[TECH REPORT] 소프트웨어 정의 차량 시대, MCU 역할과 중요성

[Arm=제임스 스코비] 최근 자동차 업계는 소프트웨어 정의 차량(software defined vehicle, SDV)의 새로운 시대를 맞이하고 공급망 보안 문제를 해결함에 따라 전례 없는 변화를 겪고 있다. 산업 전반에 걸친 컴퓨팅 아키텍처와 공급망의 발전도 빠르다. 소프트웨어 정의 차량의 컴퓨팅 플랫폼의 핵심 요소는 중앙컴퓨트(central compute), 영역 컨트롤러(zonal controllers), 마이크로컨트롤러 등 크게 세 가지로 구성된다.

ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)용 중앙 컴퓨트는 운전자의 자율성과 일반적인 차량 컴퓨팅 기능을 향상시키고 다수의 영역 컨트롤러는 전력 공급과 데이터 연결의 허브로서 다양한 실시간 오토모티브 기능을 지원한다. 마지막으로 전자제어장치(ECU)에 통합된 엔드포인트 MCU는 컴퓨팅 플랫폼 전반에서 센서, 액츄에이션(actuation), 하드웨어 제어 등 단일 기능 작업을 지원한다.

소프트웨어 정의 차량은 스마트폰 업데이트와 유사한 방식으로 소프트웨어 업데이트를 차량에 제공하며, 운전자에게 시스템 업데이트나 차량 개선 사항에 대한 알림을 전송할 수 있다.

예를 들어, 스티어링 시스템 업그레이드를 통해 보다 정밀하고 ‘스포티한’ 핸들링을 가능하게 하고, ADAS에 새로운 기능을 추가해 더 많은 운전 보조 기능을 제공하거나 배터리 관리 시스템을 업그레이드해 주행거리를 늘릴 수 있다. 이를 위해서는 실제 차량에 업데이트가 배포되기 이전에 클라우드에서 소프트웨어를 생산 및 테스트하는 ‘클라우드 네이티브 환경’이 필수적이다.

Arm의 Cortex-M CPU를 탑재한 MCU는 모든 컨트롤러가 차량용 컴퓨팅 플랫폼에서 결정적인 역할을 하도록 설계되었다. 이러한 MCU는 자동차 업계의 컴퓨팅 혁신을 위한 기능, 성능, 확장성 및 공통 아키텍처를 제공한다.

◆ MCU의 등장

새로운 차량의 EE 아키텍처가 중앙집중화 되고 있음에도 불구하고, MCU의 규모와 기능은 자동차 업계 전반에 걸쳐 확장될 것으로 보인다. 시장조사업체 스트래터지 애널리틱스(Strategy Analytics)의 분석에 따르면, 2021년부터 2026년 사이 MCU의 개수가 약 8% 증가할 것으로 예측되는데, 차량 생산의 성장을 앞지르는 수치다. MCU는 저전력 및 고효율로 차량 내 특정 작업을 제어하고 소프트웨어 정의 차량의 새로운 소프트웨어 아키텍처에 통합되는 원격 엣지 감지 지점을 활성화하는 요소로 기대된다.

MCU의 기능과 컴퓨팅 성능은 여러 세대에 걸쳐 발전을 거듭하고 있다. 업계의 요구사항이 증가함에 따라 MCU는 8비트에서 16비트, 그리고 32비트로 확장되었다. 실제로 가장 작은 노드 중 상당수가 지속적인 개발을 통해 32비트 컨트롤러로 마이그레이션되고 있으며, Arm의 오토모티브 파트너사는 2023년 32비트의 신제품을 출시할 예정이다.

향후 소프트웨어 정의 차량에서 무선(OTA) 업데이트도 가능해진다. MCU는 악성 소프트웨어가 개인, 법률 및 금융 정보와 같은 중요한 정보에 불법적으로 액세스하거나 잠재적으로 치명적인 피해를 일으키지 않도록 향상된 보안 기능을 갖춘 신뢰할 수 있는 실행 환경을 지속적으로 제공해야 한다. 기능적 안전성 또한 차량에서 매우 중요한 부분이다. 엔드포인트 MCU에서 액츄에이션이 발생할 수 있기 때문에 MCU는 기능적 안전성을 필수적으로 갖춰야 한다.

◆ Cortex-M의 역할

Arm의 Cortex-M CPU는 미래의 차량용 컴퓨팅 플랫폼에서 MCU가 필요로 하는 기능을 제공한다. 엘모스 세미컨덕터(Elmos Semiconductor)와 같은 오토모티브 파트너사는 다음과 같은 이유로 Cortex-M을 차세대 차량 MCU로 선택했다.

