차세대 자동차 위한 초고속 데이터 전송법

                 VSI      Steve Kang                                               브이에스아이 강 수 원 CEO               

차세대 자율주행차를 위한 초고속 데이터 링크 스타트업 VSI는 ASA 표준을 준수하는 최초의 상용 SerDes IC를 통해 8 Gbps의 고속 데이터 전송을 가능케 하고 있다. 새해에는 최대 16 Gbps 데이터 전송 속도를 제공한다. 기술력과 잠재력을 인정받아 120억 원의 투자를 유치했고 국내외 OEM과 티어 1/2를 고객으로 두고 있다. VSI 강수원 CEO와 만났다.

글 | 윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr

강수원 대표는 서울대학교에서 전자공학을 전공하고 석, 박사 학위를 취득했다. 25년간 반도체 개발, 생산에 종사하며 국내외 특허 40건 이상, 반도체 제품 1,000만 개 이상 양산에 관계했다. 2001년부터 미국 GCT 세미컨덕터의 개발부사장, 연구개발 부사장을 역임하며 WiFi/Bluetooth 반도체 개발 상용화, 세계 최초 DMB 단일칩, Wibro/Wimax 단일칩, LTE 단일칩을 개발 상용화했다. 2016년부터 VSI의 CEO를 맡고 있다.


 

Q. VSI에 대한 소개 부탁드립니다.
A. VSI는 차량용 고속 통신 반도체를 설계하는 국내 팹리스 업체이며, 자율주행 및 전기차로부터 실시간으로 발생되는 대량의 데이터를 고속으로 전송하는 솔루션을 제공하고 있습니다. 주요 제품으로는 차량 내 통신 데이터가 대부분 한 방향으로만 흐르는 에지 센서(카메라, 라이다, 레이다)를 위한 비대칭솔루션인 SerDes[Serializer와 Deserializer (a.k.a. SERDES)] 제품과 데이터 백본을 위한 데이터가 양방향으로 흐르는 대칭 솔루션인 Ethernet 제품이 있습니다. VSI의 반도체 칩은 차량용 애플리케이션에 최적화된 설계 및 성능과 ISO 26262 ASIL-B 인증을 통한 안정성, AEC-Q100을 통한 신뢰성을 만족하는 제품으로, 자동차 업계에 원가절감이 가능한 솔루션을 제공합니다. 

VSI는 반도체 기술집약 스타트업으로 현재까지 120억 원의 투자를 유치했으며, 주요 고객사는 국내외 OEM과 티어 1/2입니다. 주요 성과로는 22년 2월 독일 OEM ‘B’社와 카메라링크 솔루션 공급 계약을 완료했으며, 22년 5월 세계 최초 ASA 표준 8 Gbps급 카메라링크 칩(Serializer/Deserializer_제품명 VS775)의 샘플을 출시했습니다. 또한, 현재 국내 글로벌 티어 1들과 ADAS용 카메라링크 솔루션에 공급계약을 진행하고 있습니다. 22년 11월 국내 톱 티어 1과 VS775의 Feasibility를 위한 개념증명(PoC) 계약을 완료했습니다.

VSI의 VS775, ASA 표준을 준수하는 최초의 상용 SerDes IC로서 전기차와 자율주행차의 이미지 센서가 수집한 고해상도 이미지 데이터를 ECU가 신속하게 처리할 수 있도록 8 Gbps의 고속 데이터 전송을 제공합니다. 2023년 초에 선보일 VS775H는 최대 16 Gbps 데이터 전송 속도를 제공합니다.

2022년 11월, 일본 요코하마 국제평화회의장에서 개최된 EIPATD(IEEE Ethernet IP @ Automotive Technology Day) 2022에서 라이브 데모를 진행해 VS775의 성능을 선보이고, 이 제품의 성능과 안정성을 입증했습니다. 


 


Q. VSI는 세계 최초 ASAML(ASA Motion Link) 호환 칩셋 공급업체입니다. Automotive SerDes Alliance 내에서 경쟁사가 생길 텐데, VSI 입장에서 불안 요인이 되지 않을까요?
A. ASA(Automotive SerDes Alliance)의 설립목적은 ASA 에코시스템을 통해 표준화 SerDes 솔루션을 제공해 기존의 독점적인 솔루션에서 자유로워지는 것입니다. VSI가 최초 ASAML 호환 칩셋 공급업체이지만 말씀하신 대로 유일한 ASAML 공급업체는 아닙니다. 
저희는 ASA 내에서 자유로운 경쟁은 불안 요소가 아닌, 멀티 벤더를 구성해 산업 표준화를 확립해가는 하나의 과정이라고 보고 있습니다. 멀티 벤더를 통해 OEM과 티어 1/2에 유연하고 상호운영 가능한 표준화 솔루션을 제공하는 것이 기존의 독점적인 솔루션과 가장 큰 차이입니다. 

