8비트 마이크로컨트롤러의 수요를 이끄는 원동력

MICROCONTROLLER

다기능의 욕구를 가진 소비자한 조사에 따르면, 일반적인 소비자가 매일 정오 전까지 동작시키는 임베디드 MCU의 수가 100개에 이른다고 한다. 또한 최근 실시한 설문조사 결과에서도 대부분의 소비자는 휴대전화를 ‘잃어버리더라도 금전적으로 큰 타격을 받지 않는 장치’로 인식하고 있는 것으로 나타났다.모바일 컴퓨팅 및 통신 기술이 발달하면서 세상은 점점 작아지고 응답시간은 짧아졌으며 아무리 기술에 대해 무지한 사람이라도 매일 사용하는 제품을 통해 컴퓨터와 소프트웨어의 존재를 인식하고 있을 정도다. 뿐만 아니라 소비자들은 게임, 디지털 사진 및 실시간 비디오를 위해 갈수록 높은 컴퓨팅 성능을 요구하고 있으며 MIPS, 메가바이트 및 메가헤르츠 같은 용어를 이해하는 수준에 이르고 있다.이처럼 기술에 대한 인식 수준이 높아지면서 일반적인 소비자가 이제는 보다 복잡하고 다기능의 욕구를 가진 전문적인 기술 구매자로 떠오르고 있다. 기술 전문가들만의 영역이었던 기술의 세계가 이제는 일반 소비자들에게 개방된 것이다. 하지만 이러한 변화에도 불구하고 분산지능(distributed intelligence) 기술 부문의 혁신은 이처럼 ‘기술변화에 민감한 소비자들’에게조차 여전히 닫혀 있는 게 현실이다.초고속 정보 통신망(Information Su-perhighway) 사업자들은 매년 3억 대에 육박하는 장치와 5억 대에 달하는 휴대전화를 선적하고 있다. 이들 두 시장은 모두 대규모이긴 하지만, 연간 50억개 이상을 출하하여 우리의 일상품에 지능형 기능을 제공하는 마이크로컨트롤러(MCU) 시장에 비하면 왠지 위축되는 느낌이다. 특히, 이 시장에서 가장 큰 부분을 차지하는 8비트 MCU의 선적량은 30억 개가 넘는다고 한다. 분산지능기술 시장을 이해하려면 전체적인 수요와 일부 새로운 애플리케이션을 이끄는 영향력이 무엇인지에 대한 이해가 선행되어야 한다.변화하는 MCU 수요임베디드 정보 시스템은 우리의 일상 환경 곳곳에 깔려 있지만 사용자가 이를 직접 확인할 수는 없다. 일반적인 소비자가 정오까지 동작시키는 100여개의 임베디드 MCU는 토스터, 헤어드라이어, 무선전화기, 보안 시스템, 전자레인지, 세탁기 및 자동차 등에 들어 있다. 이러한 모든 제품에는 제품의 안정성 향상, 에너지 효율 개선, 안전도 또는 보안수준 확보, 변화에 대한 적응 또는 사용자 인터페이스 단순화 등을 목적으로 로컬 임베디드 지능 시스템이 동작하고 있다.8비트 MCU가 발전하는 데는 반도체 공정 기술의 향상이 크게 기여했다. 초창기 MCU는 한 개의 칩이 하나의 완전한 컴퓨터로 여겨질 정도였으며 가격은 개당 수백 달러였다. 메모리 아키텍처와 I/O 구성은 컴퓨터의 그것과 유사했으며 어셈블리 언어로 프로그래밍되었고 40핀 이상의 패키지를 갖추고 있었다. 개발 툴로는 1만 달러가 넘는 대형 캐비닛 타입의 시스템이 사용되었다. 이 기술은 높은 비용으로 인해 접근할 수 있는 고객층과 애플리케이션 분야가 소수에 불과했을 뿐 아니라 다층 PCB로 제작된 고급 장비로만 사용이 제한되었다.하지만, 오늘날에는 서브미크론 공정 기술로 인해 8비트 MCU가 6개에서 100 개가 넘는 핀 수와 256Kb 이상의 프로그램 메모리를 갖추게 된 것은 물론, 자동차 및 산업용 제어 시장을 위한 CAN(Con- troller Area Network) 모듈이나 PC 연결을 위한 USB(Universal Serial Bus) 모듈 같은 매우 정교한 주변장치를 통합할 수 있게 되었다. 개발 툴의 가격도 낮아져 전력 시스템은 200달러 미만이고 상위 언어 컴파일러도 99달러부터 시작한다.8비트 MCU 성장의 원동력저가격, 고집적화된 8비트 MCU SoC (Systems-On-a-Chip)는 많은 애플리케이션에 사용되는 임베디드 지능화 시스템을 구현하기 위한 기초가 된다. 현재 8비트 MCU의 성장을 이끄는 추세는 크게 세 가지로 요약되는데, 첫 번째는 8비트 MCU를 사용하는 애플리케이션 수의 증가를 꼽을 수 있다. 