[기고] 자동차에 멀티 기가 이더넷이 필요한 이유

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 자동차의 자율 주행 기능은 현재 레벨2에서 레벨3과 4로 발전하고 있다. 이런 자동차는 ADAS를 보조하는 연결·탐색을 수행하기 위해 도메인통제장치(DCU)와 전자통제장치(ECU) 그래픽처리장치(GPU), 고해상도 카메라, 센서, 저장매체 등 다양한 부품을 내장한다. 또 파워트레인과 섀시, 차체는 물론 편의기능과 인간-기계 간 상호작용(HMI), 인포테인먼트를 제어하기 위한 회로를 포함한다. 차량 내 네트워크(IVN)와 다양한 기능을 연결하는 배선은 자동차에서 섀시와 엔진에 이어 세 번째로 무겁고 비싸다.

2004년 토마스 BMW 전자부품 엔지니어 겸 그룹 매니저는 자동차의 소프트웨어 플래시 프로그래밍 속도를 높일 수 있는 방법을 찾아 배선 무게와 비용을 줄이려 했다. 기존 CAN(Controller Area Network) 인터페이스를 사용했더니 1기가바이트(GB) 소프트웨어 플래싱(Flashing)을 완료하는 데 몇 시간이 소요됐다. 그는 반도체 파트너들과 평가 작업을 진행한 끝에 표준 100Base-TX 이더넷(Ethernet)을 선택했고, 2008년 출시한 BMW 7시리즈에 이더넷 인터페이스를 처음 탑재했다.

이후 자동차 OEM 회사들은 기존까지 주차된 차량에서 소프트웨어 다운로드나 온보드 진단 용도로 쓰던 이더넷을 이동 중에도 사용하기 시작했다. 그러나 이더넷을 IVN에 적용하는 데 애를 먹었다. 주된 문제로는 전자기간섭/전자기호환성(EMI/EMC)과 지연시간, 훼손된 ECU로 인한 해킹, 열에 취약한 이더넷 부품, 미사용 포트, 셀룰러·와이파이(Wi-Fi)·블루투스(Bluetooth) 같은 외부 인터페이스와의 혼선 등이 있었다.

차량용 이더넷 설계, 테스트

이 같은 이유로 차량용 이더넷에는 다음과 같은 적합성 검사가 꼭 필요하다.

고급 브랜드에서 시작해 차량 대부분에 적용

최근 자동차 수가 증가하면서 대역폭과 기타 IVN 요건이 계속 강화되고 있다. 이더넷 기술과 표준이 차량에 원활히 적용할 수 있도록 발전하고 있기 때문에, 이더넷은 자동차가 요구하는 통신 규정을 충족할 것이다. BMW 같은 고급 브랜드의 솔루션으로 시작한 이 기술이 이제는 대부분의 차량에 널리 채택되고 있다.

실제로 다음과 같은 이유로 IVN에 필요한 대역폭이 증가하고 있어, 자동차 OEM 회사들은 멀티 기가 이더넷(2.5~10Gbps)을 도입하기 위해 이더넷을 평가하기 시작했다.

① ADAS 센서 수: 레벨3, 레벨4 자율주행을 구현하기 위해 기존 10여 개에서 최근 20여 개 이상으로 증가

② 무손실 무압축 카메라 데이터 활용: 이미지 품질을 보존하고 지연시간과 센서 비용, 열 발생을 줄이기 위해 압축 과정 생략

③ 카메라 해상도: 기존 720p에서 1080p나 4K(3840×2160)까지 증가

④ 초당 프레임 수: 기존 30에서 최근 60으로 증가

⑤ 픽셀당 비트 수: 기존 8개에서 최근 최대 24개까지 색 심도 증가[표 1]

[표 1] 4K 해상도의 카메라 센서 데이터를 처리하기 위한 통신 속도. 색 심도가 8비트 이상인 4K 해상도 데이터를 처리하려면 멀티 기가 이더넷이 필요하다.