현재(22년 9월 기준) ASA 회원 수는 100개사가 넘었으며, 그 중 반도체 업체는 44개 사입니다. 이 중에서 VSI가 제일 먼저 상용 제품을 출시했고, 지속적인 연구개발을 통해 기술을 선도해 갈 것입니다.



Q. VS775 제품 평가를 위해 협업하고 있는 사례가 있나요? VS775가 적용된 양산 차량을 언제쯤 볼 수 있까요?
A. VSI의 첫 번째 초고속 링크 반도체, 일명 SERDES인 VS775는 자율주행차 내 카메라 센서와 중앙처리장치 간 실시간 고속 데이터 전송이 가능하도록 최대 8 Gbps 대역폭을 지원합니다. 또한 VS775는 기존 제품 대비 전력 소모를 최대 50% 줄인 저전력 설계와 초소형 사이즈를 구현해, 전기차와 공간 제한이 있는 차량용 카메라 모듈에 최적화돼 있습니다. 기존의 독점적인 솔루션과 달리 호환성을 보장해 ASA 내 OEM과 티어 1/2와 협업하고 있습니다. 특히, ASA 회원사 중 독일 OEM과 국내 티어 1과 긴밀히 협력하고 있습니다. 각 회사들과의 비밀유지 보호 협약으로 세부 사항을 밝히기는 어렵습니다. 

ASA 솔루션을 사용한 첫 차량은 2026년 생산될 것으로 예상합니다.





Q. ASA 솔루션이 호환성을 보장하는 표준화 솔루션이라는 차별점은 알겠습니다. 기술적으로 ASA 솔루션만의 차별점은 무엇인가요?
A. ASA 솔루션만의 기술적인 차별점으로는 크게 두 가지가 있습니다. 

첫째, TDD(Time Division Duplexing) 방식을 사용해 저전력 소모 및 단순한 설계가 가능합니다. SERDES는 기본적으로 비대칭(Asymmetric) 고속 데이터 전송 솔루션으로, 대용량 데이터와 제어신호를 전송하는 다운링크(Downlink)와 제어신호를 전송하는 업링크(Uplink)가 있습니다. 주파수 분할 다중화(Frequency Division Duplexing, FDD) 기술은 기존 독점적인 솔루션과 MIPI A-PHY에서 사용 중인 다중 방식으로 독립된 두 개의 주파수 채널에 업링크(Uplink)와 다운링크(Downlink)를 할당해 지속적으로 송-수신하는 방식입니다. 시분할 다중화(Time Division Duplexing, TDD) 기술은 ASA에서 사용하는 다중 방식으로 하나의 주파수 채널을 시간 영역에서 나눠 업링크와 다운링크에 각각 다른 타임 슬롯을 할당해 한 번씩 번갈아 가며 전송하는 방식입니다(그림 5).





FDD 방식(그림 6)은 주파수 영역에서 구분된 업링크 및 다운링크 채널이 한 번 확립이 되면 끊임없이 송신과 수신의 연결성을 유지하는 형태로, 양쪽 장치의 송신 및 수신 모듈이 지속적으로 동작해야 합니다. 따라서 모든 시간에 걸쳐 송신기 및 수신기에 지속적으로 전력이 공급돼야 합니다. 또 업링크와 다운링크 신호를 구분하기 위한 필터가 필요하며 이를 위해 아날로그 영역에 추가적인 회로가 필요합니다. 송신과 수신을 동시에 수행하는 FDD 방식에서는 수신 신호에 간섭 및 잡음이 발생하기 때문에 수신 성능을 저하시키는 주요 원인이 됩니다. 따라서 이 반사/반향신호의 영향을 없애기 위해서는 별도의 반향 제거기(echo canceller)가 반드시 필요하며, 이 반향 제거기는 수신단에 추가적인 설계를 요구합니다. 지속적으로 동작해야 하기 때문에 추가적인 전력 소모도 필요하게 됩니다(그림 8).

