자동차 제조사에게 하드웨어에서 소프트웨어로 정의되는 차량으로의 급격한 발전은 하드웨어 및 소프트웨어의 설계와 성능에 영향을 미치고 컴퓨팅 성능을 극대화하고 보다 효율적인 네트워크 통신을 구축해야 할 필요성을 주도하고 있다. 따라서 자동차 제조사는 최신 플랫폼에서 완전히 새로운 기능을 개발, 구성 및 활성화하는 동시에 지속적으로 소프트웨어와 하드웨어 간 원활한 통합을 구현할 수 있어야 한다. 일렉트로비트의 일리아 사피울린 매니저가 말한다. 

글 | 일리아 사피울린(Illia Safiulin) 프로덕트 매니저, Elektrobit 








소프트웨어 정의 차량의 새로운 시대    

글로벌 자동차 산업은 하드웨어에서 소프트웨어 정의 차량으로 빠르게 전환되고 있습니다. 그 결과, 전통적인 기계 시스템에 의해 구동되는 많은 특징과 기능은 이제 주로 소프트웨어에 의해 제어됩니다. 이런 전환은 차세대 전기 및 자율주행차를 만드는 데 있어 핵심적인 부분이지만, 복잡성을 증가시킵니다. 또 차량 내 네트워크의 효율성, 보안 및 안전성에도 더 많은 중점을 두어야 합니다.

자동차 제조사의 경우, 차량 소프트웨어 수명 주기가 연장된다는 것은 이제 10~15년 동안 지속적인 업데이트와 보안 패치를 제공해야 함을 의미합니다. 동시에 오늘날의 소비자들은 빠르고 간단한 방식으로 제공되는 새로운 기능과 개선사항의 지속적인 흐름을 기대하게 되었습니다. 이런 문제에 대응해 자동차 제조사들은 소프트웨어 및 배선의 복잡성과 프로젝트의 복잡성 및 분산된 대규모 팀으로 인한 통합 위험을 효율적으로 관리할 수 있는 솔루션을 찾고 있습니다.

소프트웨어 복잡성의 증가를 주도하는 세 가지 주요 추세는 무엇일까요?



자동차 제조사가 하드웨어와 소프트웨어를 계속 분리함에 따라 소프트웨어 개발 및 통합을 위한 더 큰 유연성과 새로운 접근 방식이 필요합니다. 자동차 브랜드별로 더 많은 소비자를 유치하고 시장 점유율을 확장하기 위해 고유한 소프트웨어 중심 기능에 점점 더 집중함에 따라 이런 요구사항은 더욱 강화됩니다. 전반적으로 차량 내 컴퓨터 네트워크의 문제를 해결하는 것이 장기적인 성공을 달성하는 데 중요하다는 것이 이제 분명해졌습니다.



자동차 E/E 아키텍처의 패러다임 전환 

E/E 아키텍처에는 세 가지 유형이 있습니다.

1) Domain architecture: 도메인 컨트롤러에 연결된 전자제어장치(ECU). 이런 아키텍처는 공통 도메인 컨트롤러 또는 게이트웨이에서 기능적으로 관련된 ECU 조합을 특징으로 합니다. 이 설계는 파워트레인, 섀시, 인포테인먼트 및 승객의 편안함과 같은 다양한 영역에서 ECU의 세분화를 특징으로 합니다. 도메인 아키텍처의 주요 단점은 각 기능 도메인의 ECU가 차량 전체에 분산돼있기 때문에 일반적으로 배선에 최적화되어 있지 않다는 것입니다. 도메인 아키텍처에서 도메인 컨트롤러는 일반적으로 네트워크 노드 역할을 하며 종종 레거시 네트워크와 결합된 실시간 코어 및 이더넷 연결용 이더넷 스위치를 특징으로 합니다.

2) Centralized architecture: 중앙 HPC에 연결된 ECU(domain-independent). 이런 아키텍처에서 대부분의 계산 능력은 중앙 집중식 고성능 컴퓨터(HPC)에 의해 수행됩니다. 서버 ECU, 센서 또는 액추에이터 ECU를 통합할 수 있는 이런 HPC는 네트워크 노드 역할을 합니다.

3) Zonal architecture: HPC에 대한 백본이 있고, 영역 내 ECU들에 연결된 ECU(domain-independent). 존 아키텍처는 ADAS 및 자율주행과 같은 고급 차량 기능의 증가하는 소프트웨어 및 컴퓨팅 요구를 촉진하기 위해 등장했습니다. 존 아키텍처는 단일 영역 컨트롤러 아래에 근접한 ECU를 결합해 도메인 아키텍처의 결함과 한계를 해결합니다. 이런 통합은 배선과 무게를 크게 감소시킵니다. 반면, 존 아키텍처가 기능에 따라 연결된 ECU와 트래픽을 구분할 수 있어야 하면서도 통신 시스템과는 독립적이어야 하므로 소프트웨어 복잡성이 증가합니다. 존 아키텍처에서 HPC와 영역 ECU는 네트워크 노드 역할을 합니다.

