글 : 압둘라 라오프, 래티스 반도체 수석 제품 마케팅 매니저
<자료제공 : 래티스반도체(www.latticesemi.com)>
압둘라 라오프(Abdullah Raouf)는 래티스 반도체에서 모바일 비디오 및 USB 기술 관련 제품 마케팅을 담당하고 있다. 반도체 제품 관리 분야에서만 10여년 이상의 경력을 갖고 있으며, UC Davis 대학에서 전기공학을 전공하고 Santa Clara 대학원에서 MBA를 취득했다.
USB 타입(Type)-C는 컴퓨팅 및 컨수머 시장에서 많은 사용자들의 관심을 끌고 있는 최신 커넥터다. 기능성과 사용자 호감을 겸비한 USB 타입-C는 지금까지 발표된 것 중 가장 인기 있는 전자기기용 커넥터 중 하나이면서 가장 혼란스러운 기술이기도 하다.
용어들도 굉장히 다양하다. 일명 알트 모드(Alt Mode)라고도 하는 얼터네이트 모드, 액세서리 모드, 스트럭처드 VDM 또는 언스트럭처드 VDM 같은 용어들이 사용되고 있어 사용자와 기술자가 골치를 앓게 할 수도 있다.
이러한 용어들은 USB 타입-C 커넥터를 통해 지원될 수 있는 USB와는 무관한 광범위한 기능들을 정의하는 것들이다. 이 글에서는 허용되는 모든 비(非)USB 기능들, 시스템 엔지니어가 필요로 하는 부품들, 그리고 소비자가 이해해야 하는 지원 기능들에 대해 설명한다. 비디오 모드, 데이터 모드, 오디오 모드, 디버그 모드, 고전력 모드가 논의될 것이다.
USB 타입-C 개요
우선 아직 이 신형 인터페이스에 대해 들어보지 못한 독자들을 위해 USB 타입-C에 대해 짧게 소개하고자 한다. USB 타입-C는 커넥터의 유연성과 확장성을 위한 5가지 특성을 갖고 있다.
전력 = USB 타입-C커넥터는 이전 세대의 USB 커넥터와 호환이 가능하도록 기본 5V 전력을 지원한다. 하지만 이 새로운 USB 타입-C 커넥터는 각각 전원과 접지 전용으로 사용되는 4개의 핀을 갖고 있다. ‘USB 전력 공급 사양’이 결합되면서,최대 20V까지의 전압과 최대 5A의 전류가 USB 타입-C 포트를 통해 공급될 수 있다.
대칭형 연결 = USB 타입-C 커넥터는 대칭형이라서 플러그의 위아래 구분이나 케이블의 방향에 관계없이(무방향성) 사용할 수 있다. 이처럼 사용하기 편리한 새로운 연결 방식 때문에 이전 세대 커넥터에서 지적돼 온 불편함이 사라졌다.
과거에는 커넥터 타입에 따라 연결되는 기기의 기능이 정해졌다(호스트용은 타입-A, 디바이스용은 타입-B). USB 타입-C 커넥터는 포트 하드웨어 자체에 의해 정해진 기능에 따라 어느 쪽 포트에든 연결이 가능하다. 이는 USB 타입-C 케이블의 양쪽이 동일한 플러그를 갖고 있기 때문에 케이블 연결을 간소화한다.
대역폭 = USB 타입-C는 USB 2.0, USB 3.1 젠(Gen) 1(SuperSpeed USB 5Gbps), USB 3.1 젠 2(SuperSpeed USB 10Gbps) 데이터 속도를 지원한다. USB 2.0과 USB 3.1은 서로 다른 사양에 의해 정의된다. 수퍼스피드(SuperSpeed) USB 차동 쌍 신호는 커넥터의 바깥쪽에 할당되기 때문에 각각의 삽입 방향마다 1세트의 수퍼스피드 USB 신호 연결이 사용된다.
