COM 익스프레스 컴팩트에서 한계에 도전하는 15W 팬리스 고성능 시스템

IoT, 임베디드 시스템 개발자는 최신 고성능 프로세서가 제공하는 기술을 온전히 사용하기가 어렵다.

팬리스(fanless) 시스템 설계와 관련해서는 15와트 TDP가 한계인 경우가 많다. 인텔의 6세대 코어 프로세서는 이러한 성능 수준에서 무엇을 제공해야 하고 방열 설계와 관련한 도전을 어떻게 극복해야 할까?

산업용으로 설계된 고성능 IoT 및 임베디드 시스템은 새로운 프로세서가 제공하는 기술 중 일부만을 통합할 수 있다.

사실 이들 시스템 설계에서 팬을 없앤다면 열악한 환경에서 사용하기에 안성맞춤이다. 이러한 산업용 시스템은 충격과 진동을 견뎌야 하는 거친 환경에서도 높은 신뢰성을 제공하며 수년간 중단 없이 작동한 후에도 별도의 유지관리가 필요하지 않다.

공기 필터와 팬을 정기적으로 교체할 필요가 없기 때문에 애플리케이션 다운타임 발생을 줄일 수 있을 뿐 아니라 운용비용도 낮출 수 있어 유리하다.

팬리스 설계는 밀폐형이라는 점 역시 장점이다. 밀폐형 설계는 시스템을 먼지와 습도로부터 매우 효과적으로 보호할 수 있는데, 사실 이러한 특성은 모든 산업용 애플리케이션에서 필수 요구사항이다.

팬이 없기 때문에 소음이 없다는 점도 빼놓을 수 없는 장점이다. 이는 예컨대 중환자실에 사용되는 의료용 기기나 전문 녹음실, 또는 실험실 및 계측실용 장비들처럼 사람이 아주 가까이에서 사용하는 기기에 있어서 매우 이상적인 특성이다.

팬리스 설계를 선호하는 이유는 여러 가지가 있다. 팬리스 시스템은 10와트 이하의 전력을 소비하는 프로세서로 구현하기가 상대적으로 쉽다. 현재 팬리스 설계가 가능한 한계선은 약 15와트 TDP(Thermal Design Power) 정도다.

많은 임베디드 및 IoT 개발자들이 자신들의 팬리스 고성능 애플리케이션에서 최상의 결과를 도출하고 새로운 경쟁력을 확보하기 위해 이 한계선 내에서 작업한다.

▲단일 시스템으로 제어와 HMI를 지원하는 가상화 IPC ▲자동화 및 안전성 기술 분야의 이미지 및 영상 처리 시스템 ▲다중 디스플레이 및 필드 연결을 지원하는 산업용 제어실 ▲전문 음향 및 영상 장비 ▲고성능 디지털 사이니지와 디지털 옥외광고(Digital Out of Home, DOOH) ▲의료용 영상 기술(CT, MRI, X-레이 등)과 내시경 워크스테이션 ▲DSP 기술에서 범용 GPU로 전환한 계측 시스템 ▲차량 자동 제어 및 컴퓨터 보조 상황 분석 ▲전문가용 다중 디스플레이 게임기 ▲고주파 4K 해상도를 요구하는 그래픽 시스템 ▲비용이나 가용성의 이유로 전환이 필요한 팬을 탑재한 애플리케이션 등을 대표적인 예로 들 수 있다.

이들 중 상당수와 그밖에 다른 시스템들은 IoT 구현과 독일의 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 연결성을 요구한다. 둘 다 추가적인 데이터 처리와 통신 기능(암호화 및 안티바이러스 포함)이 필요하다.

이는 상당한 수준의 연산능력을 필요로 할 수 있다. 따라서 팬리스 시스템 구현의 경계선에 서 있는 애플리케이션의 경우 허용 가능한 발열 범위 내에서라면 어떠한 성능 향상이든 환영 받기 마련이다.

최신 프로세서 플랫폼은 6세대 인텔(Intel) 코어(i7·i5·i3) 제품이다. 이들은 수 와트에서 최대 91와트까지 매우 광범위하다. 그 중 15와트급 SoC가 무엇을 제공할 수 있는지 살펴보자.

이 정도 급의 제품들만이 완벽한 산업용 등급의 팬리스 고성능 시스템 개발을 지원하기 때문이다.

콩가텍의 COM 익스프레스 컴퓨터 모듈 ‘콩가(conga)-TC170’: 팬리스 작동을 위한 6세대 인텔 코어 i7·i5·i3 프로세서의 ULV SoC에 적합하게 설계됐으며 TDP는 7.5-15와트 사이에서 변경이 가능하다. 

새로운 세대의 코어
현재로서는 이들 특정 성능 등급에 대해 활용할 만한 벤치마크 결과가 없다. 하지만 이 프로세서 세대의 SoC 영역에서 이루어진 발전과 액티브 팬이 요구되는 데스크톱용 변종 제품에서 이뤄진 발전을 비교해 볼 수는 있다.