유럽의 센서, IVN, 자율주행 동향

자동차 산업이 국내총생산(GDP)의 7% 이상을 차지하는 유럽연합(EU)은 세계에서 자동차 연구·개발(R&D) 투자를 가장 많이 하는 지역이다. EU는 연간 610억 유로(약 83조 원)를 자동차 R&D 투자하고 있으며, 이는 EU 총 R&D 투자의 28%를 차지한다.

또 유럽은 자동차 부문 특허 출원을 주도하고 있다. 유럽자동차제조협회(ACEA, European Automobile Manufacturers Association)에 따르면 2011년 이후 등록된 세계 자동차 특허 중 37%를 EU가 출원됐다. 그리고 EU의 뒤를 미국(34%)과 일본(13%), 중국(3%)이 이었다.

EU는 3년간 5100만 유로(약 694억 원)를 투자해 자동차 시장에서 요구하는 센서와 IVN 요건을 추적하는 PRYSTINE 프로젝트를 진행하고 있다. EU의 R&D 전략인 Horizon 2020 연구·혁신 프로그램이 자금을 지원한 이 프로젝트는 BMW, 포드, 마세라티 같은 자동차 제조사와 인피니언, NXP반도체 같은 반도체 기업을 포함한 60개 파트너로 구성된다.

이 프로젝트는 복잡한 교통 상황에서 안전한 자율주행이 가능하도록 레이더와 라이다 센서를 융합하고 신호 처리 기술과 인공지능(AI)을 활용한다. 궁극적으로는 고장이 나도 사고로 연결되지 않는(Fail-Safe) 시스템에서 고장이 나도 전반적인 문제가 발생하지 않는(Fail-Operational) 시스템으로 전환하고, 안전 제어기와 센서, 레이더, 라이다, 카메라, 컴퓨팅 플랫폼 등 미래차 구성요소가 지닌 안전성을 개선하는 것이다.

EU는 교통사고 사망 사례의 22%가 보행자, 8%가 자전거라는 점에 주목한다. PRYSTINE 구성원들이 개발한 솔루션은 운전자가 발견하기 어려운 보행자와 자전거를 쉽게 알아챌 수 있도록 서라운드 카메라와 360도 동영상 처리 방식을 활용해 사각지대를 없앴다. 이 솔루션은 안전 경고를 제공하기 때문에 교통사고가 줄고 운전자 인지 능력을 개선한다. 교통 관리 솔루션은 교통 관제소에서 수신하는 정보와 시험 차량 데이터, 번호판 인식 카메라 데이터를 융합해 사용한다.

이런 데이터는 고속, 고대역, 저지연 네트워크로 전송돼야 한다. 멀티 기가 이더넷은 이런 요건을 충족한다.

”미래차는 사람과 ADAS, 멀티 기가 이더넷만 존재”

리더십 전문가인 워런 베니스(Warren Bennis)는 “미래 공장에는 직원 두 명, 즉 사람 한 명과 개 한 마리만 있을 것”이라며 “사람의 역할은 개에게 먹이를 주는 것이고, 개의 역할은 사람이 장비를 만지지 못하도록 감시하는 것”이라고 말했다.

그는 미래차에 대해 비슷한 말을 할 것이다. “사람과 ADAS, 멀티 기가 이더넷 세 가지만 존재할 것”이라며 “사람의 역할은 ADAS를 켜는 것이고, ADAS의 역할은 사람이 자동차를 주행하지 못하도록 하는 것이며, 멀티 기가 이더넷의 역할은 ADAS를 연결하는 것”이라고 말이다.

글: 앨런 바게스(Alan A. Varghese) 자동차 기술·마케팅 담당
자료제공: 키사이트테크놀로지스

<이 기사는 테크월드(Techworld)가 발행하는 EPNC(전자부품) 2022년 3월호(VOL.409)에 게재됐습니다.>