공통 아키텍처

최근 전 세계적으로 확산된 공급망 차질은 자동차 산업에 상당한 영향을 미쳤다. 일부에서는 엔드포인트 MCU의 공급 부족으로 차량 출고가 불가능한 상황이 발생했다. 이 때, 표준화된 MCU 컴퓨팅 아키텍처가 도입된다면 대체품을 배포하는 등의 유연성을 통해 공급 격차로 벌어지는 문제를 해소할 수 있다.

자동차 업계 파트너사들과 30년 동안 협력해 온 Arm은 고성능 중앙 컴퓨팅에서 전력 효율적인 엔드포인트 MCU에 이르기까지, 다양하고 확장 가능한 오토모티브 애플리케이션용 컴퓨팅 코어 포트폴리오를 보유하고 있다. 이는 설계자와 개발자들이 오토모티브 애플리케이션 전반에서 사용할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어의 이점을 활용해 엔지니어링 시간과 비용을 절약할 수 있는 공통 아키텍처를 제공한다. 이러한 공통 아키텍처가 미래의 소프트웨어 정의 차량에 도입된다면 소프트웨어 개발과 배포, 무선 업데이트가 가능해질 것이다.

기능 안전성

기능 안전성은 차량 시스템의 안전에 있어 중요한 애플리케이션을 보완하며, 위험 상황을 초래할 수 있는 결함을 감지하고 보고함으로써 사람과 환경에 대한 리스크를 최소화한다. 자율주행과 같은 새로운 기술이 등장함에 따라 기능 안전성은 점점 더 강조되고 있으며, 이미 확립된 안전 필수 요구사항도 지속적으로 지원하고 있다. 이의 필요성은 산업, 항공 우주 및 운송과 같은 오토모티브 업계를 넘어 다른 시장으로 확장되고 있다.

Cortex-M 제품군은 내장 컨트롤러의 모든 작동 지점에 안전을 위한 기능을 제공해 Arm의 파트너사가 안전에 필수적인 시스템을 개발할 수 있도록 한다. Cortex-M85, Cortex-M55, Cortex-M23에는 다양한 안전 기능이 탑재돼 있다.

보안

최근 자율주행 수준이 급부상함에 따라 해킹으로 인해 심각한 안전 문제가 발생하면서 사이버보안에 대한 필요성이 대두되고 있다. 보안 기능은 정보에 대한 무단 액세스를 방지하는 측면에서도 필수적이다. 업스트림(Upstream)의 2022년 글로벌 자동차 사이버보안 보고서에 따르면, 2020년과 2021년에 보고된 보안 사고의 87.7%가 차량 데이터 및 코드에 대한 위협으로 인해 발생했다.

Cortex-M 클래스 CPU는 중앙 및 영역 컴퓨팅 아키텍처에서 보안 시스템 관리 및 부팅 관리 서비스를 수행하기 위해 더 많이 활용되고 있는 추세다. 눈여겨볼 점은 Cortex-M 제품군에 Armv8-M 아키텍처를 통해 트러스트존(TrustZone)이 도입되었다는 것이다. Cortex-M23 및 Cortex-M33은 트러스트존이 제공하는 하드웨어 강제 분리 및 보안을 지원하는 최초의 프로세서로, 소프트웨어CPU·인터커넥트·메모리·주변 장치 등 시스템 전반의 보안을 보장한다.

Arm의 에코시스템

소프트웨어 정의 차량이 자동차 분야에서 지속적으로 핵심적인 역할을 수행함에 따라, 티어 1, OEM 및 개발자들은 소프트웨어 개발에 소모되는 시간과 비용을 최적화하는 방법을 모색하고 있다. 이는 자동차 개발자가 제품 출시 기간 및 개발 위험을 줄이기 위해 다양한 옵션을 제공하는 것이 중요해졌음을 의미한다. 현재까지 2,000억 회 이상 배포된 Arm 아키텍처는 툴, 운영 체제 및 소프트웨어 라이브러리 제공업체가 Arm의 지원 기능을 제품에 추가할 요인을 제공하면서 비용 효율적인 소프트웨어 개발을 지원한다. Cortex-M 프로세서의 경우, Arm 에코시스템 파트너사는 IDE, 컴파일러, 디버그, 추적 툴 및 소프트웨어에 대한 광범위한 지원을 제공한다. Arm은 CMSIS(Common Microcontroller Software Interface Standard)를 기반으로 일관되고 표준화된 소프트웨어 구성 요소를 제공한다.

새로운 소프트웨어 정의 차량의 컴퓨팅 성능은 차량 컴퓨팅 플랫폼에서 단 하나의 컨트롤러도 놓치지 않고 다수의 MCU를 필요로 하는 업계의 광범위한 수요를 맞추고 있다. Cortex-M CPU는 전력 효율적인 컴퓨팅, 확장성, 안전 및 보안 기능을 제공함으로써 MCU가 더 널리 도입되기 위한 동력을 제공하고 있다.