ST Power Supply Solution of Domain Controllers for Autonomous Driving
자율주행 도메인 컨트롤 유닛을 위한 ST 파워 솔루션
2022년 09월호 지면기사  /  글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr



STMicroelectronics                                                      ST마이크로일렉트로닉스 이 호 재 부장

자율주행을 위한 도메인 컨트롤러 유닛에는 기존 분산형 ECU보다 높은 컴퓨팅 용량이 필요해 멀티코어 GPU/MCU를 사용하며 HW/SW 리던던시를 갖춘 안전성 높은 시스템 디자인이 요구된다. 이런 시장의 요구에 따라 ST는 전원 이중화를 위해 Hot Swap & Oring IC, 고효율 전원관리를 위한 Buck-Boost, Digital Multi Phase Controller, Smart Half-bridge device를 개발해 주요 자율주행 관련 고객들과 협업하고 있다. ST가 자율주행 도메인 컨트롤러 유닛을 위한 파워 서플라이 솔루션을 소개한다.

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr


본지가 개최한, 올해 11회를 맞은 “오토모티브 이노베이션 데이(AID, Automotive Innovation Day)” 컨퍼런스에서 ST마이크로일렉트로닉스는 전기-자율주행을 지원하는 그들의 프로덕트 솔루션을 대거 공개했다.  CASE 트렌드와 소프트웨어 정의 자동차로 요약되는 미래차를 위한 전기, 전자, 소프트웨어, 인프라 기술 관련 주요 도전과제 및 해결에 초점을 맞춘 올 컨퍼런스는 특히, 머신러닝 등 AI를 통한 반도체, 기능 및 소프트웨어 정의 자동차, 제어의 중앙집중화, 내외부 네트워크 강화를 통한 전기-자율주행의 미래에 포커스했다. 총 4개 세션(ADAS & Autonomous, Cloud & Connected Vehicle, Electrification & e-Mobility, Digital Cockpit & IVI)에서 36명의 연사가 31개 강연을 제공했는데, ST마이크로일렉트로닉스는 세션을 망라하며 그들의 8가지 주요 솔루션을 공개했다. 사전 인터뷰를 통해 ST를 하이라이트한다.




Q. 이번 Automotive Innovation Day(AID)에 어떤 내용을 소개하는지 간단한 설명 부탁드립니다. 
A. 자율주행을 위한 도메인 컨트롤러 ECU에 적합한 ST의 파워 서플라이 솔루션을 소개해 드리겠습니다. 
자동차의 ECU는 연산 능력과 함께 발전하고 있습니다. 자동차에 적용되는 ECU 수량은 지속적으로 증가하고 있으며 하이엔드 모델은 50~70개의 ECU가 사용되고 있습니다. 수많은 종류의 센서와 ECU 사이의 일대일 링크로 인해 복잡한 케이블 연결 및 차량 성능 저하가 발생되고 있습니다. 그래서 분산형 아키텍처 대신 중앙집중식 아키텍처로 높은 컴퓨팅 용량을 갖춘 도메인 컨트롤 유닛(Domain Control Unit, DCU)이 등장하게 됐습니다. 멀티코어 CPU/GPU를 갖춘 5~6개의 DCU는 분산형 ECU를 완전히 대체해 아키텍처를 단순화할 수 있습니다. 이를 통해 쉬운 소프트웨어 개발, 하네스(Harness) 감소, OTA 소프트웨어 업그레이드, 각 서브 도메인 내 데이터 통신 속도 향상을 기대할 수 있게 됐습니다. 이를 위한 고성능 SoC들에 높은 계산 전력을 공급해야해 해당 시스템에 적합한 파워 서플라이 솔루션 소개를 하게 됐습니다. 








Q. 이 제품을 AID에서 소개하게 된 배경은 무엇인가요? 업계의 요구사항은 무엇이고, 그에 대한 반영의 결과로 이전 제품과 현재 제품의 차이는 무엇인가요? 
A. 현재 자동차는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에서 자율주행으로 옮겨가고 있습니다. HIS 마켓 리서치의 자료를 보면 자율주행은 2027년까지 레벨 2+와 레벨 3 위주로 성장할 예정이며, 점차적으로 레벨 4와 5도 증가할 예정입니다. 센서 융합, 기능 로컬라이제이션, 운전경로 계획, 제어에 대한 의사 결정, V2X 고속통신, 6-12x 카메라용 인터페이스, 6-12x 레이더, 0-10x LiDAR 등의 기능으로 자율주행을 구현하고 있습니다. 








자율주행 레벨 2+와 레벨 3에서는 1개의 MCU와 2~3개의 SoC가 사용됐으며 1~50 TOPS(Tera Operations Per second)의 계산능력, 12~36 GB NVM, 8~32 GB의 DDR 메모리가 필요했습니다. 하지만 레벨 4에서는 4개에서 6개의 고성능 SoC를 사용하고, 50~300 TOPS의 계산능력, 20~64 GB NVM, 40~120 GB의 DDR 메모리가 사용될 예정입니다. 

또 다른 도메인 컨트롤러로는 콕핏 도메인 컨트롤러(Cockpit Domain controller)가 있습니다. 이는 기존 클러스터와 인포테인먼트 시스템으로 분리된 시스템들을 통합하며 차량제어 상태를 확인할 수 있는 첨단 기능들이 추가된 콕핏을 위한 도메인 컨트롤러로 발전하고 있습니다. 콕핏 DCU는 계기판, 라디오 및 TV 튜너, 헤드유닛, 에어컨 컨트롤, HUD, 백미러, 제스처 인식, 디스플레이 관리 등을 합니다. 2020년에는 1개의 SoC와 8~32 GB NVM, 4~8 GB DDR 메모리가 사용됐지만 향후 사양이 지속적으로 높아져 2030년에는 2개의 SoC, 64~300 GB NVM, 24~64 GB의 DDR 메모리가 필요할 예정입니다. 시장 상황도 2020년 200만 개에서 2027년 3,800만 개로 성장할 것입니다. 따라서 ST는 DCU를 위한 별도의 파워 솔루션에 대한 시장 요구에 발맞춰 4종류의 파워 솔루션 IC를 개발하게 됐습니다.
 
