소프트웨어 인터페이스를 공유하여 점점 복잡해져 가는 네트워크 애플리케이션을 개발하는 OEM들의 시장 출시기간을 단축시켜 준다.
ST마이크로익렉트로닉스(www.st.com)는 CAN과 LIN, 60KB의 플래시 메모리를 통합한 저전력 모드를 갖춘 8비트 마이크로컨트롤러 ST72561 칩을 제공한다. 이 제품은 도어 모듈, 창문 올림장치, 계기판, 좌석 모듈, 선루프, 온도 조절, 핸즈프리 휴대전화, 배기가스 재활용 제어 등 광범위한 자동차 보디 애플리케이션에 적합하다.
ST72561은 29비트 식별자를 완전 지원하는 CAN 셀과 향상된 메시지 필터링을 갖추고 있어 복잡한 CAN 네트워크에서도 소프트웨어 오버헤드와 CPU 부하를 감소시켜 준다. 두 개의 LINSCI™ 인터페이스는 내장된 LIN 프로토콜 프레임 중지 지원과 함께 LIN 통신 시 UART 기반 솔루션에 비해 CPU 부하가 적다고 한다. 7×7mm TQF 32핀 패키지로 제공되는 ST72561의 대기 모드에서 전력 소비는 1μA 미만으로 매우 낮고 자동 웨이크업 기능을 사용할 경우 50μA 미만이다.
NXP는 차량에 접속 노드의 수가 계속해서 증가하고 더 높은 대역폭이 요구됨에 따라, FlexRay에 대한 비중을 높여가고 있다. 또한 CAN이나 FlexRay 등의 상이한 프로토콜 간 통신의 필요성이 제기됨에 따라 게이트웨이 모듈 개발에도 박차를 가하고 있다. 이 게이트웨이 모듈은 외부 세계와의 통신과 자동차 ECU에 대한 EOL(end-of-line) 프로그래밍, 진단 및 도중 업그레이드를 용이하게 한다.
최근에 이 회사는 SJA2510 FlexRay 2.1 컨트롤러와 TJA1080 트랜시버로 구성되는 FlexRay 시스템의 샘플 공급을 발표했다. 80MHz 성능의 SJA2510은 기존에 개별 칩이었던 프로토콜 컨트롤러와 FlexRay 통신 컨트롤러를 원칩화 한 제품으로, 32비트 ARM968 CPU 코어와 최대 1MB 임베디드 플래시 메모리, 48KB 이상의 SRAM을 탑재했다. 또한 32개의 아날로그 입력과 24개의 16비트 PWM 출력을 제공하며 6채널의 CAN 2.0B 컨트롤러와 8채널의 LIN 2.0 마스터 컨트롤러를 내장했다. 현재 제휴 관계에 있는 프리스케일 반도체와 프로토콜 엔진(PE)을 공통으로 사용함으로써 조기 개발과 함께 범용성을 실현했다.
NXP의 TJA1080은 FlexRay 네트워크에서 최고 10Mbps까지 지원하는 트랜시버로, FlexRay V2.1을 지원하며 FlexRay 노드 및 액티브한 스타 모드를 지원한다.
한편, BMW는 지난해부터 여러 신규 모델에 FlexRay를 구현하고 있다. 이러한 추세는 비단 BMW 뿐만 아니라 다른 경쟁사들을 자극하여 FlexRay의 채택을 가속화시킬 것으로 전망된다. 업계에서는 언젠가 FlexRay가 LIN과 CAN처럼 일반화될 것이란 확신을 가지고 있다. 그 이유는 자동차의 제조효율, 안정규정 및 편리성 기능 등이 급증하고 있기 때문이다. 그러나 FlexRay가 현재 고급 자동차에서 CAN 모듈을 대체하고 있는 것은 사실이지만, CAN과 LIN이 향후 10년간 자동차 제어 아키텍처에 있어서 한 몫을 담당하게 될 것이란 데 이견을 다는 사람은 없다. LIN 네트워크는 센서와 액추에이터를 사용하는 애플리케이션으로 네트워크 기능을 더 확장하기 위해 CAN 기반의 시스템에 추가되고 있다.
예를 들면, LIN 서브네트워크가 좌석 제어기뿐만 아니라, 좌석에 있는 개별 모터 및 센서와 효과적으로 통신할 수 있도록 보디 제어 네트워크에 추가되고 있다. 프리스케일 반도체는 기존 LIN과 CAN 네트워크 구조에 간단하게 주요 네트워크를 추가할 수 있는 기술을 개발하고 있다.
