제공: 한국내쇼날인스트루먼트(www.ni.com/korea)
본 고에서는 기존의 임베디드 리눅스를 경량화 하는 방법을 개선하고 통합하여 임베디드 시스템에서 동작하는 어플리케이션의 처리 속도 개선에 어떤 효과가 있는지를 검증하고자 한다.
이를 위해 Hibernation 기법을 응용한 부팅시간 단축, Symbolic Link 기법과 가상주소매핑 기법을 적용한 JFFS2 파일시스템 최적화, 범용성을 보장하는 커널 경량화 방법을 적용하였으며 실험을 통해 본 논문에서 제안하는 경량화 기법이 임베디드 시스템의 성능 향상에 어떤 효과가 있는지를 확인하였다.
재구성 가능한 이기종 아키텍처
더 빠른 CPU의 출시가 더디어지면서, 임베디드 시스템 디자이너들은 이기종 처리 요소들을 조합하여 고급 임베디드 컨트롤 및 모니터링 어플리케이션의 요구사항을 충족시키고 있다.
임베디드 시스템 디자이너들은 특정 어플리케이션 태스크에 다양한 처리 요소들을 사용하고 있다. 이 요소들은 무어의 법칙을 따르고 있는 범용 마이크로컨트롤러부터 멀티코어 프로세서까지 성능의 범위가 다양하다. 이 기술들은 임베디드 시스템의 두뇌로서 사용을 결정하기 앞서 반드시 고려해야 하는 각자 특유의 강점과 약점을 가지고 있다. 임베디드 시스템에서는 프로세서 중심의 타깃이 가장 일반적으로 활용되고 있지만, 고성능 컨트롤 및 모니터링 시스템에 접목하기에는 기능과 성능이 떨어질 수 있다. 이런 경우, 디자이너들은 보통 이기종 컴퓨팅 시스템을 제작한다.
이기종 컴퓨팅 시스템은 여러 특수 처리 요소들을 이용하여 컴퓨팅 요구사항을 충족시키고 필요한 모든 주변장치에 접근한다. 이 시스템의 성능은 코어의 추가뿐 아니라 특정 태스크를 처리하는 특수 처리 기능을 이용해서도 향상된다. 프로그래밍 가능한 로직 기술 즉, FPGA는 기존의 처리 요소들(마이크로프로세서 등)과 결합되어 임베디드 시스템에서 원활히 작동한다.
혁신을 이뤄내거나 뒤처지거나
범용 프로세서들은 임베디드 시스템의 중심이 되어 왔다. 프로세서는 다양한 표준 주변 인터페이스로서 이더넷, 시리얼, USB, CAN, SPI, 메모리, 기타를 제공한다. 마이크로프로세서를 기반으로 한 시스템의 경우, 일반적으로 엔지니어들은 특정 어플리케이션 I/O를 주변 인터페이스의 하나 또는 그 이상과 인터페이스 처리한다. 이렇게 프로세서가 선택되면, 선택할 수 있는 I/O 인터페이스는 고정되고 배포 시 시스템은 유연성을 잃게 된다.
만약 특수 연결방식이나 기능이 필요한 경우, 디자이너들은 프로세서 디자인과 어플리케이션 전용 IP를 통합하여 직접 ASIC를 제작하는 방법을 고려해야 한다. 이런 접근방식은 휴대폰과 세톱박스와 같이 대량으로 생산하는 가전기기 어플리케이션에서는 일반적이지만, 그렇지 않은 어플리케이션에서는 ASIC의 디자인으로 비용이 상승하여 리스크를 감내해야 하기 때문에 수익분기점이 높아지게 된다.
그림 1.
이기종 컴퓨팅 시스템은 마이크로 프로세서와 FPGA의 조합을 기초로 한다.
이같은 한계로 인해 많은 디자이너 팀들이 어플리케이션 전용 기능을 임베디드 시스템에 추가하기 위한 메커니즘을 재고할 수밖에 없게 했다. 최종적으로 제작된 ASIC는 기능이 고정되어 있다는 리스크와 디자인 비용이 상당히 높다는 점을 고려하여, 많은 엔지니어들은 프로세서와 FPGA의 조합이 성능, 유연성, 비용 측면에서 올바른 조합임을 발견하게 됐다.
