Stellar MCU가 SDV에 기여하는 법

이미 잘 알려진 ST마이크로일렉트로닉스의 차세대 MCU Stellar. 이는 ‘Automotive Innovation Day 2024’의 여러 하이라이트 중 하나였다. ST의 손성배 과장은 소프트웨어 정의 자동차의 기술적인 핵심을 OTA와 E/E 아키텍처의 변화에서 찾으면서, ‘PCM(Phase_Change Memory)’과 ‘OTA X2’란 Stellar MCU의 혁신적인 OTA 방법론을 강조했다.  

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr

SDV, ‘북 - 좌로 진로를 돌려라’ (autoelectronics.co.kr)
성공적인 SDV 전환을 위한 품질의 조건 (autoelectronics.co.kr)
SDV 개발, 검증 가속 페달 ‘DevOps Pilot’ (autoelectronics.co.kr)




 

ST마이크로일렉트로닉스의 손성배 과장이 이렇게 청중에게 질문을 던졌고, OTA와 E/E 아키텍처의 변화를 말하기 시작했다
(ST의 차세대 MCU Stellar를 소개한 이 강연은 Automotive Innovation Day 2024의 여러 하이라이트 중 하나였다). 

SDV 전환에 따른 중요 의미 중 하나는 하드웨어와 소프트웨어의 수명이 서로 달라진다는 것이다. 기존의 차는 출고되고 고객에게 인도되고 나면 처음 만들어졌던 기능을 수명이 다할 때까지 사용했다. 하지만 SDV는 처음 만들어졌던 하드웨어, 소프트웨어와 상관없이 소프트웨어 업그레이드를 통해 차량의 성능, 안전성, 안정성, 기능과 편리성을 지속적으로 개선할 수 있다. 발전된 안정성을 통해 차량 수명제어에 기여할 수 있고, 소프트웨어로 활성화된 기능과 서비스들로 문제점을 실시간으로 진단해 정비할 수도 있다. 커스터마이제이션은 끊임없이 가능하다.

이 질문은 또한 소프트웨어의 가능성과 잠재성을 위해 어떤 기능이 중요한가는 묻는 것이기도 하다.
OTA! 자동차는 OTA를 통해 지속적으로 소프트웨어를 개선해 운전자들에게 새로운 경험을, 카 메이커에게는 FOD와 같은 새 비즈니스 밸류를 제공할 수 있다.  OTA가 SDV의 기술적 핵심 부분 중 하나라면, 오토모티브 E/E 아키텍처의 변화는 다른 한 축으로, 역시 수없이 많아질 기능과 소프트웨어에 따른 변화다.   

“E/E 아키텍처 변화의 큰 동기에는 차량의 경량화, 친환경화, 비용 절감이 있습니다. 많은 ECU를 통합함으로써 통신망과 전력망을 최적화해 와이어를 줄이는 데, 이 변화가 SDV와 밀접한 관련이 있을 수밖에 없습니다.” 

통신망 관점에서 E/E 아키텍처를 보면, 기존의 분산형 아키텍처는 각각의 기능별 ECU 간 정보를 주고받고 정해진 기능을 수행하는 네트워크였다. 도메인 아키텍처는 기능 기반 제어기들을 파워트레인, 바디, 인포테인먼트, 섀시 등 도메인별로 묶어 상위 도메인 제어기가 게이트웨이 역할을 수행하면서 하위 제어기들을 제어토록 한 것이다. 

“이 경우 도메인별 통신망을 최적화해 와이어 하네스를 단순화하고 비용과 중량을 줄이면서 불필요한 버스와 통신 시간을 줄여 차량 기능을 보다 효율적으로 지원합니다. 다만 새로 추가된 센서나 액추에이터 위치로 새 제어기의 추가 확장에서 와이어링 연결 문제가 발생할 수 있습니다.”

반면, 영역 아키텍처는 네트워크 영역 접근 방식으로, 차량 내 지리적 위치에 따라 제어기들을 구분하고 통합한 것이다. 각각의 영역 컨트롤러는 고속의 백본 네트워크로 중앙 컴퓨팅 유닛과 연결된다.  





