SoC에 녹아든 FPGA, 'eFPGA'가 떠오른다

[테크월드뉴스=박예송 기자] 프로그래밍을 통해 기능을 다변화할 수 있는 FPGA는 현재 업계에서 활발히 쓰이는 반도체다. 특히 AI분야에서 활발히 쓰이고 있어 인텔이 알테라를 인수하며 FPGA 포트폴리오를 확대하겠다고 발표하기도 했다. 그러나 FPGA의 진화는 계속되고 있다. 업계는 최근 SoC의 성능과 FPGA의 유연성을 최대로 활용한 임베디드FPGA(eFPGA)에 주목하고 있다.

▶성능은 SoC, 유연성은 FPGA

FPGA(field programmable gate array)는 프로그래밍이 가능한 집적 회로 반도체다. 일반적으로 반도체 프로세서는 목적에 맞게 기능을 설계해 양산하는 형태다. 반면 FPGA는 칩셋 내부에 있는 로직 게이트를 자유자재로 구현할 수 있고 내부 결선을 직접 변경할 수 있기 때문에 사용자의 용도에 맞게 설계가 가능하다.

하나의 칩 내에서 CPU, GPU, NPU, Ram 등 다양한 역할을 구현하는 SoC는 반도체 설계부터 제작, 공급까지 많은 시간과 비용이 들어간다. 개발 기간이 2~3년, 파운드리에서 제작하는 데 3~4개월가량 소요된다. 개발 비용도 경우에 따라 몇 백억부터 몇 천억 단위까지 넘나든다.

FPGA도 여러 설계를 담을 수 있도록 만든 반도체다. SoC와 다른 점은 소프트웨어 프로그램을 통해 기능을 바꾼다는 것이다. 따라서 개발 시간이 단축돼 1일 이내로 재설계할 수도 있다. FPGA는 연산을 병렬로 처리하기 때문에 AI 및 머신러닝에 적합하다. 가격 또한 SoC 반도체에 비해 저렴하다.

다만 성능은 SoC 보다 떨어진다. 속도의 경우 2~3배 느린 정도가 아니라 1000분의 1 수준이다. 때문에 FPGA는 수십 년간 프로토타이핑 과정에서 많이 사용됐다. 즉 SoC 칩을 위한 검증 용도로 쓰였다. 고가의 SoC 칩을 시스템에 적용했을 때 문제가 생기면 비용면에서 큰 손해가 발생한다. 때문에 용도에 맞게 설계한 FPGA를 먼저 적용해 설계가 제대로 됐는지 검증하는 시제품으로 쓰였다.

▶차세대 반도체로 지목된 eFPGA

이런 FPGA의 활용을 넓힌 eFPGA가 등장했다. eFPGA는 FPGA를 SoC에 통합한 방식이다. SoC에 광범위한 기능을 수행할 수 있는 FPGA가 일부분 같이 존재하기 때문에 필요에 따라 다시 프로그래밍 할 수 있다. 업계에서는 앞으로 eFPGA가 크게 성장할 것으로 내다봤다.

eFPGA는 기존 FPGA의 쓰임과 달리 시제품의 용도가 아니다. SoC의 성능을 더 높이도록 기능한다. 예를 들어 SoC에 뉴럴 네트워크 가속기 등 특정 기능을 설계하려면 특정 뉴럴 네트워크 설계에 맞도록 프로그래밍해 일반 SoC일 때보다 더 높은 성능을 보일 수 있다. 따라서 시간이 지나면서 변화하는 프로토콜, 알고리즘 및 고객 요구에 대응하기 위해 SoC를 업데이트 할 수 있다. 이로 인해 칩과 시스템의 수명이 연장된다.

빠른 설계 속도는 많은 기업이 eFPGA를 채택할 가능성을 높인다. 기존 FPGA는 재구성하는데 몇 초 이상 걸리는 반면 ePFGA는 밀리초 또는 마이크로초 단위로 재구성할 수 있다. 일부 업체는 6개월 만에 eFPGA를 구현하기도 하면서 빠른 설계가 가능하다는 것을 입증했다. 이미 미국 국방부, 미 공군 연구소, 보잉, 샌디아 국립 연구소 등 많은 기관에서 eFPGA를 사용하고 있다.

eFPGA IP를 SoC에 통합함으로써 FPGA의 병렬 프로그래밍 기능을 계속 활용하는 동시에 전력 소비를 낮출 수 있다. 크기도 줄어 생산과 제품 출시 기간을 단축하고 비용도 절감할 수 있다. 사이즈가 작아진 대신 담을 수 있는 트랜지스터, 게이트 수 등이 적다. 일반 FPGA보다 100분의 1에서 1000분의 1 정도다.

ETRI 지능형반도체연구본부 권영수 박사는 “eFPGA를 개발하는 기업들이 게이트 수를 높이고 트랜지스터를 많이 담을 수 있는 eFPGA 칩을 만들기 위해 연구하고 있다”고 설명했다.