FPGA를 프로세서와 어플리케이션 전용 I/O 사이에 배치하면 전체 시스템의 유연함과 처리 성능은 높아지게 된다. 프로세서, FPGA 그리고 I/O를 조합하면 재구성 가능한 I/O를 이용하는 아키텍처가 생성된다. 여기서 FPGA는 혼합처리(co-processing) 엔진, 인라인 신호 프로세서, 안전 서브시스템 또는 지연성이 극도로 낮은 컨트롤 시스템 역할을 할 수 있다. FPGA의 재구성 가능한 특성은 하드웨어 업그레이드와 제품 차별화를 위한 메커니즘을 제공하여 인터페이스와 표준이 계속 진화하는 현실 속에서도 제품 수명을 연장했다. 프로세서, FPGA, I/O는 모두 프로그래밍이 가능하기 때문에 디자이너들은 디자인 프로세스 후반 또는 시스템이 배포된 후에도 소프트웨어를 통해 기능을 변경할 수 있다. 모든 요소를 프로그래밍 할 수 있는 시스템은 프로세서 전용 또는 ASIC 방식보다 초기 디자인 비용이 낮으며 디자인 변경 시 적용성이 뛰어나다.
이기종 컴퓨팅
정의만 본다면, 이기종 컴퓨팅 시스템은 프로세서 전용 시스템보다 더욱 복잡하다. 개별 특수 처리 요소들의 강점을 활용하려면 반드시 어플리케이션을 분할해야 한다.
예를 들어, 마이크로프로세서는 유연한 명령 세트, 부동소수점 수학 단위, 일반적인 표준 주변 인터페이스 서브세트를 가지고 있다. 이들의 제한 요인으로는 모든 연산이 제한된 처리 코어 수를 통해 시리얼 처리되어야 한다는 것이다. FPGA는 작동방식을 실행 시 설정하고 작동 중에 재구성 가능하기 때문에 극도로 유연하다. 다중 태스크는 FPGA 내의 전용 로직셀을 이용하여 병렬 방식으로 작동한다. 단일 FPGA는 인라인 신호 처리, 데이터 축소, 기능 감지 및 기타 병렬 태스크를 이용하여 태스크 처리될 수 있다.
프로세서와 FPGA 병합의 장점을 극대화하려면 여러 고려사항들을 반드시 해결해야 한다. 한 디자인을 처리 요소들에 지능적으로 분할하는 것 외에도 효율적인 드라이버와 통신 메커니즘을 처리 요소간에 반드시 구현해야 한다.
실제로 구현된 재구성 가능한 아키텍처
여러 실리콘 칩 제조업체들이 재구성 가능한 이기종 컴퓨팅 아키텍처를 단일 칩에 통합한다.
Intel Stellarton, Microsemi SmatFusion, Cypress Semiconductor Programmable System-on-Chip (PSoC), Xilinx Zynq All Programmable SoC, Altera SoC FPGA는 재구성 가능한 이기종 컴퓨팅 타깃이 단일 칩에 통합된 예다.
각 디바이스는 프로그래밍 가능한 로직을 하나 이상의 기존 마이크로프로세서 또는 마이크로 컨트롤러에 결합한다. IC 레벨에서 통합된 두 처리 요소들은 최종 임베디드 시스템의 성능은 올리고 크기, 전력, 비용은 줄인다. 예를 들어, Xilinx Zynq All Programmable SoC 제품군 내에서는 처리 및 프로그래밍 가능한 로직 서브시스템이 IC 내부의 천 개 인터커넥터 신호와 인터페이스한다. 이는 두 개의 기술을 별개의 구성요소로 통합할 때 가능한 수치보다 10배가 높아진 것이다.
실리콘 칩 제조업체들의 노력으로 인해 산업용 어플리케이션의 전반에서 사용할 수 있는 이기종 컴퓨팅 타깃의 비용은 낮아지고 성능은 높아지고 있다. 이 컴퓨팅 플랫폼들은 고성능 제조 머신이나 전기 전력 인버터의 제어뿐 아니라 머신 비전 어플리케이션과 스마트 그리드 모니터링 시스템의 처리 요구사항을 충족시키고 있다.