차세대 MCU Stellar에 대한 요구     

시장은 E/E 아키텍처의 변화와 함께 갈수록 ECU들이 통합되면서 더 높은 제어계 컴퓨팅 파워를 요구하는 한편, 디지털키, UWB, NFC 등 새로운 통신 기능 요구로 다양한 기능의 페리페럴(peripheral)이 탑재된 MCU를 요구하고 있다. 그만큼 시스템이 통합되고 기능이 늘어남에 따라 소프트웨어 복잡도도 증가하고 있다. 또, 자동차의 전동화와 실리콘 카바이드, GAN 제품을 통한 전력 효율성 증대는 MCU의 높은 아날로그 성능을 요구하는 계기가 되고 있다. 

손 과장은 “예를 들어 에어버스 A380의 소프트웨어 코드 라인 수보다 자동차의 소프트웨어 코드 라인 수가 많아진 상황입니다. 2026년에는 지금보다 150% 증가할 전망이 있을 정도입니다. 이런 코드 증가는 OTA 요구사항과 더불어 MCU의 핵심인 NVM(Non Volatile Memory) 크기의 증가를 요구합니다”라고 말했다.

ST는 이런 시장의 요구에 완벽히 대응할 수 있도록 Stellar 제품을 개발했고, SDV를 위한 플랫폼으로 세 가지 라인업을 준비했다.
세 개 라인업은 ▶스마트 액추에이터, 센서, 위성 제어, 그리고 트랙션 인버터, OBC, DC/DC 등 전동화 제어기를 위한 Stellar E ▶도메인, 영역 컨트롤러, 중앙 게이트웨이 등 각종 통합 제어기를 위한 28나노 Stellar P 및 G 제품군이 있다. Stellar P는 파워트레인을 의미해, 고속 연산과 아날로그 기능에 특화돼 있고, 게이트웨이를 의미하는 Stellar G는 통신과 오디오 기능에 특화돼 있다.

Stellar MCU의 혁신 가치는 크게 5가지다.
▶첫째는 향후 발전하게 되는 다양한 아키텍처에 대응할 수 있는 높은 퍼포먼스를 갖는 점이다. 최대 6개의 Cortex R52 코어가 탑재돼 7 ~ 16 kDMIPS를 제공하면서 빠른 리얼타임, 세이프티, 시큐리티 성능을 제공한다. ▶둘째, 하드웨어 가상화를 통한 안전한 통합 제어 환경을 제공한다. ▶셋째 Stellar SR6(Stellar P와 G 라인업을 모두 지칭하는 용어)의 NVM으로 채택된 PCM(Phase_Change Memory)을 이용한 효율적인 OTA 환경을 제공한다. ▶넷째, Cortex M4 코어 기반의 독립된 서브 시스템을 사용한 효율적인 라우팅 가속기를 제공한다. ▶마지막으로 초저전력 모드인 스탠바이 모드와 저전력 상태에서도 SPI, CAN, ADC 등을 처리를 할 수 있는 스마트 파워 모드를 제공한다.










혁신적인 PCM과 OTA X2

Stellar SR6는 메인 코어로 ARM Cortex R52 코어가 탑재돼 있고, Cortex 아키텍처의 3단계 익셉션 레벨을 포함해 MPU, VMID 전용 버스 컨트롤러 등 가상화를 위한 하드웨어 특징들을 포함하고 있다. Stellar SR6는 최대 6개의 Cortex R52 코어를 탑재하고 있고, 하이퍼바이저 소프트웨어 스펙을 통해 n개의 버추얼머신(VM)을 생성해 관리할 수 있다. 각각의 VM에는 서로 다른 RTOS, 베어메탈 소프트웨어를 올려 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 VM의 ASIL 레벨을 기준으로 애플리케이션을 할당해 동작시킬 수 있다. 