두 번째는 장치 당 MCU 수의 증가이다. 세 번째는 모바일 제품 수의 증가를 들 수 있다.8비트 MCU를 사용하는 애플리케이션 수가 증가하는 원인은 제품의 기능개선과 제조의 고효율, 새로운 규제 등을 준수해야 할 필요성이 지속적으로 제기됨에 따른 것으로 풀이된다. 예컨대, 보안 시스템은 이벤트 로깅 없이 고정 액세스 코드를 기반으로 사용되는 것이 보통이었다. 하지만 이제는 8비트 MCU를 사용하여 시스템의 전력 공급이 중단된 상황에서도 롤링 코드와 로그 이벤트를 지속적으로 사용하여 코드 캡처 기법을 막아낼 수 있다. 또한 8비트 MCU에 내장된 플래시 프로그램 메모리를 통해 설치 도중 현장에서의 구성이 가능해져 시스템에 같은 종류의 센서를 여러 개 사용할 수 있으므로 까다로운 스위치 설정 과정을 거칠 필요 없이 소프트웨어의 제어환경에 손쉽게 적응할 수 있다.스테레오 시스템의 멀티 프레스(Multi -press) 스위치는 LCD 디스플레이를 갖춘 완벽한 키패드로 변모해 가며 메뉴 구동 방식의 시스템을 통해 사용자의 피드백 수준을 높이고 있다. 가전 기기는 전기 기계식 스위치 대신 전자 스위치로 업데이트하여 비용을 줄이는 동시에 안정성과 수명을 개선하고 있다.임베디드 지능 시스템은 모터 제어 애플리케이션이 국제 에너지 절약 규제를 충족하는 데도 도움을 주고 있다. 속도가 일정한 단순한 기계식 드라이브는 대부분의 모터 유형에 가변 속도 제어 기능을 제공하는 저가형 MCU로 대체되고 있다. 모터 속도를 변경하면 전력소모를 크게 낮출 수 있는데, 가령 일반적인 모터 제어 애플리케이션에서 속도를 20% 줄이면 전력은 50%까지 절감할 수 있다. 또한 시스템의 오디오 잡음을 줄이기 위해 전자 제어 기능에 소프트웨어 기법을 사용할 수 있다. 사용되는 MCU는 단순한 개방형 루프 제어를 위한 낮은 메모리 용량의 8핀 디바이스에서부터 복잡한 제어 및 통신을 위한 프로그램 메모리 128Kb 및 80핀 이상의 버전까지 다양하다.에너지 소비에 대한 규제가 더욱 엄격해지면 제품의 전원을 꺼 둔 상태에서도 전력소비를 최소화하는 요건이 일반화됨에 따라 기존의 변압기 기반 전원공급장치는 무용지물이 될 수 있다. 현재 유휴 상태일 때 AC 전력선과 자동으로 격리되어 대기전력 소모량을 낮추는 지능형 전원공급장치에 MCU의 사용 추세가 증가하고 있다. 안전이 관건인 시스템에는 성능과 피드백을 모니터링하여 비정상적인 작동을 탐지하는 센서가 추가되며, MCU는 이러한 센서의 데이터를 읽고 이에 반응하는 데 사용된다.8비트 MCU의 성장을 이끄는 두 번째 추세는 최종 제품별로 사용되는 MCU의 수가 증가한 것이다. 예를 들어, 자동차 시장의 경우 해마다 반드시 더 많은 자동차를 만들어내는 것은 아니지만, 현재 일반적인 자동차에 들어가는 MCU 수는 몇 년 전만해도 10개에 불과했지만 이제는 30~40개 수준이라고 한다. 또한 탑승자에게 편안함, 안전, 편의, 엔터테인먼트 및 향상된 연료효율을 제공하도록 전자장치가 사용된다. 뿐만 아니라 분산형 제어로 인해 주변장치를 연결해야 할 필요성이 대두되면서 임베디드 정보 시스템의 성장에 영향을 미치고 있다.분산형 시스템에는 대개 MCU와 함께 대용량 메모리(256KB까지)와 다양한 핀 수가 사용된다. 시스템에 독립 소프트웨어 플랫폼을 기반으로 한 원격제어 및 진단기능에 대한 연결 수가 증가함에 따라 MCU에 CAN, RS-485 및 이더넷 같은 통합형 독립 통신 포트가 장착되고 있다. 한때 완전 기계식이었던 차고문 개폐기 같은 시스템도 이제는 7개 이상의 MCU가 탑재되어 신호의 보안을 유지하고 안정성을 높이고 있다. 이러한 일련의 사례를 통해 최종 제품에 임베디드 지능 시스템을 제공하기 위해 여러 개의 MCU를 사용하면서 MCU의 성장이 오히려 통합되는 제품의 성장을 앞지르는 것을 확인할 수 있다.8비트 MCU 수요에 영향을 주는 세 번째이자 마지막 추세는 모바일 제품에 대한 배터리 매니지먼트 시스템으로 향한 움직임이다. 