고집적 DSP 이용시 고려해야 하는 핵심사항

나의 시스템 요구 조건은 무엇인가?시스템 설계에서 첫 번째 임무는 전반적인 시스템 요구 조건을 재검토하는 것이다. 이 작업은 모든 다른 결정을 주도할 수 있다. 애플리케이션이 오디오, 비디오 또는 RF와 함께 작동할 수 있도록 고안되었는가? 속도는 어느 정도인가? 어떤 표준을 사용할 것인가? 다른 어떤 기능이 필요한가? 전력이 최소한으로 요구되는 휴대형 기기를 위해 고안된 것인가? 이러한 기본적인 결정은 종종 시스템이 요구하는 주변기기 기능이 어떤 것인지를 알려주는 근간이 된다.예를 들어, 텔레콤 인프라 시장에서 시스템은 휴대형 미디어 또는 무선 핸드셋을 위해 고안된 서로 다른 주변기기의 혼합을 요구한다. 텔레콤은 다른 애플리케이션 영역과 함께 일부 조건을 공유할 수는 있어도, 텔레콤 인프라 설계자들은 채널 고집적 및 채널당 저 비용의 처리량에 대해 주로 생각한다. 채널당 전력은 통신 인프라에서 주요한 요인이며 DSP의 액티브 전력에 의해 영향을 받는다. 배터리 드레인이 주요 관심사인 휴대형 애플리케이션에서, 대기 전력은 매우 중요한 요소이다.필요로 하는 기능을 완벽하게 부합시킬 통합형 주변기기가 기존의 주변기기 믹싱 과정에 존재하는가?필수 기능 및 부차적인 기능의 리스트를 만들어 보고 이들 중 어떤 것이 디바이스에 통합될 수 있는지 살펴보자. 최신형 칩 제품을 면밀히 검토한 엔지니어조차도 항상 새로운 디바이스가 요구하는 집적 수준에 놀라고 있는 상황이며, 이러한 경향은 앞으로도 계속될 것이다.공정 기술이 점점 발전함에 따라, 원 칩에 디지털 아날로그 및 RF 회로까지도 집적될 수 있다. 그러나 디바이스에 디지털 기기를 추가하는 것은 아날로그와 RF 기능을 통합시키는 작업만큼 어렵다. 칩 설계자들이 우연히 디지털 주변기기를 추가하는 것이 아니기 때문에, 다양한 업계 표준을 수용할 수 있도록 모든 서브시스템이 적절한 타이밍을 갖추는 것을 확실하게 할 필요가 있다.애플리케이션 분야에 대한 개요 및 주변기기들이 어떤 방식으로 다르게 혼합되는지 살펴보자. 텔레콤 인프라 시스템에서 핵심적인 요구조건은 풍부한 고속 I/O이다. 이러한 애플리케이션을 작업하는 설계자들은 주변기기 간의 멀티채널 버퍼형 시리얼 포트(McBSOs), UTOPIA(Universal Test and Operations PHY Interface for ATM)용 슬레이브 포트, 호스트-포트 인터페이스, PCI 인터페이스를 포함하고 있는 디바이스를 고려해야 한다. 업계 표준형 인터페이스 회로도를 실현함으로써, 이러한 주변기기들은 여러 개의 외장형 칩 사용을 제거할 수 있다.이러한 디바이스는 비디오 인프라 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 비디오 인프라를 위한 드라이버는 멀티-채널(예: 고집적 채널) 및 멀티-포트(예: MPEG4, H.264, WMV9, 기타 코덱)이다. 칩 수준에서 고집적은 PCI, 비디오 포트, 외장형 메모리 인터페이스와 같은 주변기기들의 통합이며, 전체 메모리 온-칩을 최대 1Mbyte까지 지원할 수 있다. 칩 수준의 고집적을 통해 보드 수준의 고집적도 가능하다.아날로그와 RF가 어떻게 디지털 로직과 통합될 수 있는가를 확인하기 위해서 저가형, 저 전력 소비, 소형 폼팩터가 필수적인 요소인 블루투스 부문, 내장형 자가진단 테스트를 갖춘 다이렉트 RF 샘플링, 메모리, 전력 관리가 통합되었다. 동작을 할 때 저 잡음 증폭기는 수신 신호를 향상시킨다. 그 후 멀티 탭 다이렉트 샘플링 믹서(MTTDSM)는 RF 샘플링을 실행한 후에 중간 주파수로 싱크 필터링 및 다운 컨버팅을 실행한다.이 신호는 시그마-델타 A/D 컨버터를 통해 처리되며, IF 증폭기 속도의 절반 수준에서 작동되기 때문에 전력소비를 낮출 수 있다. 