손 FAE는 Stellar의 NVM으로 채택된 PCM 특성에 대해 설명했다.
기존 차량용 MCU에는 NVM으로 플래시가 적용돼왔다. 플래시는 데이터를 쓰기 전 해당 블록에 대한 erase가 선행돼야 하고 erase 시간이 오래 걸리기 때문에 전체 write 지연시간도 길어지는 문제가 있다. 또, 이로 인한 에러율도 올라간다. 반면, ST의 PCM은 해당 블록의 erase 없이 overwrite가 가능하다. 이에 따라 기존 플래시 대비 약 4.5배 빠른 write 성능을 갖고, 차세대 메모리답게 read 성능 또한 약 2배 빠른 access 속도를 갖는다. 게다가 Stellar는 PC의 하드웨어 특성을 이용해 OTA 등 소프트웨어 업데이트 요청이 있을 때 일시적으로 NVM 용량을 2배 확장할 수 있는 장점이 있다. 리텐션, 오토모티브 퀄리티와 관련해 기존 플래시와 유사한 성능을 갖고 있다. ST는 PCM에 대한 퀄리피케이션은 이미 완료된 상태다.

“Stellar는 새롭게 도입된 PCM 기술을 도입해 기존 플래시보다 더 많은 장점을 가지면서 SDV에 기여합니다. SDV에서 OTA 기능은 핵심입니다.”







현재 각각의 시스템마다 혹은 각 카 메이커마다 외부 메모리를 사용하는 방식, 혹은 erase 리플레이스 방식, 가장 대중적으로는 A/B swap 솔루션을 사용하는 방식 등 OTA 전략이 다르다. 

외부 메모리 방식은 이전 이미지와 새 이미지를 저장해 MCU 플래시 영역을 덮어쓰는 것인데, 외부 컴포넌트 증가로 비용과 PCB 실장 영역 증대, 그리고 외부 메모리와의 통신 속도로 인한 느린 프로세스가 단점이다. 또 일단 OTA를 시작하면 중단할 수 없다.
ST가 X1이라고 부르는 A/B swap 방식은 하나의 MCU 플래시 메모리 영역을 A 영역과 B 영역으로 나눠 A 영역에는 현재 동작하는 애플리케이션 이미지를 저장하고, B는 업데이트되는 새로운 이미지를 저장하는 공간으로 사용한다. 이후 새 이미지가 저장되면 swap 프로세스를 거쳐 새 이미지로 제어기를 동작시킨다. 가장 많이 사용되는 방식이지만, 메모리 용량이 실제 애플리케이션 이미지의 두 배가 필요한 점, 긴 다운로드 시간, 플래시의 태생적인 한계인 erase 시간이 오래 걸린다. 또 A/B swap을 지원하는 MCU를 사용해야 하는 제약사항도 있다.







차세대 Stellar의 PCM은 디퍼런셜 모드(DIFF)와 싱글 엔디드(Single-ended) 모드를 활용한다.
디프런셜 모드는 세이프를 위해 리던던시하게 동작하면서 두 개의 물리적인 메모리 셀로 하나의 로지컬 뷰트를 표현한다. 싱글 엔디드 모드는 하나의 물리적인 셀이 하나의 비트를 저장할 수 있도록 해 물리적인 저장 공간을 두 배로 늘린다.

“디퍼런셜 모드와 싱글 엔디드 모드는 원하는 각각의 메모리 파티션에 따라 독립적으로 사용할 수 있으며, EEPROM처럼 erase 동작 없이 비트 단위 write가 가능합니다. 이 싱글 엔디드 모드를 사용한 OTA 방식을 ST는 ‘OTA X2’ 모드라고 지칭하고 있으며, 이는 메모리 크기가 유동적으로 ‘2배’가 되는 것을 의미합니다.”

노멀 오퍼레이션 중에는 리던던시하게 디퍼런셜 모드로 하나의 애플리케이션 이미지를 동작시킨다. 이후 상위 제어기 혹은 중앙 제어기를 통한 OTA 요청이 있는 때 싱글 엔디드 모드로 전환해 새로운 이미지를 다운로드할 수 있는 메모리 공간을 확보한다. 확장된 메모리 공간에 새로운 이미지를 다운로드하는 중에도 여전히 기존 애플리케이션을 동작시킬 수 있다. 새로운 이미지 다운로드가 완료되고 이 이미지에 대한 유효성 확인이 완료되면 올드 이미지가 있는 영역으로 덮어쓰고 다시 디퍼런셜 모드로 돌아와 OTA X2 모드 동작을 완료한다. 

OTA X2에서는 사용 방식에 따라 Full Memory OTA 모드와 Assisted OTA 모드를 사용할 수 있다. Full Memory OTA 모드는 말 그대로 전체 메모리 크기를 2배 늘리는 모드다. 예를 들어 20 MB PCM을 가진 제품군의 경우 40 MB 사용이 가능하다. 다만 Full Memory OTA 모드를 사용하는 경우에는 메모리 복사 시 RWW 부분을 소프트웨어적으로 다뤄야 한다. 