5년 전 플랫폼과 비교하면 새로운 코어 프로세서들은 연산능력이 최대 2.5배, 3D 그래픽 성능은 30배, 그리고 배터리 시간은 3배 더 늘어났다고 인텔은 주장한다. 5세대 제품(코드명 브로드웰)과 비교해도 그래픽 및 연산능력은 약 10%, 에너지 효율은 11% 증가한 것으로 추정된다.

이러한 성능 향상의 이유는 전보다 줄어든 14㎚ 제조공정과 완전히 달라진 스카이레이크(Skylake) 마이크로아키텍처에서 찾을 수 있다. 이는 링(Ring) 버스 아키텍처를 통해 CPU 코어와 그래픽 유닛, 그리고 이전에 L3 캐시라고 부르던 LLC(Last Level Cache)를 연결하는 최적화 패브릭을 포함한다.

15와트 설계와 관련 있는 ULV(Ultra Low Voltage) SoC 버전 역시 디스플레이와 스토리지, I/O 컨트롤러를 통합하는 시스템 에이전트를 갖고 있다.

인텔의 새로운 스피드 시프트 기술(Speed Shift Technology)은 파워 스테이트 간에 보다 빠른 스위칭을 통해 인텔의 5세대 코어 프로세서 대비 20~45%의 성능 향상을 가져왔다. 또한 전력 소비도 줄어들었다.

에너지 효율을 더욱 높이기 위해 인텔은 SoC의 공급 전압을 낮췄고 개별 기능 블록의 전력 게이팅도 개선했다. 이로써 발열은 줄어들고 기능 블록은 개별 성능 요건에 맞춰 보다 효율적으로 응답할 수 있게 됐다.

또한 터보 부스트 활용 범위도 넓어져 애플리케이션이 피크 부하를 더욱 효과적으로 처리할 수 있다.

인텔 9세대 그래픽
그래픽 유닛은 윈도10에 최적화됐는데 인텔 그래픽 500처럼 새로운 9세대 15와트 SoC에 통합되어 있고 성능은 그보다 더 탁월하다. 디스플레이포트 1.2를 이용해 60㎐ 리프레시율로 최대 3개의 독립적인 4K 디스플레이를 지원한다.

HDMI 1.4도 지원하며, 다이렉트X 12를 통해 윈도10에서 보다 빠른 3D 그래픽 성능을 제공한다. 추가 비디오 엔진도 통합하고 있어 최소한의 CPU 부하와 적은 소비전력으로 HEVC, VP8, VP9, VDENC 비디오의 인코딩 및 디코딩이 가능하다.

HD 비디오의 상향 및 하향 같은 효율적인 양방향 스트리밍도 처음으로 가능해졌다. 24개의 실행 유닛과 오픈(Open)CL 2.0을 지원함으로써 ULV 프로세서의 GT2 520 그래픽은 CPU를 연산 집약적인 병렬 태스크로부터 해방시켜준다.

더욱 빨라진 RAM
DDR4 RAM을 지원한다는 점도 중요한 특징 중 하나다. 이는 많은 개선 효과를 가져다준다. 우선 대역폭이 훨씬 더 높아지고 동작 속도도 빨라졌다. 둘째 1.2V에서 에너지 효율성이 현재의 1.35V DDR3 RAM보다 높다.

여기에 두 배로 높아진 메모리 밀도 덕분에 2개의 RAM 슬롯을 가지고 32GB의 동작 메모리를 달성할 수 있게 됐다. 이는 많은 고성능 임베디드 시스템에 있어서 엄청난 이점을 제공한다. 많은 시스템 설계자들이 최대한 빨리 새로운 세대의 제품으로 업그레이드 하게 만드는 가장 큰 이유가 어쩌면 이 때문일 수도 있다.

인텔의 6세대 코어 프로세서는 더 많은 고속 I/O를 제공하기 때문에 I/O와 관련한 수많은 고성능 IoT 및 임베디드 시스템의 요구를 충족할 수 있다. PCI 익스프레스 3.0을 지원하는 SoC 버전은 거의 2배의 속도를 제공한다.

새로운 세대의 프로세서는 또 직전 세대 제품보다 2배 더 많은 USB 3.0 인터페이스(현재는 4개)를 제공한다. 처음으로 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor, ISP)를 통합한 CSI MIPI-2 카메라 인터페이스를 활용할 수 있게 됨에 따라 센서가 제공한 이미지를 CPU의 개입 없이 실시간으로 그리고 대단히 에너지 효율적으로 처리할 수 있게 됐다.

인텔의 6세대 코어 플랫폼 중에서 가장 먼저 발표된 3개의 15와트 임베디드 SoC는 하이퍼 쓰레딩을 지원하는 듀얼 코어 프로세서 인텔 코어 i7-6600U, 인텔 코어 i5-6300U, 인텔 코어 i3-6100U다.