1. 전원 2중화를 위한 HOT-SWAP & Oring
2. 고효율 Buck-Booster
3. Multi phase buck controller
4. Smart Half-bridge


ST의 파워 솔루션 IC를 사용해 안전성 리던던시를 위한 전원이중화, GPU와 CPU에 공급될 안정적인 고효율 저전압, 고전류 제어를 구현하며, 도메인 컨트롤 ECU의 외부 부품 구성요소를 최소화하고 고부하에서 DCU의 발열 및 효율 성능을 향상시킬 수 있습니다.









Q. 경쟁사 제품과는 어떤 차별점이 있을까요? 
A. 실리콘 디자인 관점에서 이 제품들은 BCD9s/L 기술을 사용했는데, BCD9s/L은 2016년 이후 성숙 단계에 들어갔고, 2017년 1월부터 지금까지 8,000만 개 이상의 제품을 생산했습니다. 40개 정도의 자동차 등급 제품이 2017년 1월부터 지금까지 검증됐습니다. 그리고 Testing methodology를 이용한 광범위한 설계를 했으며, STPM 시리즈들은 제품 정의 단계부터 ISO 26262에서 제시한 방법에 따라 개발했습니다. 품질 및 신뢰성 관점에서 보면, 보드 레벨의 신뢰성을 갖추고 있습니다. 솔더 접합부는 thermal cycling을 통해 견고한 특성을 갖게 됐습니다. 그리고 Early Board Level Reliability trial을 통해 제품 신뢰성을 높였습니다. 제품 신뢰성을 위해 내부 inter-dice connections을 좀 더 견고히 하고 있습니다.

품질을 Dice traceability를 위해 STSHB 시리즈는 2D marking(QR code)을 diffusion lot, wafer ID와 X-Y coordinates으로 관리하며, STPM 시리즈는 ID code를 내부 NVM에 저장했습니다. 품질 목표는 엄격한 자동차 요구사항과 일치하게 하고 있습니다. PCB 생산 측면에서 볼 때, 70 um TOP level copper 두께의 High power PCB를 제작하기 위해서는 0.5 mm 이상의 pitch가 요구됩니다. 기 제품들의 Pitch는 이를 만족합니다. 그리고 각 제품의 패키지의 wettable flanks로 PCB solder joint 상태를 육안으로 검사 가능합니다.



Q. 이 제품과 관련 ST는 어떻게 고객을 지원합니까? 
A. 경쟁사도 ST와 유사한 4종류의 IC를 개별적으로 갖고 있습니다. 하지만 ST는 전체 파워 솔루션을 제안하고 시스템 파워 최적화를 위한 기술지원이 가능합니다. 이는 지속적으로 ST가 오토모티브 영역에서 추구하는 고객지원 방향입니다.
 


Q. 이런 차별화, 진보가 가능했던 ST의 원동력, 시장경쟁력은 무엇입니까?
A. ST의 기술은 첨단기술과 호환되지만, 더 높은 수준의 안전성과 신뢰성을 갖춘 자동차 등급의 전원공급 트리의 구현이 가능합니다. 이는 ST가 가지고 있는 오토모티브 DNA, 적합한 자동차 전력 및 BCD 실리콘 기술 세트, 오토모티브 품질 표준에 적합한 패키징 기술, 풍부한 기능안전성 경험의 자산으로 실현 가능합니다. ST는 30년 이상 자동차 산업의 주요 반도체 공급 업체로 활동했으며, 자동차 전자 협회(AEC, Automotive Electronics Council)의 일원입니다. 오토모티브 IC 관리에 적합한 기술로, 테스트 커버리지를 넓히기 위해 DFT(Design for test), 제품 신뢰성을 향상시키기 위해 DFR(Design for Reliability), 제품 수율 향상을 위한 DFM(Design for Manufacturing), 보다 효과적인 회로 고장분석을 위한 DFFA(Design for Failure Analysis)의 검증 방법을 사용합니다.

표준 이상의 신뢰성 및 검증을 위한 방법으로, Failure mode는 미션 프로파일 적용 범위를 포함한 신뢰도 기반 접근, 고온 작동 수명(HTOL)이 적용 조건에서 스트레스 시퀀스로 수행됩니다. 수명기간 동안에 대한 미션 프로파일 적용 범위가 최대 2배까지 확장되는 신뢰성, ISO 펄스 및 ESD를 포함한 애플리케이션 검증을 하고 있습니다. Zero Defects를 위한 전량 및 강화 Operation을 위해서, 프로세스 변동 감소 및 조기 문제 검출을 위한 프로세스 제어 강화, 결점 및 특이치 선별 배제(예: PAT 및 SBL), 15년간의 기록 저장, 조립 완료 후 열 사이클(100% production coverage) 테스트를 합니다. 마지막으로 판매 후 서비스로, 갑자기 발생한 이슈에 대한 신속한 대응, 트랜지스터 레벨까지 전기적 및 물리적 고장 분석, 독일전자산업협회(ZVEI) 지침에 따른 제품 및 공정 변경 관리를 하고 있습니다.



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