채널 구성 = USB 타입-C 커넥터에는 협상을 위한 2개의 채널 구성 신호(CC1과 CC2)가 있다. 이들 신호는 커넥터 연결 방향을 정의하며 알트 모드와 액세서리 모드 외에 커넥터에 공급되는 전원을 협상하는 데 사용된다.
비(非)USB 시그널링 = USB 타입-C 커넥터는 기기가 제공하는 기능을 확장할 수 있도록 다양한 OEM 제품 차별화 모드를 제공한다.
[그림1]은 USB 타입-C 커넥터의 핀 매핑을 나타낸다. 핀의 서브셋은 제품 유형에 따라 추가 기능을 위해 용도 변경이 가능하다. 노란색으로 표시된 핀은 완벽한 USB 타입-C 케이블용으로 오렌지색으로 표시된 핀은 다이렉트 커넥트(Direct Connect) 애플리케이션용으로 각각 재구성될 수 있다.
이 같은 신호 재할당은 CC 회선 상에서 협상을 통해 이뤄진다. 진입할 수 있는 2개의 모드는 액세서리 모드와 알트 모드라 불린다. 액세서리 모드로 진입하기 위해 CC 회선들은 어떤 액세서리 모드가 필요한지를 결정하기 위한 단순 로직 감지용으로 사용된다.
알트 모드로 진입하기 위해서는 연결을 적절히 설정할 수 있도록 CC회선을 통해BMC(Biphase Mark Code)를 사용한 양방항 통신이 요구된다. 이러한 협상에서 양쪽 포트의 기기들은 다른 어떤 변화보다 먼저 재할당에 합의할 필요가 있다.
모든 USB 타입-C 포트는 알트 모드나 액세서리 모드로 동작하지 않을 때에는 호환 가능한 USB 포트로서 동작할 수 있어야 한다.
액세서리 모드
액세서리 모드는 USB 타입-C로 전달되는 아날로그 오디오 또는 디버그 신호를 지원한다.
오디오 모드에서 하나의 오디오 소스(예컨대 휴대폰 또는 노트북)는 아날로그 오디오 신호(좌·우)를 USB 2.0(D+/D-) 핀으로 구동 할 수 있으며 이와 동시에 측파대 신호(SBU1 또는 SBU2) 중 하나를 통해 외부 소스로부터 마이크 신호를 받을 수 있다.
액세서리 모드를 통한 디지털 오디오 지원은 머지않아 가능할 것으로 보인다. 액세서리 모드를 지원하려면 링크를 통해 어떤 액세서리 모드가 요구되는지를 감지하기 위한 간단한 DC 레벨 전압 비교기가 필요하다.
이러한 감지 블록은 오디오 소스를 구현하는데 요구될 것이다. 적절한 감지가 이뤄졌다면 오디오 소스는 [그림2]에 나타난 것처럼 동일한 핀으로 오디오를 연결함과 동시에 오디오 신호를 지원하고 USB 2.0 신호를 절연할 수 있는 아날로그 스위치를 사용할 필요가 있을 것이다.
스마트폰이나 노트북은 액세서리 모드 지원이 의무 사항이 아니어서 소비자는 새로운 구매한 기기가 USB 타입-C를 통한 오디오 지원이 가능한지 여부를 확인하기 위해 제품 사용 설명서를 꼼꼼히 살펴봐야 한다.
PDO(Power Data Object)와 전력 공급 계약
PDO(Power Data Object)는 USB 타입-C로 전달될 수 있는 전압 및 전류 공급 능력 등의 정보 패킷을 말한다. 각각의 USB 타입-C 포트(전력 공급이 가능한)는 새로운 연결이 이뤄졌을 때 PDO를 최대 6개까지 보낼 수 있다.
그 때 수신단의 기기는 6개의 PDO 중에서 정보를 취하게 되는데 합의된 전압 및 전류 쌍을 찾게 되면 전력 공급 계약이 맺어지고 USB 타입-C 포트들 간에 전력 공급이 시작된다.