이벤트 중심에서 시간 중심의 FlexRay 통신으로의 마이그레이션은 차내 통신에 있어서 패러다임의 전환을 의미한다. 이것은 관련된 모든 부서의 재교육이 필요하며 어느 정도의 시간이 소요되겠지만, 이 단계를 넘기면 새로운 많은 응용분야가 창출될 것이다.
FlexRay는 간단한 프로토콜이 아니다. FlexRay는 통신 채널을 통해 클러스터를 시동시키고 최적의 프레임 크기를 선택하기 위한 토폴로지 구성이 복잡하다. 하지만 FlexRay의 결정론적 동작과 내결함성(fault-tolerant), 10Mbps의 데이터 전송 속도는 brake-by-wire와 그 밖에 섀시, 파워트레인 및 안전 관련 애플리케이션을 실현하기 위한 기존 프로토콜보다 더욱 강력한 선택의 폭을 제공한다.
프리스케일 반도체(www.freescale.com)는 16비트 HCS12 마이크로컨트롤러 제품군 기반의 FlexRay 지원 MFR4300 독립형 컨트롤러를 제공하고 있다. 이 회사는 가까운 미래에 32비트 파워 아키텍처에 기반한 FlexRay 제품도 발표할 계획이다. 현재 프리스케일은 맞춤 설계 구현에 사용하기 위한 FlexRay IP를 라이선싱 하기 위해 서드-파티와 협력 관계를 구축하고 있다.
현 시점에서 반도체 제조사들의 주요 관심사는 MCU에 FlexRay 컨트롤러를 통합함으로써 FlexRay 시스템의 가격 하락을 도모하는데 모아지고 있다. FlexRay 컨소시엄은 간단하면서도 비싸지 않게 구현할 수 있는 FlexRay의 여러 가지 접근법을 고려하고 있다.
프리스케일은 2005년 12월에 통합된 독립형 FlexRay 컨트롤러 MC9S12XFR 및 MFR4300을 발표했다. 두 제품은 FlexRay V2.1 프로토콜과 프리스케일의 16비트 40MHz S12X 코어에 기반하고 있다. 2개의 채널에서 각각 최대 10Mbps의 시리얼 통신을 제공하는 MC9S12XFR과 MFR4300은 향상된 기능성과 온보드 진단 기능을 필요로 하는 섀시 제어, 보디 일렉트로닉스 및 파워트레인 애플리케이션에 적합하다.
같은 해 9월, 후지쯔 마이크로일렉트로닉스(www.fma.fujitsu.com)는 Robert Bosch가 개발한 FlexRay V2.0 IP를 최초로 도입한 FlexRay 컨트롤러 MB88121을 발표했다. 또한 FlexRay 2.1 IP 지원 계획과 함께 32비트 RF 코어에 기반한 FlexRay 제품도 발표할 계획이다.
64핀 LQFP 플라스틱 패키지 제품인 MB88121은 2개의 채널에서 각각 10Mbps의 속도를 지원하며 엔진 제어와 브레이크, 및 스티어링 서브시스템에 적합한 내결함성 및 결정적 데이터 통신을 제공한다. 내부 속도는 4MHz, 5MHz, 8MHz 또는 10MHz의 외부 오실레이터 또는 외부 클록으로 80MHz에 이른다. 이 칩의 병렬 인터페이스는 33MHz의 최대 주파수를 제공한다.

신규 버스 아키텍처 꾸준한 성장
FlexRay가 단시간에 확산될 가능성은 높지 않아 보인다. 초기에는 CAN 버스와 필연적으로 공존하게 될 것이다. CAN과 LIN 네트워크는 엔진 제어용으로 사용되는 2, 3중 CAN 아키텍처와 함께 계속해서 중요한 역할을 담당할 것이며, CAN은 보디 제어 모듈들을 연결하는데 사용될 것이다. LIN 네트워크는 에어컨과 도어록 등의 특정 12V 애플리케이션을 지원한다.
MOST 역시 완만한 성장세를 이어갈 전망이다. MOST의 성장은 IDB-1394와의 경합에 의해 지체될 가능성이 있다. 그럼에도 불구하고 MOST 기술의 완전한 표준화는 자동차 인포테인먼트 시스템의 광범위한 확산을 가능케 할 것이다. 이에 대해, 업계 관계자들은 자동차 제조사들이 MOST 프로토콜로 빠르게 전환하기 보다는 상황에 따라 대응할 것으로 관측하고 있다. 일부 자동차 제조사들은 MOST 프로토콜의 내결함성에 대해 우려하고 있는 것도 사실이다. 그럼에도 불구하고, 업계 분석가들은 2012년까지 북미에서 판매되는 전체 자동차의 27.5%가 인포테인먼트 애플리케이션을 지원하기 위해 MOST 네트워크를 지원할 것으로 예측하고 있다(Frost & Sullivan).