디지털 수신 블록은 데이터 속도를 2차 IF 주파수로 하강시켜, FIR 필터링은 인접해 있는 남아있는 간섭을 제거시킨다. 결국, 제로 IF로 다운 컨버트 된다. 이러한 다양한 모든 기능들이 하나의 칩에서 실현된다.온-보드 주변기기를 사용하면 성능은 포기해야 되는가?한 가지 예로써, 모션 제어용으로 사용되는 DSP는 데이터 컨버터와 같은 아날로그 기능이 통합되어 있다. 이것은 DSP 성능을 제한시킬 수 있다. 한편, 비디오 인프라용으로 사용되는 DSP는 아날로그 통합으로 발생하는 어떠한 성능 저하도 감당할 수 없다. 그렇더라도 비디오 인터페이스와 같은 디지털 주변 기기를 성공적으로 통합시킬 수 있다.물론, 주변기기들이 칩 면적을 차지하고 전력을 소비하기 때문에 그냥 사용할 수는 없다. 그러나 시스템의 결정적 요소로 고려될 수 있다. 예를 들어, TMS320C6416T는 VCP(Viterbi Decoder Coprocessor)와 TCP(Turbo Decoder Coprocessor)가 통합되었다(그림 1 참조). 이 두 가지만으로도 칩 면적의 10%가 할당되며, 전체 전력도 10%에 이른다. 이것은 채널 디코딩 동작에서 엄청난 속도를 요구하는 애플리케이션을 위해 수용될 수 있다. 사실, 이러한 코프로세서를 갖춘 시스템은 4배까지 채널 처리량을 향상시킬 수 있으며, 이것은 크기 및 전력 10% 증가의 가치가 있다.그림 1. TI C64x DSP 코어의 퍼포먼스 부스트주변기기 또는 메모리를 칩에 더 잘 탑재시키거나 그렇지 않을 수 있는가?시스템이 A/D 또는 D/A를 필요로 하면, 엔지니어들은 온-보드 컨버터들이 I/O 라인을 충분히 공급하는지를 결정해야 한다. 그리고 온-보드 컨버터들이 요구되는 샘플링 속도 및 해상도에서 작동할지도 결정해야 한다. 그렇지 않다면, 선택형 DSP를 외장형 데이터 컨버터로 얼마나 쉽게 작동시킬 수 있는가?비디오 인프라 시스템의 경우, 총 시스템 가능성에서 메모리 요구조건은 매우 대용량이다. 어떤 경우, 설계자들이 보드에서 다른 메모리를 보완하기 위해 온-칩에 256Kbytes~1 Mbytes를 갖춘 DSP를 설계하는 것이 합리적이다. 반대로 DSP 칩에 1 또는 2Mbytes 이상의 메모리를 통합시키는 디바이스를 찾는 것도 합리적이다.애플리케이션 요구 조건에 정확히 맞는 주변기기가 없다면, 필수적인 추가 기능을 실행하기 위해 여러분은 온-칩 프로세서를 프로그램 할 수 있는가?통합형 주변기기를 선택하는 것이 매우 광범위하더라도, 엔지니어는 특수 요건에 적합한 기능 블록을 찾을 수 없다. 이것은 제품이 점점 진화하고 있는 표준을 준수할 경우에 발생한다. 이런 경우, 프로그래머블 DSP는 필수적인 유연성을 제공할 수 있다.광대역 통신에서 그 예를 찾아 볼 수 있다. 여기서 DSL(Digital Subscriber Line)은 콘텐츠 전송을 위한 보편화된 방법이다. 그러나 오늘날 수많은 표준이 사용되고 있으며, 향상된 회로도가 계속 개발되고 있다. 적절한 DSP로 설계자들은 자신들의 시스템에 신속하게 적용시켜 이러한 표준에서 동작시킬 수 있게 한다.예를 들어, 단일-칩 DSL CPE(Customer-Premises Equipment) 모뎀은 표준 및 ISDN 전화라인 모두에서 다양한 표준을 지원한다. ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)의 경우, 디바이스는 기존의 G.dmt(discrete multitone modulation)와 G.lite 방식에서 자연스럽게 동작한다. 엔지니어들은 ADSL2 또는 ADSL2+로 알려진 G.dmt.bis와 같은 더욱 새로워진 변조방식을 조절하기 위해 이것을 프로그램 할 수 있다. 