Assisted OTA 모드는 공통의 스페어 버퍼 영역을 설정하고 그 외 나머지 부분을 싱글 엔디드 모드로 사용한다. 20 MB PCM을 가진 Stellar G7의 경우, 스페어 버퍼는 4 MB로 설정되며, 나머지 16 MB를 싱글 엔디드 모드로 전환해 총 32 MB 메모리를 사용한다. 스페어 버퍼 사용 시 장점은 메모리 카피의 경우 하드웨어적으로 카피해 주는 기능이 있어 소프트웨어 부하 없이 빠르게 OTA 수행이 가능하다.





Stellar의 네트워킹 기능  

손 과장은 “Stellar SR6는 통합 제어기를 타깃으로 하기 때문에 강력한 CAN 라우팅 기능을 지원합니다. 별도의 M4 코어 서브 시스템으로 CAN 라우팅 기능을 구현할 수 있으며, 최대 20개의 CAN-FD 채널과 2개의 CAN-XL 채널을 지원합니다. 또한 ‘AES-Light’란 새로운 시큐리티 서브 기능으로 더 빠르고 효율적으로 CAN 메시지의 암호화 서비스를 처리할 수 있습니다”라고 말했다.

CAN to CAN 뿐만 아니라 CAN to 이더넷 라우팅의 경우 각 OEM은 서로 다른 요구사항을 가지고 있어 이에 유연하게 대응하는 것이 중요하다. 이를 위해 Stellar는 M4 코어 서브 시스템을 통해 소프트웨어 기반의 라우팅 솔루션을 제공한다. 이더넷 네트워크의 경우 Cortex R52 코어에서 이더넷 스택을 핸들링해 최대 2개 기가비트 이더넷 MAC과 2개 채널의 10B-T1S 채널을 갖고 있다. 또, 이더넷 스위치가 내장돼있는 제품군이 있어 보안 부분에서도 MACsec, IPSEC, TLS hardware offloading, AVB, TSN을 하드웨어적으로 지원한다.

“ST는 ISO 21434 사이버 보안과 관련해 2022년 Stellar 제품군에 대한 인증을 받았습니다. 아직까지 컴포넌트 회사, 반도체 회사들을 상대로 요구사항이 명확치 않은 상황이지만, TARA 유저 가이드, 평가 체크리스트, 보안 케이스 리포트 등을 만들어 대응하고 있습니다.” 







통신과 오디오용 Stellar G
Stellar G 라인업은 최대 6개 Cortex R52 코어를 탑재하고 있고, 제품군에 따라 최대 400 MHz 또는 500 MHz로 동작한다. 최고 스펙 제품군인 Stellar G7의 경우 2개 코어에 NEON 익스텐션이 적용돼 더 빠른 데이터 처리를 할 수 있다. RAM은 2.4 MB에서 9.1 MB, 코드 NVM은 8에서 20.5 MB다. 20.5 MB의 경우 OTA X2 모드에서 40 MB로 확장이 가능하고, 데이터 NVM은 256 KB에서 640 KB의 크기를 갖는다.

또한 OctoSPI와 eMMC 기능을 통해 외부 메모리를 연결해 사용할 수도 있다. 하드웨어 버추얼라이제이션 기능을 제공하고 초저전력 모드인 스탠바이 모드와 저전력 상태에서 CAN, SPI, ADC 등의 처리가 가능한 스마트 로우 파워 모드도 제공한다.

통신의 경우에는 기존 차량용 MCU에서 제공되던 CAN, LIN, FlexRay, SPI 등의 통신은 기본적으로 제공하며, Stellar G 라인업은 제품군에 따라 PCI 익스프레스, CAN XL, 이더넷 1GB, 10B T1S, 그리고 이더넷 스위치를 포함한다. 또, Cortex M4 코어 기반의 DME 서브 시스템을 통해 메인 코어의 개입 없이 CAN 기반 통신 및 라우팅을 처리할 수 있다. 그 외에 ITS 통신, 오디오 전용 PLL, 샘플레이트 컨버터를 MCU 내부에 포함해 보다 효율적이고 경제적으로 오디오 솔루션을 개발할 수 있도록 한다.
시큐리티 측면에선 HSM, 메인 코어와 직접 연계해 AES 기반 알고리즘을 하드웨어적으로 처리할 수 있는 AES-Light를 포함하고 있고, 이더넷 메시지를 암호화할 수 있는 별도 하드웨어 기능인 MACsec을 포함한다.