반면에 TDD 방식은 업링크와 다운링크의 채널이 시간적으로 완전히 구분돼 있기 때문에, 각 장치의 송신 및 수신 모듈이 모두 동시에 동작할 필요 없이 지정된 시간에만 동작하면 됩니다(그림 7). 따라서 FDD 방식에 비해 장치의 전력 소모량을 크게 줄일 수 있습니다. 또, TDD 방식은 반사/반향신호가 발생하더라도, 송신 및 수신을 하는 시간이 구분돼 있어 수신 신호에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 별도의 반향 제거기가 필요 없어 추가적인 설계가 요구되지 않습니다. 게다가 단순한 설계 구조로 인해 전력 소모도 낮출 수 있습니다. 





그림 6 | FDD 방식 전력 소모와 echo                                                                        그림 7 | TDD 방식의 전력 소모


반사신호(Reflection) 및 반향신호(Echo). 반사신호는 전송한 신호가 상대 장치와의 임피던스 불일치(impedance mismatching)로 인해 반사돼 반대로 되돌아오는 현상이고, 반향신호(Echo)는 업/다운 링크의 채널이 물리적으로 완전히 독립돼 있지 않아 송신 신호가 같은 장치의 수신단으로 혼입되는 현상이다. 간단히 말해 반사/반향 신호는 모두 자신이 전송한 신호가 되돌아오는 현상이다. 



둘째, 전방오류정정(FEC) 기술 사용으로 실시간 데이터 전송이 필요한 자율주행차에 오류 없는 연속적인 고속 데이터 전송이 가능합니다(아래 박스 참조). 


 

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[ BOX ] ASA Motion Link에서의 오류 제어 기법 - FEC RS code 소개

송신한 데이터가 제대로 도달하지 않거나 전송 도중 오류가 발생하면 이를 검출하고 수정하는 기능이 필요하다. 오류 제어 기법은 후방오류정정(Backward Error Correction, BEC)과 전방오류정정(Forward Error Correction, FEC)으로 분류할 수 있다.  

BEC는 전송된 데이터에 오류가 발생된 경우 송신 측에 오류 사실을 알려 재전송하는 방식으로 오류를 복원한다. BEC에서는 전송할 정보에 패러티(Parity)나 체크섬(Checksum), CRC 등의 부가 부호를 생성해 송신하고, 수신 측에서 오류를 검출하면 그 오류가 해결될 때까지 자동으로 반복해 재전송을 요청(Automatic Repeat Request, ARQ)하는 방식으로 동작한다. 

FEC에서는 수신 측에서 스스로 오류가 발생한 비트를 검출하거나 복원할 수 있도록 송신 시 오류 복구를 위한 잉여 비트들을 추가해 전송하는 방식이다. ASA Motion Link에서는 오류 정정 기법으로 FEC 방식의 RS(Reed Solomon) 코드를 사용한다. RS 코드는 1960년 Irving S. Reed와 G. Solomon에 의해 만들어졌으며, 랜덤 오류(Random Error)뿐만 아니라 연집에러(Burst Error)의 효율적인 정정이 가능해 ADSL, xDSL 등의 모뎀이나 대용량 멀티미디어 데이터의 전송 등에 사용된다. 블록 코드로 표시되는 리드 솔로몬 코드는 RS(n,k)로 표시하며 주요 파라미터는 다음과 같다. 



엔코더(Encoder)에서는 k개의 심볼(Symbol)을 수신단에서 오류 정정할 수 있도록 하기 위해 여러 개의 패러티 심볼(Parity Symbol)을 추가해 총 n개의 심볼을 출력한다. 이 데이터는 오류 확률이 있는 통신 채널을 거쳐 수신단에 도착하고, 수신단에서는 디코더(Decoder)를 거쳐 오류가 검출되거나 수정돼 출력된다. RS code는 사용되는 통신 채널의 Noise 특성에 맞춰 Bit Error Rate를 줄이도록 설계된다. 

ASA Motion Link에서의 FEC RS code
ASA Motion Link는 대용량 데이터와 제어신호를 전송하는 다운링크와 제어신호를 전송하는 업링크의 시간분할 이중화(TDD) 방식으로 운영된다. ASA의 업링크와 다운링크는 여러 개의 속도 등급(SG)으로 분류되며, 이 SG는 송신과 수신단에서 각각 설정할 수 있다. 설정된 SG에서는 다음 표와 같은 RS code를 사용한다. 고속 다운링크인 SG 3, 4와 5 (8 Gbps 이상의 전송속도)에서는 RS(240, 214) 코드를 사용해, 최대 13 바이트의 에러를 수정할 수 있다. 4 Gbps 이하의 낮은 전송 속도를 갖는 SG에서는 업링크와 다운링크 모두 2바이트의 에러 탐지 및 1바이트의 오류 수정이 가능한 RS(108, 106) 및 RS(216, 214) 코드를 사용한다.
 




