[테크월드뉴스=이재민 기자] 사물 인터넷(IoT) 인프라는 여러 경로로 손상될 수 있다. 첫째, IoT 노드가 설치되기 전 출하 또는 운송 중에 손상될 가능성이 있다. 둘째, IoT 노드가 놓이게 되는 환경에서 열악한 조건에 노출될 수 있다. 이때 극한적인 열, 높은 습도, 진동력 등은 장기적인 동작에 잠재적 위협이 된다. 마지막으로는 다양한 보안 침해에 의한 물리적 공격에도 손상될 수 있다.
전 세계에 배치된 IoT 기기의 엄청난 수를 고려한다면, 지속적인 네트워크 무결성을 보장하는 건 매우 중요하다. 마켓앤마켓(MarketsandMarkets)에 따르면 운영되는 IoT 노드와 게이트웨이 수가 2023년에는 총 170억 개가 넘을 것으로 예상된다. 가까운 미래에 광범위한 IoT 네트워크가 설치될 예정이므로 이를 구성하는 노드는 더 똑똑해져야 한다. 노드는 자가 검사를 수행할 수 있어야 하며 이를 통해 오작동의 신호가 없는지 회로를 모니터링하고, 수집 및 전송하는 데이터의 무결성을 보장해야 한다.
예를 들어 출하 중에 떨어뜨린 가속도계를 탑재한 IoT 노드를 생각해 보자. 가속도계는 낙하 및 충격 데이터를 캡처한 다음 마이크로컨트롤러 장치(MCU)를 깨워 계산을 수행해 바닥에 부딪힐 때 패키지의 방향을 결정하도록 한다(평면, 가장자리, 모서리 등). 이로부터 패키지의 손상 여부를 확인하고, 손상됐다면 IoT 게이트웨이를 통해 이런 정보를 전송해 공급 업체 또는 고객에게 교체가 필요하다고 알린다. 이런 기능이 있는 노드를 설계할 때 엔지니어는 MCU, 메모리, 전력 관리 및 무선 커넥티비티 등과 같은 핵심 요소는 물론 관련 센서도 고려해야 한다.
오늘날의 IoT 애플리케이션은 노드의 복잡성, 사용 가능한 전력 및 필요한 데이터 처리량에 따라 16 또는 32비트 MCU를 사용한다. 정교한 알고리즘을 실행할 필요가 있는 엔드 노드나 게이트웨이 장치는 주로 32비트 MCU를 사용한다. AES-256과 같은 암호화 보안도 최신 IoT 노드의 핵심적인 요구사항이다.
본문에서는 노드가 훼손되거나 손상된 경우, 이를 식별한 다음 적절한 조치를 취할 수 있도록 도와주는 자가 진단 기능을 지원하는 최신 MCU를 중점적으로 살펴보기로 한다.
전력 효율적인 16비트 MCU
마이크로칩의 PIC24E 제품군은 높은 코드 밀도와 3.3V에서 최대 70MIPS 성능을 제공하는 고성능 범용 16비트 MCU로 구성된다. 이들 디바이스는 CAN 통신, 내장된 연산 증폭기, 모터 제어, USB OTG, 탁월한 ADC 성능 및 DMA 채널 등을 통한 빠른 데이터 이동을 제공한다. 또한 확장 가능한 메모리(최대 536kB)에 소형 패키지(최소 5 x 5mm)로 제공되며, 넓은 온도 범위에서 동작한다(특정 옵션에서 150°C).
TI의 MSP430 초저전력 MCU 시리즈는 25가지 이상의 패키지 구성으로 제공되며, 다양한 애플리케이션에 대응하는 주변 장치 세트를 갖췄다. 이 MCU는 강력한 16비트 RISC CPU, 최대 512kB 플래시 메모리, 64kB RAM, 16비트 레지스터 및 코드 효율을 극대화하는 메커니즘 등을 제공한다. 디지털로 제어되는 발진기를 내장해 6µs이내에 저전력 모드에서 동작 모드로 작동할 수 있다.
또한 아날로그 및 디지털 주변장치를 통합해 BOM 비용을 낮추며 설계를 용이하게 하고, 성능을 향상시킨다. 이외에도 데이터 컨버터, 연산 증폭기, 비교기, 타이머에서부터 정전식 터치 및 초음파 감지와 같은 향상된 주변장치까지 다양한 기능이 포함됐다. MCU는 100μA/MHz 미만의 전력 소비, 0.1μA RAM 유지 및 1μA 미만 RTC 모드(배터리 수명 20년 이상 연장 가능)의 7가지 저전력 모드를 제공한다.