중앙화된(centralized architecture) 또는 존 아키텍처에서 HPC는 일반적으로 실시간 코어 뿐 아니라 내부 고속 연결과 결합된 고성능 코어(동일한 레거시 네트워크 및 이더넷 스위치 사용)를 특징으로 합니다. 존 아키텍처에서 존(zonal) ECU는 일반적으로 증가하는 데이터 볼륨을 처리하는 데 필요한 실시간 코어, 이더넷 스위치, 레거시 네트워크 및 로컬 고속 연결을 포함합니다.

차량 내 네트워크는 미래에 어떤 모습일까요?

다양한 산업 분석에 따르면 주로 자율주행 기능과 파워트레인 및 인포테인먼트 시스템과 같은 기타 기능에 의해 구동되는 차량 내 ECU의 수가 크게 증가할 것으로 예상됩니다.^[1] 또한 그림 1과 같이 로버트 보쉬(Robert Bosch)의 연구에 따르면, 2022년 이후에는 처리량 수요가 현재 사용 중인 중앙처리장치(CPU)를 기반으로 한 기존 라우팅 및 처리 성능을 곧 추월해 자동차 산업이 심각한 라우팅 문제에 직면하게 될 것으로 예측됩니다.^[2] 
이 정보를 통해 새로운 전략이 채택되어야 한다는 점이 명확합니다. 이를 위한 두 가지 주요 솔루션이 있습니다. a) CPU 코어 수 및/또는 각 코어의 성능을 늘리거나, b) 최신 하드웨어 플랫폼에서 이미 사용 가능한 오프로딩 기능 및/또는 추가 기능의 사용을 늘리는 것입니다.





그림 1 | 네트워크 규모의 미래 예측



ECU 간 통신을 효과적으로 관리하는 방법  

자동차 제조사에게 네트워크 노드 내에서 빠르고 안전한 차량 내 통신을 달성하는 것은 중요하지만 어려운 작업입니다. 이 문제를 해결하기 위해 일렉트로비트는 ECU 내부 및 ECU 간에 확장 가능하고 안전하며 안전한 통신을 구축할 수 있는 효율적이고 안정적인 솔루션을 제공하는 EB zoneo 제품군을 개발했습니다.

또한 일렉트로비트는 아르거스(Argus Cyber Security) 및 기타 신뢰할 수 있는 타사와 협력해 미래에 훨씬 더 높은 수준의 보안을 제공할 고급 사이버 보안 확장 기능을 만들었습니다. 전반적으로 EB zoneo SwitchCore는 미래의 스마트한 소프트웨어 정의 차량의 요구사항을 충족하기 위해 자동차 이더넷 스위치에 필요한 수준의 인텔리전스를 제공합니다.



ECU 내부 통신의 복잡한 문제 해결    

기존 ECU는 자체 ROM 및 이더넷 연결을 통해 물리적으로 서로 다른 컨트롤러에 위치한 독립 실행형 항목이었습니다. 그들은 레거시 네트워크 또는 전용 이더넷 스위치를 통해 서로 통신했습니다. 오늘날 HPC는 공유 이더넷 연결을 통해 이전에 설정된 통신을 계속 유지하면서 이런 ECU를 가상 머신 형식으로 통합합니다.

가상 머신은 독립형 ECU와 동일한 방식으로 통신합니다. 즉, 여전히 서로 또는 HPC 외부의 다른 네트워크 참가자와 이더넷 프레임을 교환합니다. 그러나 일반적으로 HPC 내부에는 특별한 하드웨어 장치가 없으며 HPC에 사용되는 마이크로컨트롤러에는 물리적 이더넷 포트가 하나만 있는 경우가 많습니다. 이 제한으로 인해 병목 현상이 발생하고 액세스 문제가 발생해 지연 또는 프레임 손실이 발생할 수 있습니다. 이런 문제를 수정하고 속도와 효율성을 개선하기 위해 Elektrobit은 HPC 내부에서 하드웨어 스위치처럼 작동하는 EB zoneo VSwitch라는 새로운 소프트웨어 솔루션을 개발했습니다.



요약

자동차 제조사에게 하드웨어에서 소프트웨어로 정의되는 차량으로의 급격한 변화는 고유한 도전과제와 보람 있는 기회를 모두 제공합니다. EV는 비용과 배기가스를 줄이고 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)과 자율주행 기능은 도로 안전을 향상시키지만, 차량 내 네트워크는 계속해서 복잡해질 뿐입니다. 이런 급속한 발전은 하드웨어 및 소프트웨어의 설계와 성능에 영향을 미치고 있으며 컴퓨팅 성능을 극대화하고 보다 효율적인 네트워크 통신을 구축해야 할 필요성을 주도하고 있습니다. 이런 요구사항을 충족하기 위해 자동차 제조사는 최신 플랫폼에서 완전히 새로운 기능을 개발, 구성 및 활성화하는 동시에 소프트웨어와 하드웨어 간의 원활한 통합을 구현하는 지능적이고 확장 가능한 도구가 필요합니다.