BEC인 ARQ(Automatic Repeat Request) 방식을 사용하는 기존의 SERDES 기술에서는 송신단이 수신측으로부터 ACK나 NAK가 올 때까지 기다려야 해 송신 블록을 연속해서 많이 전송할 수 없어 전송 효율이 저하된다. 또 수신단으로부터 NAK 신호가 돌아오면 오류가 발생했던 데이터를 재전송하기 위해 전송 중인 데이터 블록을 기억하고 있어야 하므로 하나 이상의 버퍼가 꼭 필요하게 된다.

RS FEC에서는 재전송을 필요로 하지 않는 대신에 RS(n, k)인 경우 n-k개의 잉여 바이트를 전송해야 하기 때문에 대역폭을 항상 추가로 사용하는 단점이 있으나, 대용량의 연속적인 비디오나 센서 데이터를 전송하는 SERDES 의 경우에는 송신단의 효율이 높아지고 수신단에서 빠르게 수신 데이터의 오류를 정정할 수 있는 기능을 제공한다. 또 Burst Error(연집 에러) 정정 능력이 탁월해 페이딩 채널이 존재하는 방송 및 통신 시스템에서 많이 사용한다. ASA Mobile Link에서는 4 Gbps 이하의 전송속도를 갖는 저속 채널에서는 2바이트의 에러 감지 기능을 사용하고, 8 Gbps 이상의 전송속도를 갖는 고속 채널에서는 13바이트의 FEC 에러 정정 기능을 사용한다. 


참고: ARQ(Automatic Repeat Request)
통신 회선에서 에러가 발생했을 경우 수신 측은 에러의 발생을 송신 측에 알리고, 송신측은 에러가 발생한 프레임을 재전송하게 되는데 이러한 방식을 ARQ(Automatic Repeat Request)라고 한다. ARQ 방식의 대표적인 것으로는 정지-대기(stop-and wait) ARQ, 연속적(continuous) ARQ, 적응적(Adaptive) ARQ가 있다. 
- ARQ를 위해서는 역채널(reverse channel) 필요
- ARQ 시스템은 전송 중인 데이터 블록을 기억하고 있어야 해 버퍼가 꼭 필요

 

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Q. VSI의 향후 개발 계획 및 어떤 활동을 진행하실 예정이신가요?
A. ASA Motion Link 표준을 준수해 설계된 8 Gbps 성능의 VS775 칩에 이어, 전송속도를 두 배 높인 16 Gbps까지 지원하는 VS775H 샘플을 2023년 초에 출시할 예정입니다. 

ASA 표준을 준수하는 VS775시리즈 칩은 전 세계 OEM들이 고도화된 자율주행차 설계를 위해 다수의 고해상도 카메라 및 센서를 자유롭게 사용할 수 있도록 만들며, 대역폭 증가에 대한 고민을 덜어주게 될 것입니다. 여기에 기존 제품보다 전력소모를 50% 줄인 저전력 설계를 적용함으로써 전력소모가 관건인 전기차 설계에도 이상적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.
현재 VSI는 국내 글로벌 차량용 부품 협력사들과 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)용 카메라링크 솔루션에 대한 공급계약을 진행 중이며, VS775의 후속 개발을 통해 고속 대역폭의 지원 범위를 32 Gbps, 64 Gbps 등으로 넓혀 나갈 계획입니다.

한편, VSI는 지난 11월 일본 요코하마에서 개최된 IEEE SA의 EIPATD 2022에서 VS775를 사용해 차량용 카메라/비디오 및 데이터 백본을 위한 ASA 표준 최초의 SerDes 솔루션 라이브 데모를 실시했습니다. 라이브 데모는 ASA를 선도하는 BMW의 주도하에, AED가 PoC(Proof of Concept) 시스템 전체 셋업을 진행했고, 고속 SerDes는 VSI의 VS775로 진행했습니다. 이 행사를 시작으로, VSI는 2023년 3월 독일 뮌헨에서 개최되는 오토모티브 이더넷 콩그레스(Automotive Ethernet Congress)에서도 라이브 데모를 할 예정입니다.

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AEM_Automotive Electronics Magazine