파워트레인용 Stellar P   
Stellar P 제품군은 최대 6개의 Cortex R52 코어를 탑재하고 있고 최대 400 MHz로 동작한다. Stellar P는 최대 스펙 제품군을 기준으로 2개 코어에 NEON 익스텐션을 적용했다. RAM은 1.3 MB에서 8.2 MB, 코드 NVM은 8에서 20 MB로, 20 MB의 경우 OTA X2 모델에서는 39.5 MB로 확장 가능하고, 데이터 NVM은 256 KB에서 640 KB의 크기를 갖고 있다. 제품군에 따라 Octo-SPI도 포함하고 있어 외부 메모리를 연결해 사용할 수 있다. 마찬가지로 하드웨어 가상화 기능을 제공한다. 

Stellar P는 고속 연산과 아날로그에 특화된 라인업으로 ADC 소프트웨어를 동작시킬 수 있는 M4 코어 기반 서브 시스템, ADC 값에 대한 필터링 및 캘리브레이션을 처리할 수 있는 DSP 라이트, 뉴럴 네트워크, 벡터 연산 등의 알고리즘을 하드웨어적으로 처리할 수 있는 DFA 가속기를 포함하고 있다. 그 외에 시그마 델타 ADC, High-resolution timer, Analog comparator도 포함한다. 

통신의 경우, 기존 차량용 MCU에서 제공되던 CAN, LIN, FlexRay, SPI 등 통신과 이더넷 1GB, CAN XL 채널도 포함한다. 






“ST는 고객 개발 편의성을 위해 Stellar를 위한 다양한 소프트웨어 패키지를 제공하고 있습니다. 무상 제공하는 Stellar SDK는 Misra-compliant 코드로 평가보드에서 바로 동작시킬 수 있는 예제 프로젝트들을 포함하고, AUTOSAR R20-11, 이후 버전에 맞춰 Stellar MCAL과 CDD를 제공합니다. HSM 펌웨어와 세이프티 라이브러리도 자체 개발해 제공할 계획입니다. 이 외에도 AI 솔루션 개발을 위한 Stellar AI 툴과 모터 컨트롤을 위한 소프트웨어 솔루션, DFA 가속기의 사용 편리성을 위한 DFA 툴킷, 저전력 모드 OTA 하드웨어 가상화를 위한 예제 코드도 제공하고 있습니다.” 


 

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Stellar와 최신 공정 
ST는 오랜 기간 오토모티브 MCU에 대한 전문성을 키워왔다. 32비트 오토모티브 MCU에서 90나노 공정을 시작으로 55나노, 40나노 공정 테크놀로지를 사용해 생산하고 있다. 기본적으로 ST 오토모티브 MCU는 프랑스 크로세에 위치한 인하우스 팹에서 웨이퍼를 생산하며, 세컨드 소스 파운더리는 제품에 따라 TSMC와 삼성이 사용되고 있다. Stellar부터는 28나노 FD-SOI 공정을 사용해 생산한다. ST의 FD-SOI 공정은 ‘Fully Depleted Silicon On Insulator‘의 약자로 완전 공핍형 실리콘 인슐레이터라고 불리는 공정이다. 실리콘 웨이퍼 위에 매우 얇은 절연 산화막을 형성한 뒤 그 위로 평면형 트랜지스터 전극을 구성하는 기술이다. 실리콘 웨이퍼 위로 올라간 절연 산화막은 트랜지스터 아래쪽 공간을 완전히 공핍시키는 덕에 전자가 게이트를 거쳐 이동할 때 발생하는 기생 용량을 낮추고 누설 전류도 크게 감소한다. 기존 양산 중인 40나노 CMOS 공정 제품과 28나노 FD-SOI 공정 제품의 차이점은 비휘발성 메모리의 테크놀로지다.

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