구리선이 아닌 광섬유를 기반으로 한 MOST의 구현은 업계의 관심을 1394에서 MOST로 전환시키고 있다. 현재 MOST는 멀티미디어 애플리케이션용으로 가장 적합한 프로토콜로 인정받고 있다. 특히 MOST는 최대 전송 속도 24.5Mbps, 최대 노드 수 64개를 제공하며 데이터 전송 거리도 70m를 보장한다.
향후 MOST의 대량 전개에 따라 북미와 아시아의 중대형차 제조사를 중심으로 MOST 프로토콜의 확산이 가속화될 전망이다. 지난해에는 46종의 차량에 MOST 네트워크가 도입된 것으로 업계는 추산하고 있다.

1394의 약진
몇몇 회사들은 인포테인먼트와 기타 애플리케이션을 처리하기 위해 차량용 1394 칩을 선보였다.
닛산을 비롯한 기타 자동차 제조사들은 새로운 애플리케이션들이 여러 미디어 소스 및 싱커로, 그리고 이것들로부터의 다중 연결이 필요할 것으로 확신하고 있다.
예를 들어 디스플레이는 카메라, 내비게이션 시스템, DVD를 포함하여 여러 소스들과 연결될 필요가 있으며, DVD 소스는 여러 디스플레이들에 연결될 필요가 있다. 그 결과 디지털/멀티채널 지원 네트워크로의 이동이 그 어느 때보다도 중요해짐에 따라 AMI-C의 1394 담당 그룹에서는 이를 지원하기 위한 새로운 규격 책정을 진행하고 있다.
텍사스 인스트루먼트는 자동차용으로 IEEE 1394b 3포트 케이블 트랜시버/아비터 제품인 TSB-41BA3A를 생산하고 있다. 또한 야자키와 스미토모전기, 몰렉스 등의 회사는 IDB-1394 차량 네트워크용 플라스틱 광섬유와 고속 구리 커넥터를 공급한다. 야자키 등 일부 회사에서는 IDB-1394 뿐만 아니라 MOST도 지원한다. 후지쯔 마이크로일렉트로닉스는 1394b PHY와 링크층, 디지털 데이터의 복사 방지 기술(DTCP)을 단일 칩에 결합한 IDB-1394 호환 칩 MB88387을 발표했다. 차내 오디오/비디오 멀티미디어 엔터테인먼트 시스템용으로 설계된 MB88387은 헤드 유닛, DVD 플레이어, 내비게이션 시스템, 카메라, 스피커 또는 다른 장치들로부터 오디오/비디오를 자동차 디스플레이에 연결하며 부드러운 오디오 및 비디오 스트림 플레이백을 위한 IEC61883 AV 프로토콜을 지원한다.
176핀 24mm²의 LQFP 패키지로 제공되는 MB88387은 최대 400Mbps의 데이터 전송 속도를 지원하며 1.8V의 내부 전압과 3.3V의 입출력(I/O) 전압으로 동작한다. PHY층은 2개의 1394b/S400 포트를 지원하고 DTCP 기능은 한 번에 두 개의 데이터스트림을 암호화 또는 복호화 할 수 있다. MB88387을 통해 연결된 시스템들은 최대 100m 거리에서 오디오 및 비디오 신호를 전달할 수 있다. 올해 후지쯔는 간단한 비디오 코덱을 내장한 제품도 선보일 계획이다.
텍사스 인스트루먼트의 TSB41BA3A는 케이블 기반형 IEEE 1394 네트워크에서 3-포트 노드를 구현하는데 필요한 디지털과 아날로그 트랜시버 기능을 제공한다. 각 케이블 포트는 라인 상태를 모니터하기 위한 회로와 두 개의 차동 라인 트랜시버를 포함하고 있다. 이것은 연결 상태의 결정, 초기화 및 조정, 패킷 송수신 등을 하기 위해 필요하다.
또한 TSB41BA3A는 TI의 여러 링크층 컨트롤러와 인터페이스 되도록 설계되었다. 1394 컨트롤러는 이제 막 관심을 갖기 시작한 단계로 공급가가 떨어지면 적용이 확산될 것으로 예상된다.

AEM_Automotive Electronics Magazine