이를 통해 변조 효율성이 향상되어 다운스트림 데이터 속도가 증가하고 S/N 비율이 약한 장거리 라인에서도 향상된 성능을 제공한다. 이 디바이스는 익스텐디드 리치 ADSL(Extended Reach ADSL)에서도 작동한다.DSP/RISC의 이종 결합과 같은 멀티플 코어에서 애플리케이션이 해택을 볼 수 있는가?사용자 인터페이스에서 인터럽트를 고려해 보자. RISC 코어가 오디오 플레이어에서 멀티플 작업을 수행할 경우, 사용자가 소리 크기를 줄이는 것과 같은 단순한 작업은 볼륨-제어 인터럽트를 관리하는 오디오 프로세싱을 잠시 멈추는 코어를 필요로 할 것이다. 이 인터럽트 관리는 부드럽게 반응하지 않는 사용자 인터페이스에서 최상의 결과를 가져다 줄 수 있으며 오디오 신호에서는 짧은 시간 간격으로 최악의 결과를 초래할 수 있다.DSL 모뎀 칩을 생각해 보고, 이것이 2개의 CPU 코어로 구성되어 있음을 명심하자. 2개의 코어 중 하나는 TMS320C62xTM를 기반으로 하고 있으며, 나머지 하나는 MIPS32 4KEc를 기반으로 하고 있다. 이 2개의 코어는 DSL PHY(Physical layer), 아날로그 프론트-엔드 서브시스템, 라인 드라이버/수신기, 전력 관리, 홈 게이트웨이 애플리케이션용 엔드-투-엔드 브리지/라우터를 위한 광대역 컨트롤러를 함께 구현시킨다. 게다가 200MHz에서 작동하는 C62xTM 외에, DSP 서브시스템은 더 높은 데이터 속도를 구현하는 다이내믹 어댑티브 이퀄라이제이션을 위해 하드웨어 가속기를 갖추고 있다. 이 구성은 반향음 제거, 디지털 필터링, 트렐리스(Trellis) 코딩, 리드 솔로몬(Reed Solomon) 순방향 오류 수정, 데시메이션(Decimation) 및 인터폴레이션(Interpoliation)을 포함해 전송 및 수신 경로에서 필요한 모든 동작을 실현시킨다. 네트워크 서브시스템은 MIPS 코어, 캐시 메모리 및 USB 컨트롤러, 10/100-베이스 이더넷 MAC/PHY, ATM(Asynchronous Transfer Mode) 서브시스템과 같은 네트워킹 주변기기를 기반으로 하고 있다.최근 방법으로 서로 다른 코어를 어떻게 할당했는가?일반적으로, DSP는 반복적이고 계산 집중적 작업에 매우 적합한 반면, 마이크로컨트롤러는 제어 중심형 애플리케이션과 인터럽트 관리를 위해 적합하다. PMP를 다시 고려해 보고 RISE 코어에서 오디오 알고리즘을 구현하고 시도하는 것이 최적이 아님을 명심하자. 그 이유는 수많은 사이클이 DSP 코어에서 보다는 RISC 코어에서 멀티미디어 알고리즘을 실행하기 때문에 평균보다 3배 정도의 시간이 걸리기 때문이다.코어 및 온-칩 주변기기 간에 데이터를 옮기는 쉬운 방법은 무엇인가?시스템이 더욱 주변기기를 통합할수록, 데이터 전송의 병목현상 문제는 심화된다. 칩에서 데이터 충분히 빠르게 옮기는 것이 가능한가? 칩은 어떻게 내부적으로 데이터를 옮길 수 있으며 각각의 요소들은 효율적으로 사용될 수 있을까? 다시 DSL 모뎀을 살펴보기로 하자. 칩의 EMIF 외장형 메모리 인터페이스를 통해 모든 코어는 완벽한 메모리 어드레스 범위로 접속할 수 있다. 또한 2개의 고속 통합형 시리얼 인터페이스는 802.11b/g 무선 LAN 디바이스와 상호운영성을 가능하게 할 뿐만 아니라 외장형 확장 디바이스를 위해 접속을 제공한다.네트워킹 서브시스템 및 메모리를 포함한 디바이스에서 병목 현상 없이 모든 주변기기를 연결시키는 것은 까다로운 문제이다. 디바이스 설계자들은 주변 버스 및 내부 시스템 버스로 작동하는 온-칩 크로스바 스위치 인터커넥트 패브릭을 연결시킴으로써, 이 문제를 해결할 수 있다. 따라서 멀티플 데이터 전송은 서로 다른 DMA 마스터-슬레이브 결합 사이에서 동시에 발생할 수 있다. 스위치 된 중앙 리소스가 보여주는 경우는 전통적인 버스에 비해 15K나 더 많은 게이트를 요구한다. 