자동차가 지난 25년간 정밀한 기계 장치에서 고도로 통합된 전기기계 시스템으로 발전하면서 디자이너들은 새로운 문제에 직면하고 있다. 점점 더 복잡하게 바뀌는 전자 시스템을 각각의 연속 모델 이어(model year)에 추가해야 하는데, 품질과 신뢰성을 높이기 위한 높은 수준의 기준을 준수해야 하고 저비용의 대량생산에 대한 까다로운 요구를 만족시켜야 한다. 또 기술의 변화와 법적 규제, 새로운 소비자 수요와도 씨름해야 하는 상황이다.
전통적으로 자동차 개발자들은 이러한 시스템을 설계, 제어하고 각 세대의 기능들을 확장하기 위해 마이크로컨트롤러(MCU)나 주문형반도체(ASIC)를 이용했다. 오늘날 이러한 반도체 솔루션들은 복잡성이 증가함에 따라 기술적으로나 경제적으로 더욱 곤란에 처하게 되었고 지속적으로 신뢰성 증진 문제가 제기되고 있다. 또한 부품수의 증가, 시장 출시 압력, 적정 가격과 낮은 위험성에 대한 요구는 디자이너들에게 대안기술을 고려하게 하는 배경이 되고 있다. 이런 점을 고려하여 많은 차세대 자동차 전자 설계 엔지니어들은 FPGA 설계를 검토하고 있다.
FPGA는 MCU와 비교하여 자동차 디자이너들에게 더 높은 성능과 I/O, SRAM, 계산 능력, 유연성 등을 제공한다. 비슷한 ASIC과 비교하더라도 뛰어난 유연성과 낮은 가격, 위험성 등을 제공한다. FPGA는 ASIC과 달리 재프로그램이나 복수의 프로젝트에 사용할 수 있기 때문에 디자이너들이 엄격한 자동차 요건을 준수하는 데 따른 시간과 자원을 극대화할 수 있도록 도와준다. 또한 FPGA가 ASIC보다 뛰어난 명백한 이점은 이미 운영 중일 때에도 제품 변경이나 갱신을 할 수 있다는 점이다. 빠른 시장출시 압력과 높은 위험회피 환경에서는 FPGA 솔루션이 최적의 선택이 될 수 있다.
가트너 데이터퀘스트에 따르면, 자동차용 FPGA는 차량용 반도체 부분에서 가장 빠르게 성장하는 디바이스로, 시장규모는 2007년 8,500만 달러에서 2011년에 3억 3,300만 달러로 커질 전망이다(그림 1).

오해와 진실

반도체 제조공정의 미세화로 트랜지스터 사이즈가 작아지고 베이스 전압이 저하되면서 동시에 트랜지스터가 중성자에 의해 컨피규레이션 에러를 일으킬 가능성도 커지고 있다. 오늘날의 자동차 개발에 있어서는 여러 가지 시스템의 고유 기능을 보증하기 위해서 부품의 신뢰성 데이터를 요구한다. 신뢰성을 테스트 할 경우에 기술 선택이 중요하지만, 종종 오해를 일으키는 요소가 있다.
액텔은 자사의 비휘발성 FPGA가 SRAM 기반 FPGA 기술보다 품질과 신뢰성 면에서 몇 가지 중요한 장점이 있다고 주장한다. 우선 낮은 전력소모는 SRAM 기반 FPGA에서 보게 되는 전자이동현상과 열폭주 신뢰성 문제를 완화하는 데 확실히 유리하다. 액텔에서 특히 강조하는 것은 비휘발성 FPGA가 컨피규레이션 SRAM 업셋 문제를 일으키는 중성자에 기인하는 로직 에러에 대해 자유롭다는 점이다. 액텔은 파워트레인이나 안전 시스템과 같은 민감한 자동차 애플리케이션에 있어서 이러한 로직 업셋이, SRAM 기반 FPGA의 FIT(failure-in-time) 비율이 수용 가능한 산업 기준보다 종종 높은 수치를 나타내기 때문에 중요한 의미가 있다고 설명하고 있다.
액텔 기술백서를 보면(http://www. actel.com/documents/AutoWP.pdf), 0.22마이크론의 1M 게이트 SRAM 기반 FPGA를 사용한 탑승자 감지센서/에어백 제어 모듈의 경우에 예측된 업셋 비율은 4,375 FIT이다. 또 이 안전 시스템을 50만 대의 자동차에 이용하게 되면 예측된 업셋 비율은 하루에 합계 52.5의 업셋이 발생하며 하나의 업셋 당 27.4분(또는 2,187,500,000 FIT)이 된다고 한다. 액텔은 이것이 SRAM 컨피규레이션 메모리의 펌 에러(firm error)이기 때문에 로직 문제는 SRAM FPGA를 리로드하기 전까지 지속될 것이라고 지적한다. 그리고 펌 에러에 민감한 SRAM 기반 FPGA 기술의 광범위한 적용에 따른 대가가 무엇이겠냐고 묻고 있다.
액텔은 우선 기존의 검출 기술들이 시스템에 커럽티트 데이터(corrupt data)가 들어오는 것을 차단하지 못할 수도 있기 때문에 시스템의 펌 에러 내성을 점검하는 새로운 품질 평가 시스템이 필요할 수 있다고 지적한다. 또 FPGA의 펌 에러를 검출하고 정정하기 위한 설계는 시스템 설계에 있어서 추가적인 복잡성과 보드 공간, BOM 비용을 증가시키게 될 것이라고 언급하고 있다.
결과적으로 이것은 안전이 중요한 제품을 제공해 온 FPGA 업체에게는 도전이면서 기회라고 할 수 있다. 이미 대부분의 FPGA 업체들이 극한 환경조건에서 높은 성능과 신뢰성을 보증하는 디바이스를 제공하고 있다. 예를 들어 액텔의 플래시 기반 ProASIC3 FPGA는 AEC-Q100 그레이드 2(-40℃~105℃)와 그레이드 1(-40℃~125℃) 인증을 취득한 디바이스다. 또한 ISO/TS 16949:2002 인증을 취득했고, 생산 부품 승인 프로세스인 PPAP(Production Part Approval Process) 문서를 제공한다. 이것은 FPGA가 텔레매틱스나 인포테인먼트 애플리케이션을 뛰어넘어 UTH(Under the hood) 파워트레인 제어나 에어백, 크루즈 컨트롤, 충돌방지, ABS 등의 안전 시스템 애플리케이션까지 넘볼 수 있게 되었다는 의미이기도 하다. FPGA는 특히 여러 가지 자동차 서브시스템 간에 유연한 상호연결 솔루션에 적합하다.