COM 익스프레스 컴팩트(COM Express Compact)
15와트 TDP IoT 및 임베디드 디자인은 SFF(small form factor)에 이상적이다. 대부분 많은 SFF 설계에서 그렇듯이 맞춤형 인터페이스 세트가 요구되면 COM(Computer-on-Modules)이 가장 좋은 선택 안이 될 수 있다.

PICMG COM 익스프레스 스펙은 특히 하이엔드급을 위해 고안됐다. 공간이 제한적인 설계에서는 COM 익스프레스 컴팩트의 폼팩터가 가장 흔히 쓰인다. 이 제품은 크기가 95×95㎜ 밖에 되지 않고 많은 고속 인터페이스를 위한 440개 핀으로된 2열(double row) SMD 커넥터 2개가 포함돼 있다.

뿐만 아니라 COM익스프레스는 표준 PC의 고성능 인터페이스에 최적화돼 있으며 특정 애플리케이션용 캐리어 보드와의 안정적인 연결 덕분에 견고성이 매우 뛰어난 것이 특징이다.

많은 경우에 있어서 팬리스 고성능 설계는 COM 익스프레스 컴팩트에 의존할 수밖에 없는데 특히 미니(Mini)-ITX 마더보드의 표준 특징들이 설계 요건들을 만족시키지 못하거나 애플리케이션에서 공간이 제한적일 경우 더욱 그렇다.

시스템 설계와 프로세서가 서로 잘 맞는가?
임베디드 설계 엔지니어들은 개별 시스템 설계에 있어 ▲시스템 설계가 선택한 프로세서와 잘 맞는가? ▲시스템을 장기적으로 오버히팅 없이 운용할 수 있는가? ▲또는 피크 부하와 관련해 애플리케이션 때문에 시스템이 다운 될 수 있는 가능성이 있는가? 등의 여러 가지 까다로운 점들을 항상 확인해야 한다.

프로세서가 과열되지 않도록 설계하는 것은 매우 중요하다. 그로 인해 서비스 수명이 단축되거나 극단적인 경우에 조기 고장으로 이어질 수 있기 때문이다. 다행히도 지금은 개발자들이 한 가지가 아닌 두 가지 요소를 가지고 하드웨어 설계, 프로세서 및 애플리케이션 요건들간에 균형을 맞추고 15와트의 TDP를 이용해 한계를 극복할 수 있는 애플리케이션을 개발할 수 있다. 

그 중 첫 번째는 CTDP(configurable TDP of the processor)이며 두 번째는 컴퓨터 모듈과 프로세서에 잘 맞는 팬리스 쿨링 솔루션을 이용하는 것이다. 이들 2가지 요소를 이용하면 주어진 하드웨어 설계 및 애플리케이션의 요건을 충족시키기 위해 단계별로 설계 최적화가 가능하다.

새로운 15와트 SoC 프로세서는 7.5~15와트 범위에서 구성이 가능하다. 애플리케이션이 특정 시나리오상에서 시스템을 과열시키기 쉽다면 어느 특정 부분에서 최대 열 출력을 제한하는 것으로 핫스팟(hot spot)을 최소화할 수 있다.

이렇게 하면 시스템은 항상 허용된 열 범위 내에서만 머무를 수 있다. 다른 옵션으로는 히트싱크 변이형을 선택할 수도 있는데 주어진 냉각 조건에 맞춰 가장 이상적인 풋프린트의 제품을 사용자가 선택하면 된다. 

PICMG COM 익스프레스 컴팩트 설계자들이 히트스프레더의 높이를 제한할 수 있기 때문에 다른 옵션을 제공하는 동일한 풋프린트를 가지고 히트싱크 솔루션을 개발하는 것이 가능하다.

이는 날개가 달린 단순한 임베디드 히트싱크에서부터 하우징 연결을 가진 히트싱크, 또는 히트 파이프와 히트스프레더 기술을 결합한 고성능 쿨러까지 매우 다양하다.

최대 15와트를 이용해야 하는 완전히 밀폐된 설계의 경우 시스템 내부 순환이 권장된다. 다른 옵션으로는 히트싱크를 외부 케이스에 연결시키는 방법이 있다.  

다양한 히트싱크 변이형을 제공하는 컨피겨러블(configurable) TDP와 스타터 키트를 한꺼번에 같이 이용하면 시스템 개발자들은 시스템 설계 및 하우징 단계에서 시행착오를 겪는 것 보다 더 빨리 작업을 성공적으로 끝낼 수 있다.

새로운 세대의 인텔 코어 프로세서를 통해 앞으로 방열 설계는 더욱 쉬워질 것으로 예상된다. 하지만 OEM 개발자들은 모듈 제공회사의 전문가와 직접 상담을 통해 해결해야 하는 까다로운 과제들과 계속 마주치게 될 것이다.

제조업자가 개별 지원을 보장하는 투명한 제작 과정을 구축해서 시작부터 끝까지 다 검토해 주거나 문제점들에 대해 되풀이해서 설명할 필요가 없다면 정말 장점이 될 것이다.