소형 투자가 성능 면에서 엄청난 향상을 가져다준다.시스템 전력 임플리케이션(implications)은 무엇인가? 칩이 수십 개의 전압을 필요로 하며, 단일 전원 전압에서 전압을 생성할 때 어떻게 잘 동작하는가?오늘날의 수많은 고집적 DSP는 수많은 코어 전압을 흘려보낸다. 예를 들어, 서로 다른 전압이 시스템 전력을 감소시키기 위해 코어 및 I/O 용도로 사용될 수 있다.DSL 모뎀 칩을 다시 고려해 보자. DSP 모뎀 칩은 온-칩 전력인 3.3V 멀티플 전압을 끌어낸다. 고집적 MOSFET를 갖춘 벅 컨버터는 디지털 코어를 위해 1.5V/1A를 생산하며 외장형 FET를 갖춘 부스트 제너레이터는 라인 드라이버를 위해 12V를 만든다. 칩은 파워-온 리셋 및 전력 손실 감지용 회로도 통합하고 있다.전력은 냉각과도 관련이 있다. 고성능 DSP가 상당한 전력을 사용하는 텔레콤 인프라용 시스템을 작동시키는 설계자들은 보드 상의 에어 플로와 같은 온도 문제에 매우 주의를 기울여야 한다. 즉 팬을 사용할 것인지 그렇다면 어떤 타입을 사용할 것인지 결정해야 하며 디바이스를 히트싱크하는 방법도 고려해야 한다. 적당한 온도 설계를 추가시킴으로써 설계자들은 시스템에서 더욱 효율적인 성능을 얻을 수 있다. DSP 벤더들은 90nm 공정 기술과 같은 최신 제조력에 영향을 미침으로써 이러한 문제 해결에 도움을 줄 수 있다.칩 공급업체들이 미래에 실현될 고집적 관련 제품 로드맵을 가지고 있는가?공정 기술은 계속 진화하고 있으며 엔지니어들은 공급업체들에게 오늘날의 설계가 소형 구조를 사용하는 디바이스에 쉽게 적용시킬 수 있는가에 대해 요구해야 한다. 소형 구조는 속도, 크기, 비용 면에서 엄청난 장점을 실현시켜 준다. 벤더들은 공급의 지속성을 확실하게 할 수 있도록 웨이퍼 팹 투자에 심열을 기울여야 한다.오디오, 비디오, 이미징, RF, 텔레콤 인프라용의 설계이거나 또는 산업용 애플리케이션을 위한 설계이든지 간에, 업계 동향을 항상 주시해야 한다. 새로운 SoC가 빠른 속도로 팹 라인에 영향을 미치기 때문이다. 물론, 여러분이 개발 시간 및 비용을 절감시킬 수 있는 가능성도 존재할 수 있다.참고문헌1, Muhammad. K. et al, “A Discrete-Time Bluetooth Receiver in a 0.13 uM Digital CMOS Process.” ISSCC 2004, Paper 15.1 pgs 268-9.2. Saha, A. et al, “A DSL Customer-Premise Equipment Modem SoC with Extended Reach/Rate for Brodaband Bridging and Routing and Routing.” ISSCC 2004, Paper 18.7, pgs338-9.저자 소개토마스 브룩스는 TI의 TMS320C62xTM DSL 제품 매니저로 논문 발표와 함께 커뮤니케이션 디자인 컨퍼런스(Communications Design Conference), 와튼 비즈니스 스쿨의 휘트니 M.영 메모리얼 컨퍼런스(Wharton Business School's Whitney M. Young Memorial Conference), 와이어리스 심포지엄 및 DSP와 같은 컨퍼런스 및 전시회에서 진행되는 패널 토론에 참가하고 있다. 1998년 2월 브룩스는 ‘커리어 커뮤니케이션(Carrier Communications)’이 수여하는 “올해의 엔지니어-기술 판매 및 마케팅 부문 우수상”을 받은 바 있다. 그는 1988년 피츠버그 대학교에서 전자공학 전공으로 B.S. 학위를 수여받았으며, 1992년 메릴랜드 대학교에서 MBA를 받았다.

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