STMicroelectronics Ted LIM      ST마이크로일렉트로닉스 임의택 부장

Stellar는 ST만의 PCM NVM을 사용해 OTA 구현에서 비용 효율성을 극대화시키며 다운로딩 시간과 데드타임을 줄인다. 또한 ECU 통합, 도메인 컨트롤러를 위해 물리적인 하이퍼바이저를 가상화 기능을 지원한다. 이 가상화 기능을 통해 물리적 MCU에서 다중으로 애플리케이션을 공존시킬 수 있기 때문에 설계에 유연성을 향상시킬 수 있다. 임의택 부장이 Stellar MCU를 설명한다. 

글 | 윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr


Q. Automotive Innovation Day(AID)에 3년째 참여하고 있습니다. 올해 행사에서는 어떤 내용을 소개했는지 간단한 설명 부탁드립니다. 



A. 올 AID 행사에서는 ST의 전장용 ARM Cortex-R52 코어를 탑재한 차세대 MCU인 Stellar 제품에 대해 소개했습니다. ST 32bit Automotive MCU는 90nm 공정을 시작으로 현재 40nm 공정 기술을 사용해 생산하고 있습니다. 다음 세대 제품인 Stellar부터는 28nm FD-SOI 공정을 사용해 생산하게 됩니다. ST의 FD-SOI 공정은 Fully Depleted Silicon on Insulator의 약자로 완전 공핍형 실리콘 인슐레이터라고 불리는 공정입니다. 실리콘 웨이퍼 위에 매우 얇은 절연 산화막을 형성(Silicon On Insulator)한 뒤 그 위로 평면형 트랜지스터 전극을 구성하는 기술입니다. 실리콘 웨이퍼 위로 올라간 절연 산화막은 트랜지스터 아래쪽 공간을 완전히 공핍(혹은 밀봉 Fully Depleted) 시키는 덕에 전자가 게이트(소스→게이트→드레인)를 거쳐 이동할 때 발생하는 기생 용량(parasitic capacitance)을 낮추고 누설 전류도 크게 감소됩니다. 동일 회로 선폭에서 FD-SOI 공정으로 생산된 칩의 전력효율성은 2배나 차이가 납니다.

ST Stellar 제품군은 flash memory에서도 기존의 MCU 제품들과 큰 차이가 있는데 바로 새로운 embedded Flash인 PCM(Phase Change Memory)입니다. PCM은 기존의 NOR flash보다 빠른 access time과 programing speed를 지원하며 erase 시 구분된 섹터 전체를 지워야 하는 NOR flash의 한계와는 달리 single bit overwrite가 가능하기 때문에 전체적인 flash programing 시간이 크게 줄어듭니다. 이는 자동차 아키텍처 트렌드에 맞추어 점점 더 커지는 MCU flash programing에 있어 펌웨어 업데이트에 매우 큰 장점이 됩니다.

또한 PCM은 요즘 자동차의 대세 트렌드인 OTA에도 강한 강점을 가지고 있습니다. PCM을 사용함으로써 메모리 이중화 OTA에 대응하기 위해 code images의 2배 사이즈를 지원하는 큰 디바이스/메모리를 사용하는 고객의 부담을 줄여 줄 수 있습니다.

Stellar의 OTA X2 mode는 메모리 이중화 구현에 있어 기존의 2배 사이즈의 flash를 사용하는 것이 아닌 하나의 flash로도 메모리 이중화를 구현할 수 있도록 해 고객의 비용적인 부담을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있습니다. Nor Flash를 사용하는 기존의 MCU의 경우, 메모리 이중화를 구현하는데 있어 Firmware가 저장되는 공간을 A와 B 두 개로 준비해야 하며 각각의 A와 B에 firmware를 저장하게 됩니다. 항상 A와 B 두 개의 공간을 준비해야 하는 것에 있어 더 큰 flash size와 더 큰 MCU 사양이 요구됩니다. 

Stellar에서 채용된 PCM의 경우, PCM 메모리의 retention을 보장하기 위해 flash의 저장공간인 cell이 두 개로 구성돼 있습니다.  OTA X2 mode가 아닌 Standard mode의 경우에는, 하나의 logical bit의 값 0 혹은 1이 두 개의 cell로 저장되며, 두 개의 cell 값이 서로 다를 경우, 1 같은 경우, 0으로 logical bit를 판단하게 됩니다. OTA X2 mode로 변경이 되면 두 개의 cell로 하나의 logical bit를 사용하던 방식에서 두 개의 cell, 각각을 그대로 1bit 저장공간으로써 사용하게 됩니다. 그렇기 때문에 OTA X2 mode에서는 flash의 사용 공간이 두 배로 늘어나는 효과를 가질 수 있게 되며 이는 애플리케이션에서 단순히 두 배의 공간만을 위해 큰 flash size의 MCU를 사용하지 않아도 되는 장점이 됩니다.