IoT에 적합한 32비트 MCU
아나로그디바이스의 ADuCM3027과 ADuCM3029 초저전력 MCU는 32비트 ARM Cortex-M3 프로세서 코어를 탑재해 최적의 성능과 전력 소비 특성을 얻도록 간단히 구성할 수 있으며, IoT 설치 시 중요한 보안과 신뢰성 기능을 제공한다. 두 모델은 플래시 메모리 용량만 각각 128kB, 256kB로 다르다(두 경우 모두 ECC 암호화 통합).
헬스케어, 건물·공장 자동화, 스마트 농업, 스마트 에너지 애플리케이션을 위해 설계된 이들 MCU는 EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) 평가 기준 245.5 ULPBench 점수를 획득했다. 전력 소비 특성은 동작 모드(전체 켜짐 모드)에서 30μA/MHz(정격) 미만, 플렉시(코어 대기 상태, 주변장치 동작)에서 300μA(정격) 미만이고, 하이버네이트(SRAM 유지)는 750nA(정격)를 달성한다.
포함된 다수의 하드웨어 및 소프트웨어 보호 메커니즘에 의해 지원되는 가속 암호화는 강력한 읽기 보호 기능으로 권한이 없는 사용자가 디바이스 콘텐츠를 읽지 못하도록 방지한다. 또한 회로 내 쓰기 방지 기능은 합법적이지 않은 코드로 재프로그래밍을 하지 못하도록 한다. 대기 모드 시 전압 모니터링과 플래시 메모리에 대한 오류 교정은 작동 문제를 일으키거나 시스템 충돌로 이어질 수 있는 손상을 방지해 신뢰성을 높여준다.
NXP반도체의 LPC540 32비트 MCU는 180MHz ARM Cortex-M4 코어, 효율적인 아키텍처, 첨단 HMI 기능, 유연한 통신 주변장치 등을 결합해 차세대 IoT 인프라에 강력한 실시간 성능을 제공한다. 이 MCU는 쿼드 SPI 플래시 인터페이스, CAN버스, 그래픽 LCD 및 FlexComm을 위한 최대 11개 채널의 높은 유연성을 가져 요구사항에 따라 조정할 수 있다.
또한 시리즈 내 호환성은 프로세싱 성능을 높이거나 주변장치를 더 추가할 수 있는 원활한 마이그레이션 경로를 제공한다. TFBGA180, TFBGA100, LQFP208, LQFP100 등 패키지로 제공되는 이들 디바이스는 최대 360KB의 SRAM, 쿼드 SPI 플래시 인터페이스, 이더넷 커넥티비티 지원, TFT LCD 컨트롤러, 2개의 CAN FD 모듈 등을 포함한다. 아울러 기능 통합과 전력 효율 사이에서 탁월한 균형을 이뤄 100µA/MHz의 동작 모드 전류를 달성한다.
르네사스의 Synergy S3A1 MCU는 48MHz 32비트 ARM Cortex-M4 CPU 코어, 부동 소수점 장치(FPU), 다수의 아날로그 및 보안 기능을 제공한다. 이 MCU는 1MB 코드 플래시 메모리, 8kB 데이터 플래시 메모리, 192kB SRAM을 내장하고 있다.
또한 다른 Synergy MCU 그룹과 기능, 핀, IP 등이 호환되며, 코드 재사용이 가능해 하드웨어·소프트웨어 개발 과정을 단축시킨다. 여러 서비스에 대한 지속적인 기능 업그레이드를 필요로 하는 모니터링 애플리케이션(실외 기상 관측소 등)을 위해 설계돼 다양한 메모리 밀도와 패키지·핀 풋프린트로 제공된다.
ST마이크로일렉트로닉스의 STM32L4 MCU+FPU 제품군의 모든 제품은 ARM Cortex-M4 32비트 RISC 코어를 기반으로 하는 초저전력 디바이스다. 최대 80MHz 주파수에서 동작하는 이들 코어는 단정도 형식 FPU를 채택해 모든 ARM 단정도 데이터 처리 명령어와 데이터 종류를 지원한다.
애플리케이션 보안을 강화하는 메모리 보호 장치와 함께 전체 DSP 명령어도 구현됐다. 이 제품군은 FlexPowerControl을 적용한 새로운 초저전력 플랫폼을 기반으로 한다. 최적화된 전력 소모 수준을 통해 디바이스는 150 ULPBench-CP의 EEMBC ULPBench 점수를 달성한다. 구성된 MCU는 최대 2MB 플래시(듀얼 뱅크) 메모리와 최대 640kB SRAM을 제공하며, ST의 독자적인 80MHz의 ART 가속기 덕분에 100DMIPS/273 CoreMark를 달성한다.