Hindustan Aeronautics Limited (HAL)사의 엔지니어들은 일련의 비행용 엔진에 프로세서와 FPGA가 하나로 통합된 임베디드 시스템을 장착했다. 이 업체가 개발한 UEECU(Universal Eng ine Electronic Control Unit)는 이전에 사용했었던 프로세서 전용 기반 솔루션의 한계점이었던 느린 속도를 극복했다. 개발한 컨트롤러는 어떤 유형의 엔진이 연결되었는지 감지하고 컨트롤러의 프로그래밍 가능한 로직 부분을 재구성하여 각 엔진에 적용할 수 있다. 단일 디자인에 여러 엔진 유형을 표준화함으로써 컨트롤러들을 입증해야 할 필요를 없애고 시스템 비용을 줄였다.
임베디드 시스템 디자인에 미치는 영향
시스템 디자이너들과 실리콘 칩 제조업체들은 프로그래밍으로 재구성 가능한 로직을 기존의 프로세서와 결합하여 이기종 컴퓨팅 아키텍처를 구현했을 때의 효과를 확인하고 있다. 디자이너들은 프로그래밍 가능한 로직을 이용하여 직접 정의한 하드웨어 인터페이스와 특수 컴퓨팅을 프로세서 중심의 시스템에 추가한다.
프로그래밍 가능한 로직은 시스템에 높은 유연성을 추가하고 배포된 시스템의 변경된 요구사항을 PCB를 변경했을 때의 비용과 시간을 들이지 않고도 필드에서 재구성하여 충족시킬 수 있다. 주요 프로세서가 가전기기에 집중하면서, 재구성 가능한 이기종 컴퓨팅 아키텍처가 임베디드 컨트롤 및 모니터링 시스템의 유연성, 성능 비용 측면에서 이상적인 조합으로 각광받고 있다.
임베디드 시스템 디자인의 대중화
많은 디자인 팀들이 큰 규모의 팀 형태를 버리고 소규모 팀으로 탈바꿈하여 분야별 전문지식을 혁신으로 구현하는 데 집중하고 있다.
현재 우리는 기술이 빠르게 보편화되는 세상을 살고 있다. 지난 몇 십 년 전만해도 컴퓨터는 고가의 연구용 디바이스로 누구나 사용할 수 없었지만 이제는 개인용 도구로서 보편화됐다. GPS 역시 국방용 기술(미사일 배치 등)로서 접근에 제한이 있었지만 이제는 거의 모든 모바일 전자기기에 사용되고 있다(근처 커피숍 검색 등).
임베디드 시스템 디자인 팀의 구성 변화
이같은 기술 대중화의 바람은 임베디드 시스템 디자인에서도 불고 있다. 임베디드 시스템 분야가 어떻게 변화하고 있는지 이해하려면 기존 디자인 팀의 구성을 살펴본 후 시장의 요구와 시스템 디자인 기술의 향상에 따라 어떻게 이 구성이 변하고 있는지 알아보는 것이 도움이 된다.
기존의 임베디드 시스템 디자인 팀은 하드웨어, 소프트웨어 및 기계 엔지니어로 구성되어 한 명 또는 그 이상의 어플리케이션 분야 전문가들이 이끌고 가는 형태를 띠었다.
이 분야별 전문가들이 주어진 주제 영역 예를 들어, 의학 치료, 석유 탐사, 자산 모니터링 등에 대한 깊은 지식을 가지고 디자인 팀을 전두지휘했다. 임베디드 시스템 디자인 프로세스에서 각 디자인의 성공은 분야별 전문가가 본인의 지식과 통찰력을 표준 임베디드 툴체인을 사용할 수 있는 엔지니어에게 얼마나 성공적으로 전달하느냐에 달려 있다.