소비전력 문제

오늘날 자동차 시스템 디자이너들은 점점 더 복잡해지는 전자장치를 계속해서 추가하고 품질과 신뢰성에 대한 높은 기준을 준수해야 한다. 또한 소비자 요구와 법적 규제를 고려해야 하고 저비용의 대량생산에 대한 까다로운 수요를 충족시켜야 한다. 늘어나는 부품수와 거세지는 시장출시 압력, 성능 향상에 대한 요구는 디자이너들에게 과거부터 사용해온 마이크로컨트롤러나 ASIC 이외의 기술을 고려할 것을 강하게 요구하고 있다.
단일 칩 비휘발성 FPGA 기술은 자동차 디자이너들에게 신뢰성과 안정된 성능, 향상된 기능, 더 낮은 가격, 보다 향상된 유연성 등 많은 이점을 제공해 줄 수 있게 되었다. 그러나 최소 배선 폭 측면에서는 SRAM 기반 디바이스가 여전히 확실한 우위를 점하고 있다.
현재 플래시 기반 디바이스의 최소 배선 폭은 130 nm인데 반하여 최신 SRAM 기반 FPGA는 90 nm이다. 따라서 SRAM 기반 칩은 동일한 복잡성을 갖는 플래시 기반 칩의 절반 면적만 차지하게 된다. 이에 대해 액텔은 이러한 단순 비교는 잘못된 것임을 지적한다. 액텔은 자사의 플래시 기반 아키텍처가 경쟁 SRAM 기반 디바이스에 비해 더 효율적이기 때문에 두 기술을 사용해 기능적으로 동일한 디바이스를 만든다면 플래시 기반 부품의 복잡성이 더 낮고, 따라서 더 넓은 배선 폭에도 불구하고 SRAM 기반 디바이스보다 훨씬 더 좁은 면적을 차지한다고 주장한다. 또 코스트 측면에서도 65 nm 노드가 130 nm 노드보다 웨이퍼나 프로세스 가격 측면에서 유리할 것이 없다고 지적한다. 이를 감안하여 액텔은 게이트 당 가격을 낮추기 위해 시스템 게이트 수가 10만 게이트 이하인 경우 130 nm 노드를, 100만 게이트 이상인 경우 65 nm 노드를 적용 내지는 검토하고 있다. 특기할만한 점은 90 nm 공정 기술이 소비전력 측면에서 이점이 없다는 판단 하에 90 nm 노드를 건너뛰어 곧바로 65 nm 공정으로 직행할 계획이라는 점이다. 테이프아웃은 2009년 초로 예정하고 있다.
액텔은 정적 소비전력 FPGA 영역의 절대강자임을 자부한다. 이 회사가 2005년 발표한 ProASIC3는 플래시 기반 FPGA로 100만 시스템 게이트 제품의 대기전력이 8 mW 정도다. 또 2006년 발표한 플래시 기반 FPGA인 IGLOO는 3만 시스템 게이트 제품의 대기전력이 0.005 mW이다.

선택의 문제

차량용 전자장치의 개발기간이 점점 더 짧아지면서 FPGA를 설계하는 디자이너들이 확실히 늘고 있다. FPGA 전문업체들이 자동차 전자 애플리케이션을 겨냥한 제품을 앞다퉈 출시하는 배경이기도 하다. 그러나 FPGA가 디자이너들의 우려를 말끔히 씻어낸 것은 결코 아니다. 예를 들어 회로 선폭이 줄어들수록 온도 대응이나 누설전류 등 또 다른 문제가 제기되고 있다. 펌 에러도 그 중에 하나다. 자동차용 FPGA는 극단적인 온도에서도 장기간 견딜 수 있어야 한다. 고온으로 인하여 FPGA의 전력 소비가 증가하면 열폭주가 발생하고, 그 결과 발열이나 디바이스 내의 전력손실이 증가하게 되며 디바이스에 심각한 손상을 입히기도 한다. 이에 대해 FPGA 업체들이 내놓을 수 있는 현실적인 대안은 사안 별 절충을 통해 디자이너들에게 선택의 폭을 넓게 제공하는 것이다. 비휘발성 FPGA도 그 범주에 있다.
디자이너는 설계하고자 하는 시스템에 대한 깊은 통찰력을 바탕으로 최적의 FPGA를 선택하면 된다. FPGA 업체들은 그 선택을 돕기 위해 기술백서, 애플리케이션 노트, 각종 인증서 등을 제공한다.