공급되는 전압은 0~20V 범위에서 50㎷ 단위로 전류는 0~5A 범위에서 10㎃ 단위로 각각 전송될 수 있다.
반드시 지원해야 하는 전압 및 전류 레벨은 5V@900㎃이며 나머지는 옵션이다. USB 타입-C 충전기와 USB 타입-C 전류 소비기기를 구매하고자 할 때 급속 충전 기능을 원한다면 반드시 필요한 성능과 요건을 꼼꼼하게 확인해야 한다.
그렇지 않으면 일치하는 PDO가 단지 5V@900㎃(4.5W) 하나뿐인 제품을 구매하게 될 수도 있다. 향후에는 전력 충전기와 소비기기를 사용자가 보다 쉽게 일치시킬 수 있게 개발이 이뤄져야 할 것이다.
얼터네이트 모드·알트 모드(스트럭처드 VDM)
얼터네이트 모드(Alternate Mode) 또는 알트 모드(Alt Mode)는 USB 타입-C 커넥터를 통한 협상과 비USB 데이터 전송에 사용되는 또 다른 옵션 기술이다.
지금까지 USB 사용자 포럼(USB Implementers Forum, USB-IF)과 협력 약정을 체결한 표준화 그룹에 의해 개발된 표준 알트 모드는 2가지다. 디스플레이포트(DisplayPort, DP)와 MHL이 그것이다.
썬더볼트 3(Thunderbolt 3)은 인텔이 개발한 독자적인 알트 모드다. 디스플레이포트와 MHL이 USB 타입-C 지원 제품을 외부 디스플레이 장치와 연결하는 것에 초점을 맞추고 있는 데 반해 썬더볼트는 인텔의 최신 알파인 릿지(Alpine Ridge) 컨트롤러가 PCI 익스프레스 젠 3 및 USB 3.1 젠 2 기능을 통합한 이후로 데이터 지원을 위한 레이어가 추가됐다.
IT 전문지인 아스테크니카(Ars Technica)에 따르면 기본적으로 썬더볼트는 물론 PCI 익스프레스 젠 3, USB 3.1 젠 2, 디스플레이포트 1.2를 지원해 온 썬더볼트 알트 모드는 이러한 통합 수준 덕분에 USB 타입-C에 대해 가장 높은 수준의 프로토콜을 지원한다.
40Gbps를 지원하는데 이는 듀얼 4K 60fps 디스플레이 또는 싱글 5K 60fps 디스플레이를 구동하는데 필요한 대역폭이다.
이에 반해 디스플레이포트는 비디오 해상도에 보다 집중해서 현재 싱글 USB 타입-C 포트를 통해 8K 해상도까지 전송한다.
디스플레이포트 표준화 기구인 VESA의 홈페이지 FAQ란에 따르면 DP1.3은 32.4Gbps의 비압축 비디오 데이터까지 전송할 수 있는데 이는 8K 60fps 4:2:0을 전송하는데 필요한 성능이다.
USB 타입-C용으로 두 번째로 표준화된 얼터네이트 모드가 MHL이다. 이는 압축 또는 비압축 비디오 신호 모두를 지원할 수 있다. 압축되지 않은 신호일 경우 24Gbps가 지원되는데 이는 4K 60fps, 12비트 딥 컬러를 지원하기에 충분한 수준이다.
디스플레이 스트림 압축(Display Stream Compression, DSC) 기술을 사용할 경우 MHL은 8K 60fps 4:4:4 지원에 요구되는 72Gbps까지 지원할 수 있어 효과적인 비디오 대역폭 지원과 관련해서는 MHL이 가장 우위를 나타낸다.
DSC는 라인 기반의 압축 알고리즘으로서 시각적으로 손실 없는 솔루션을 제공할 뿐 아니라 압축 기술을 사용할 때 흔히 관찰되는 지연 현상도 최소화한다. [그림3]은 DSC 기술 적용 전과 후의 이미지 차이를 나타낸다.
