32비트 MCU 1달러 시대 개막

ARM Cortex-M3, 32비트 MCU 코어 업계 표준 도전

마이크로컨트롤러(MCU) 시장의 수익 구조가 8비트에서 16비트나 32비트 디바이스로 빠르게 이동하고 있다. 2009년에는 16비트와 32비트 MCU를 합친 수익이 8비트 MCU 수익의 약 2배에 이를 전망이다.IC Insights에 따르면, 2005년 MCU 전체 시장규모는 127억 달러. 이 중 32비트 MCU 매출은 35억 달러로 MCU 내에서도 가장 높은 성장률을 기록했다. IC Insights는 32비트 MCU 시장이 2009년 말까지 연평균 성장률 15% 이상을 기록할 것으로 내다봤다. In-Stat도 32비트 MCU의 연평균 성장률이 11.23%로 8비트와 16비트의 연평균 성장률(약 5%)을 크게 앞설 것으로 전망했다.이에 대해 ARM 코리아 임종용 상무는 “임베디드 애플리케이션이 점점 더 복잡해지는 동시에 시스템 연결성과 더 낮은 총비용을 요구함에 따라, 디자인 엔지니어들은 낮은 가격에 고성능을 지원하면서도 저 저력인 MCU를 원하고 있다”면서 “이러한 시장의 흐름이 32비트 MCU 수요를 견인하고 있다”고 말했다.32비트로 마이그레이션분명 임베디드 시장은 8/16비트 MCU에서 32비트 MCU로의 마이그레이션이 가속화되고 있다. 그 이면에는 32비트 MCU가 8/16비트 마이크로컨트롤러에 필적 내지는 월등한 이점을 제공하기 때문이다.가격 측면에서 보면, 이제 MCU 디자인 엔지니어들은 32비트 마이크로컨트롤러를 3달러 이하에서 구매할 수 있게 되었다. 일례로 루미내리 마이크로(Luminary Micro) 사는 ARM Cortex-M3 코어를 기반으로 한 최초의 32비트 마이크로컨트롤러를 1달러에 제공한다고 발표했다. 이정도 가격이면 비용에 민감한 대량생산 애플리케이션에 충분한 가격 경쟁력을 제공할 수 있을 것이다.또한 여러 개의 8/16비트 MCU를 사용해야 하는 경우 하나의 32비트 MCU로 대체할 수 있을 뿐 아니라, ARM Cortex-M3는 코드 밀도(Code density) 향상으로 메모리 사이즈를 줄여 비용 이점을 제공한다. 8051 대비 메모리 사이즈를 4배 정도 줄일 수 있다는 것이 ARM 사의 설명이다.32비트 MCU 애플리케이션임베디드 시장에서 고성능 디바이스에 대한 요구로 32비트 MCU의 출하량이 늘고 있지만, 여전히 8비트 MCU의 출하량은 16/32비트의 출하량을 크게 상회한다. 이것은 8비트 MCU가 대량생산 시장에서 제어용으로 광범위하게 사용되고 있기 때문이다. 반면, 16비트 MCU의 수요 시장은 주로 스마트카드, PC 주변기기, 하드디스크드라이브(HDD)로 이러한 애플리케이션이 16비트 MCU 시장 전체의 40% 이상을 차지하고 있다. 연평균 성장률 면에서는 제어와 설비, MP3 플레이어, 디지털 카메라 애플리케이션이 가장 높은 것으로 나타났다. 32비트 MCU의 경우에는 스마트카드 분야에서 가장 많은 출하량을 기록하고 있다. 그러나 출하량의 연평균 성장률을 촉진하는 애플리케이션은 디지털 무선, PC DVD, 바코드 리더, 보안 분야다.32비트 MCU 새로운 표준 제시핸드폰을 비롯한 MP3 플레이어, PDA 등 모바일 AV 기기에서 ARM 코어는 사실상의 표준에 가까운 지위를 누리고 있다. ARM 코어를 내장한 프로세서는 2004년 12억개에서 2005년 한 해 전년보다 31% 늘어난 16억7,000만개가 전세계에 뿌려졌다. 매출 실적으로 보면 전년 대비 14% 늘어난 4억1,870만 달러. 이 기간 중 주목할 만한 변화는 핸드폰 이외의 비 모바일 분야에서 출하량이 46% 증가했다는 점이다.ARM 사는 2010년까지 연간 45억 개의 ARM 코어 기반 제품 출하를 목표로 하고 있다. 그 중 절반 이상을 핸드폰 이외의 분야에서 실적을 올릴 계획이다. 그러나 아직은 ARM 코어의 3분 2가 핸드폰용. 계획대로라면 핸드폰 비율을 절반 이하로 끌어내리는 대신에 다른 분야를 끌어올려야 한다. 이 회사가 이 목표를 달성하기 위해 개발한 코어가 ARM Cortex 제품군이다.