현재 배터리 구동 시스템에는 임베디드 MCU 지능 시스템이 추가되면서 배터리 충전 및 연료 측정의 모든 측면을 효과적으로 지원하고 있다.이에 대한 가장 극명한 예로는 노트북 컴퓨터를 들 수 있다. 1세대 노트북은 배터리를 작동하거나 충전하는 작업 중 어느 한쪽만 수행했으며 두 가지를 동시에 수행할 수는 없었다. 이후 배터리 시스템 관리를 위한 전용 프로세서를 추가하면서 시스템을 작동하면서 충전이 가능하게 되었다. 또한, 이로 인해 노트북 PC에서 화학 성분이 다른 여러 배터리를 충전하고 하나가 완전히 방전되면 다른 것으로 전환하는 식의 새로운 기능을 처리할 수 있게 되었다. MCU는 배터리팩 내에 내장되는 매우 작은 크기(6핀)에서 다중 셀 시스템을 위한 큰 규모(80핀 이상)에 이르기까지 다양하다. 또한 표준 소프트웨어를 수정하거나 호환성을 제한할 수 있는 새 하드웨어에 의존하지 않고 배터리 관리 기능을 수행할 수 있다. 작은 8비트 MCU가 보다 큰 시스템 프로세서에서 작동하며 발전해가고 있지만 간단한 방식으로 직접 확인하기는 불가능하다.8비트 MCU 사용 추세 가속폐쇄 루프 시스템에 대한 필요성 및 저가형 반도체 기술은 8비트 MCU의 수요를 이끌고 있다. 또한 단순한 결정론적 구현, 저렴하면서도 강력한 개발 툴, 견고한 5V 동작 그리고 검증된 저가형 공정기술 덕분에 8비트 MCU는 32비트 프로세서가 경제성 및 안정성 면에서 도달하지 못하는 환경에서 확실한 대안으로 자리잡고 있다. 예컨대 대부분의 소비자 애플리케이션에는 많은 32비트 프로세서에 필수적인 ±5% 대신 ±10%로 안정화된 단순한 전원공급장치가 들어간다. 뿐만 아니라 폐쇄 루프 제어에 대한 추세가 주를 이루면서 아날로그 센서 인터페이스에 대한 필요성이 동반 상승하고 있다.시스템이 복잡해질수록 복잡한 하드웨어보다는 복잡한 소프트웨어를 디자인 및 개발하는 편이 쉽기 때문에 MCU의 사용 추세는 더욱 가속화될 전망이다. 현재 표준 MCU와 소프트웨어를 통합하여 시스템의 작동을 제어하는 설계 추세가 떠오르고 있다. 이렇게 되면 시장의 변화에 반응하여 시스템을 신속하게 정의, 검증 및 수정할 수 있게 된다. 또한 플래시메모리를 사용하므로 소프트웨어의 현장 업그레이드는 물론 작동을 세부적으로 조정하고 기능을 추가 또는 업그레이드할 수 있다. 이전에는 작은 프로그래머블 로직 디바이스를 사용하던 많은 제품이 이제는 임베디드 지능 시스템을 사용하도록 다시 설계되고 있다. 8비트 MCU의 수요를 이끄는 추세가 계속 유지된다고 가정하면 향후 몇 년간 임베디드 지능 시스템 시장은 한층 탄력을 받게 되는 것은 물론, 8비트 MCU는 선적량 면에서도 선두를 유지하게 될 것으로 보인다.PIC에 얽힌 이야기1970년대 후반, 제너널 인스트루먼트(General Instrument)는 CP1600이라는 16비트 프로세서를 만들었다. 하지만 이 CP1600은 인텔 8086과 모토로라 68000에 밀리면서 오래 전에 사라졌고, 이제는 거의 잊혀 버렸다.CP1600의 I/O 능력에는 한계가 있어, 제너럴 인스트루먼트 사는 I/O 컨트롤러 구실을 하는 쌍으로 움직이는 소형 짝 프로세서를 설계했다. CP1600을 위한 I/O를 수행할 뿐만 아니라, 자체가 프로세서이므로 어느 정도 지능적인 제어를 할 수 있으리라는 판단이 작용했기 때문이다.이 프로세서를 주변기기 인터페이스 제어장치(peripheral interface co-ntroller) 혹은 PIC라고 불렀다. CP1600은 조용히 사라져 잊혀졌지만, 조그만 짝은 살아남았다. 80년대 중반에 제너럴 인스트루먼트 사의 마이크로일렉트로닉스 부서가 마이크로칩 사로 분사하면서 PIC 프로세서를 주력 제품으로 내세웠다.현재 PIC는 널리 사용되고 있다. 바로 소니 플레이스테이션, 아이들 장난감, 전자제품, 산업용 시스템 등의 컨트롤러 속에 살아 있다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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