앞서 소개한 표준 알트 모드 중 어떤 것을 활용하고자 하든 시스템 설계자가 가장 먼저 해야 할 일은 원하는 표준을 지원하는 칩셋을 선택하는 것이다. 썬더볼트를 지원하는 벤더는 인텔뿐이지만 MHL이나 디스플레이포트를 지원하는 벤더는 많다.
다음으로는 래티스가 최근 발표한 USB 타입-C 포트 컨트롤러 제품과 유사한 알트 모드 네고시에이터 칩이 필요하다.
아직은 로고 사용이 의무 조항이 아니다. 따라서 사용자들은 DP를 지원하는 USB 타입-C 제품을 구매해서 MHL을 지원하는 액세서리에 연결하는 실수를 범하지 말고 제품 구매 전에 반드시 제품 설명서를 읽고 해당 제품이 어떤 알트 모드를 지원하는지 확인할 것을 당부한다.
스트럭처드 및 언스트럭처드 VDM
스트럭처드 및 언스트럭처드 VDM(Vendor Defined Message)은 SVID(Standard ID or Vendor ID)가 만들고 USB-IF가 지정한 것으로 둘 다 독특하게 보증된다. 표준 ID(Standard ID)는 예컨대 MHL이나 디스플레이포트처럼 전체 USB 타입-C 에코시스템이 활용할 수 있도록 표준 알트 모드에 할당됐다. 벤더 ID(Vendor ID)는 1개의 기업에만 해당하는 것이어서 대중적으로 알려지지 않을 수도 있다.
USB 전력 공급(USB Power Delivery(USB PD)) 메시지·명령어는 두 가지 표준과 벤더별 활용을 위해 정의된다. 스트럭처드 VDM 메시지는 USB PD에서 정의된 확장 가능한 명령어이며 알트 모드로 들어가고 나오기 위한 기본적인 메커니즘이다. 언스트럭처드 VDM은 전적으로 벤더가 정의하며 통상(반드시 그런 것은 아님) 알트 모드에서 한 번 사용된다.
예컨대 알트 모드로 들어갔을 경우 사용자는 알트 모드 동작을 관리하기 위해 스트럭처드 VDM을 계속 보낼 수 있지만 스트럭처드 VDM에 의해 쉽게 지원되지 않는 명령어가 필요할 수도 있다.
사용자 교육
USB 타입-C의 성공 여부는 사용자 교육과 인지도에 달렸다고 해도 과언이 아니다. 사용자가 처음 이 기술을 접했을 때 USB Type-C가 지원하는 새롭고 핵심적인 이점들을 파악할 수 있게 해야 한다.
- 무방향성 플러그와 케이블
- USB 전력 공급 기능과 결합될 때 최대 20V의 전압과 5A의 전류로 기기를 유연하고 신속하게 충전
- 오디오 헤드셋 및 비디오 출력 같은 선택적인 시그널링 모드 지원
USB 타입-C 충전기 구매자는 빠른 충전 시간을 체험하기 위해 충전기가 자신들이 보유한 기기의 쾌속 충전 성능을 만족하는지를 확인하고 싶어 할 것이다. 휴대폰과 노트북에 의해 지원되는 액세서리 모드는 의무 사항은 아니다.
따라서 사용자는 USB 타입-C를 통한 오디오 전송 등 자신이 원하는 옵션이 지원되는지 여부를 확인할 필요가 있다. 얼터너티브 시그널링 로고 역시 의무 사항이 아니기 때문에 사용자는 어떤 알트 모드가 지원되는지(MHL, DP, 썬더볼트)를 미리 확인해야 한다.
한편 아래 표는 USB 타입-C를 지원하는 몇몇 제품들과 각 제품마다 문서로 밝힌 지원 기능들을 정리한 것이다.
그래도 삭제하시겠습니까?