Q. 이런한 제품을 AID에서 소개하게 된 배경은 무엇일까요? 

A. 자동차 아키텍처는 커넥티드 카, 자율주행 등의 새로운 트렌드와 함께 크게 변화하고 있습니다. 많은 자동차 메이커들이 Distributed Architecture로부터 Domain Architecture 더 나아가 Zonal Architecture까지 도입하면서 차량에 들어가는 ECU들은 점점 더 통합되기 시작했고 전장용 MCU는 더 많은 computing power가 요구되고 있습니다.

Stellar는 ECU 통합 및 도메인 컨트롤러를 위한 real-time 가상화 플랫폼을 지원하는 첫 번째 전장용 MCU입니다. 여러 ECU들의 통합 개발에 대한 어려움을 MCU 내부의 하드웨어 Hyperviosr를 통해 가상화를 지원하게 됩니다.

각기 다른 ASIL 레벨의 ECU 애플리케이션들에 peripherals과 메모리 공간을 전용으로 할당해 내부적으로는 강하게 고립시켜 각각의 애플리케이션들이 독립적으로 동작하도록 구현할 수 있습니다. 또한 Stellar의 하드웨어 Hyperviosr를 사용한 가상 머신의 제공은 Software로 구현한 Hypervisor보다 훨씬 적은 overhead와 real-time성을 제공할 수 있습니다.
또한 OTA 등을 통한 Firmware update 역시 가상 머신을 통해 다른 애플리케이션에 영향을 주지 않고 원하는 애플리케이션만 업데이트를 할 수 있습니다.


Q. 경쟁사 제품과 비교할 때의 특징은 무엇일까요?

A. Stellar SR6 MCU는 최대 400 MHz로 동작하는 6개의 R52 코어와 200 MHz로 동작하는 3개의 Cortax-M4 코어를 탑재해 최대 7000에서 16000 DMIPS의 performance를 가지게 됩니다. 또한 더욱 향상된 HSM 2nd gen과 400 MHz로 동작하는 총 4개의 ASILD Crypto module를 지원합니다.

ST만의 특별한 PCM NVM을 사용해 OTA를 구현하는데 있어 비용적으로 효율성을 극대화 시킬 수 있습니다. PCM은 기존의 Flash architecture보다 빠른 access time과 program time을 지원해 OTA의 downloading 시간과 dead time을 줄일 수 있게 됩니다.
ECU 통합 및 도메인 컨트롤러를 위해 물리적인 Hypervisor를 통한 가상화 기능이 지원됩니다. 이 가상화 기능을 통해 물리적 MCU에서 다중으로 애플리케이션을 공존시킬 수 있기 때문에 설계에 유연성을 향상시킬 수 있습니다.



Q. 어떤 애플리케이션에 적합할까요?

A. Stellar MCU는 기본적으로 Domain controller, Zone Controller에 특히 적합합니다. 세부적으로 보면 Stellar의 두 가지 제품군 중에서 Stellar P 제품군은 차세대 드라이브트레인 애플리케이션(traction invertor, OBC, DCDC) 및 전기화 통합/도메인 시스템에 적합하며, Stellar G 제품군은 데이터 라우팅 가속기를 통해 효율적이고 안전하게 Gateway 기능을 구현할 수 있어, CCU 등에 적합합니다. 그 외에도 8 MB부터 20 MB까지의 호환성을 제공해 다양한 자동차의 차세대 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.


Q. 마지막으로 자동차 E/E Architecture의 트렌드에 따른 MCU의 변화에 대한 의견을 부탁드립니다.

A. 자동차의 경량화 및 친환경 그리고 커넥티드 카(Connected Car)와 자율주행 등 새롭고 많은 Trend를 통해 자동차 E/E architecture는 급변하고 있습니다. 이제 자동차 회사들은 친환경 Trend에 맞추어 Wiring harness의 길이를 줄이고 차량의 무게를 줄이기 위해 현존하는 많은 ECU들을 통합해야 합니다. 또 커넥티드 카, 자율주행 등의 트렌드는 실시간으로 점점 더 많은 데이터 처리와 높은 레벨의 보안 기능을 요구하고 있습니다. 앞으로 MCU는 Multi-core와 가상화를 통해 수많은 자동차 ECU들의 통합을 지원해야 하며, Data routing 가속기, 더 빠른 core clock, Evita Full level의 Security module을 필요로 하게 될 것입니다. [AEM]