그 중에서도 Cortex-M3 프로세서 코어는 일반 MCU와 같은 자동차나 소비자가전 시장을 타깃으로 하고 있다. 이 코어는 개발자들이 8/16비트 플랫폼에서 32비트로 마이그레이션 하도록 매력적인 요소들을 통합했다.Cortex-M3 프로세서 아키텍처의 핵심을 구성하는 CM3Core는 Thumb 및 Thumb2 디코더를 비롯해 32비트 ALU(Arithmetic Logic Unit)와 컨트롤 로직, Divider와 Multiplier, 인터페이스(BUS, NVIC, ETM)를 포함하고 있다. 그리고 Cortex-M3 프로세서는 인터럽트 컨트롤러(NVIC), 버스 매트릭스, 디버그 로직, 플래시 및 SRAM 인터페이스 등과 함께 옵션으로 MPU(Memory Protection Unit)와 ETM(Embedded Trace Macrocell)을 내장했다. MPU의 경우 130nm 공정에서 대략 10,000게이트, ETM은 6,000게이트를 소비한다. CM3Core의 총 게이트 수는 33,000게이트, 주변장치를 포함시키면 60,000게이트 수준이다.Cortex-M3 인터럽트 Tail-Chaining 기술은 인터럽트 오버헤드를 최대 12클록 사이클로 낮추는 하드웨어 기반 인터럽트로, 그 효과는 실제 애플리케이션에서 70%의 절감이 가능하다고 한다. 벡터 인터럽트 어드레스는 인터럽트 발생 시 프로세서 코어로 직접 전달되어 파이프라인을 무난히 통과하면서 인터럽트를 조기에 처리할 수 있게 해준다. 이처럼 고속 인터럽트 처리는 고성능 마이크로컨트롤러의 조건을 충족시켜 주고 있다.Cortex-M3 프로세서를 180nm 공정에서 제조했을 경우, 최대 동작 주파수 120MHz에 소비전력은 0.19mW/MHz, 성능은 1.25 DMIPS/MHz로 일반 마이크로컨트롤러 용도로서 손색이 없다. 특히 Cortex-M3는 디자이너가 핀 수가 적은 소자를 개발할 수 있도록 현재의 멀티핀 JTAG 포트를 단일 와이어 디버깅 기술로 대체하여 온칩 디버깅을 지원하는 데 필요한 핀 수를 5개에서 1개로 줄였다.RealView 마이크로컨트롤러 개발킷(RVMDK)는 ARM RealView 컴파일러와 Keil MicroVision3를 통합했으며 디바이스 시뮬레이션과 소프트웨어 추적 등 특별히 고안된 기능을 제공한다. MicroVision 인터페이스는 8051 및 166 기반 표준 제품을 위한 Keil 툴 사용자들에게 익숙하고 사용하기 쉬운 환경을 제공한다. 구입 가격은 4,095달러다.또한 서드파티 툴로서는 IAR, Green Hills, Lauterbach 등의 컴파일러와 디버거가 올 1사분기부터 지원되고 있으며, Code Sourcery 사의 오픈 소스 지원을 받을 수 있다. 현재 지원되는 실시간OS(RTOS)는 Express Logic, ATI, AutoSAR, eCOS, uCOS II, FreeRTOS 등이다.마이그레이션 유혹ARM 사는 Cortex-M3가 ARM 프로세서 중에서 가장 작은 크기와 최저 전력소모를 자랑하는 프로세서이며, 비용에 민감한 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 제공한다고 강조한다. 일단 저가형 32비트 프로세서는 32비트 아키텍처의 처리 대역폭이 필요한 새로운 애플리케이션에 가장 폭 넓게 채택될 것이다. 그간 32비트 마이크로컨트롤러에 대한 부정적 시각은 칩 가격에 대한 문제였다. 그러나 이번에 1달러라는 파격적인 가격에 32비트 MCU를 만날 수 있게 되었다는 것은 MCU 개발자들에게 기분 좋은 소식이 아닐 수 없다. 8비트 MCU 디자이너들이 더 큰 규모의 아키텍처를 찾게 되는 주된 원인은 시스템 복잡성이 증가하고 있기 때문이다. 그 복잡성을 관리하기 위한 임베디드OS의 포팅 문제를 기꺼이 받아들일 자세가 되어 있다면 32비트 MCU의 세계가 결코 낯설진 않을 것이다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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