전체 시스템 성능은 다중 AHB 버스 매트릭스와 DMA 컨트롤러를 사용해 최적화됐다. STM32L4를 STM32F4에 기반한 현재의 설계를 대체하는 데 사용해 저전력 기능을 얻을 수 있다. 핀투핀 호환이 가능하므로 보드 레이아웃을 변경할 필요가 없다.
더 작은 패키지 형태의 MCU
사이프레스 세미컨덕터의 PSoC 6 MCU는 IoT 애플리케이션을 위해 특별히 개발된 올인원 고성능 프로세싱과 핵심 보안 기능을 갖췄다. 이 디바이스는 초저전력 40nm 공정 기술을 기반으로 듀얼 코어 아키텍처를 채택해 ARM Cortex‑M4로 고성능 동작을 처리하고, ARM Cortex‑M0+로 전력이 제한된 작업을 실행한다.
유효 전력 소비는 M4 코어의 경우 22μA/MHz까지 내려가고, M0+ 코어는 단 15μA/MHz에 불과하다. MCU의 매우 유연한 아키텍처는 USB, 블루투스 저전력(BLE) 및 기타 다양한 소프트웨어 정의 주변장치와 같은 기능을 추가할 수 있어 여러 커넥티비티 프로토콜을 포함해야 하는 IoT 설계를 지원할 수 있는 맞춤형 아날로그 프론트엔드(AFE)와 디지털 인터페이스 회로를 생성할 수 있다. 또한 디바이스에는 ECC와 AES 암호화, 보안 해시 알고리즘(SHA 1, 2, 3)을 포함해 산업 표준 대칭 및 비대칭 암호화 알고리즘이 제공된다.
마이크로칩의 SAM R34 LoRa sub-GHz SIP(system-in-package) 제품군은 초저전력, 고성능 32비트 MCU, LoRa 트랜시버, 소프트웨어 스택 등을 포함해 IoT 설계의 출시 기간을 크게 단축할 수 있다. 이들 디바이스는 인증된 레퍼런스 디자인과 주요 LoRaWAN 게이트웨이 및 네트워크 공급업체와의 검증된 상호운용성을 제공한다.
노르딕 세미컨덕터의 nRF52840 멀티 프로토콜 SoC는 단거리 무선 애플리케이션에 적합한 초저전력의 유연한 단일 칩 솔루션이다. 임베디드 2.4GHz 트랜시버는 블루투스 5/BLE, 802.15.4/스레드, ANT/ANT+ 및 독자적인 2.4GHz 프로토콜을 지원한다. 이 디바이스는 노르딕 세미컨덕터의 기존 nRF52, nRF51, nRF24 시리즈와 모두 호환된다.
동적 멀티 프로토콜 기능은 블루투스 5와 스레드 무선 커넥티비티를 동시에 허용하고, 이런 무선 프토로콜 간에 무선 하드웨어의 동작 시간을 공유하도록 보장해 둘 다 연결된 상태를 유지할 수 있다. 이 SoC는 32비트, 64MHz ARM Cortex-M4F CPU를 중심으로 구성되고, 1MB 플래시 메모리와 256kB RAM을 내장하고 있다. CPU 구성은 DSP 명령, 하드웨어 가속 FPU 계산, 단일 사이클 곱셈 및 누산, 에너지 효율적인 복소 연산 처리를 위한 하드웨어 분할을 지원한다.
또한 전력 및 자원 관리를 사용해 배터리 수명을 극대화한다. 1.7 ~ 5.5V의 전압 범위는 외부 레귤레이터를 사용하지 않으면서 1, 2차 셀 배터리 기술과 직접 USB 전원을 지원한다. 디바이스는 전원 전환에서부터 주변장치 버스/EasyDMA 메모리 관리에 이르기는 동작의 모든 측면과 관련한 자동화된 적응형 전력 관리 기능을 제공하며, 작업을 수행하는 데 필수적인 주변장치를 제외한 모든 장치를 자동으로 종료하는 자동 셧다운을 포함한다.
앞으로 몇 년 동안 배치되는 IoT 노드의 수가 급격히 증가할 것으로 예상됨에 따라 모든 노드가 올바르게 동작하도록 유지해야 하는 필요성이 점점 더 명확해지고 있다. 위에서 다룬 MCU 디바이스들은 설계 엔지니어가 이를 실행하기 위한 혁신적인 반도체 기술에 이미 접근하기 시작했음을 시사한다.
글 : 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공 : 마우저 일렉트로닉스(www.mouser.com)
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