하지만 각 분야의 전문가들은 복합 임베디드 시스템 구축에 필요한 툴 세트를 접해본 경험이 거의 전무하기 때문에 어플리케이션을 구현하는 데 있어 툴이라는 장애물에 부딪히게 된다. 이러한 점은 빠르게 디자인을 개선하고 시장 출시를 앞당기는 데 있어서 방해 요인이 되곤 한다.
한 가지 더 심각한 사실은, 소규모의 어플리케이션 구현 팀의 전문가들이, 툴이라는 장벽으로 인하여, 본인들의 아이디어를 디자인으로 변환할 수 없어왔다는 점이다. 대규모의 어플리케이션 구현 전문가 팀이 필요할 수밖에 없게 만드는 임베디드 툴체인의 복잡함과 분산 역시 새 임베디드 시스템의 진입 장벽을 높였다.
현재 업계에서 인정받고 있는 디자인 팀들은 분야별 전문가들이 디자인 프로세스를 선두에서 이끌며 대규모의 엔지니어링 그룹들이 전문가들의 아이디어를 구현하는 데 집중할 수 있는 소규모의 발 빠른 팀으로 개편되는 것이 중요하다고 인식하고 있다.
업계 사례: 혁신적인 의료기기 출시
이와 같은 변화를 이루어낸 대표적인 한 사례로는 유아의 영양 섭취 문제를 해결하는 의료 기기를 개발하고 있는 업체인 KCBioMedix사를 들 수 있다. KCBioMedix사는 NTrainer System이라고 하는 제품을 개발했다.
이 제품은 컴퓨화된 고무 젖꼭지로 의사들이 아기의 영향섭취 능력평가뿐 아니라 아기들이 입으로 빠는 능력을 학습할 수 있도록 도와준다. 신생업체였던 KCBioMedix사는 소규모 팀으로 구성되어 있어 초기에는 디자인의 상용화를 아웃소싱 할 계획을 했었다. 하지만 비용을 줄이고, 개발시간을 단축하며, 팀이 보유하고 있는 신경과학 및 ororhythmic 자극 요법에 대한 전문 응용 지식을 적용하기 위해 사내에서 디자인을 완성하기로 결정했다.
이에 KCBioMedix사는 플랫폼 기반의 하드웨어 및 소프트웨어 방식을 채택함으로써 로우레벨 구현을 신경쓰지 않고 분야별 전문가들이 직접적으로 더 많이 관여하여 디자인 개발을 더 빠르게 수행할 수 있었다. 결과적으로, 예상했던 개발 시간이 4개월에서 4주로 단축되었고, 비용도 25만달러가 절감됐다.
변화를 이끈 HW, SW 통합형 플랫폼
임베디드 시스템 디자인 접근 방식이 변화하고 KCBioMedix N Trainer처럼 임베디드 시스템의 개발이 가속화된 이유는 무엇 때문일까? 핵심은 하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼과 이 플랫폼을 구성하는 구성요소들을 살펴보면 알 수 있다. 임베디드 시스템 디자이너들은 이러한 통합형 플랫폼 기반 방식을 채택함으로써 하드웨어와 소프트웨어 부분 자체에는 크게 신경쓰지 않고 알고리즘 디자인, 프로토타이핑 및 신속한 배포에 초점을 맞출 수 있다.
재구성 가능한 상용 하드웨어
하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼의 핵심 구성요소는 재구성 가능한 상용 하드웨어다.
기존의 많은 임베디드 시스템 디자인 팀들은 시간 소모적이고 비용이 많이 드는 아키텍처를 직접 제작하여 까다로운 어플리케이션 요구조건을 충족해왔다. 임베디드 마이크로프로세서, 프로그래밍 가능한 로직, I/O의 조합을 기초로 한 재구성 가능한 이기종 아키텍처는 다양한 어플리케이션의 연결 방식, 성능 및 업그레이드 요구사항을 충족시킬 수 있다.
또한 이 아키텍처는 현재 상용 패키지 형태의 임베디드 시스템부터 단일 보드 형태의 컴퓨터 그리고 SoC까지 다양한 폼팩터로 제공이 되고 있어 하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼을 이용하면 프로토타이핑과 배포 단계에서 IP를 재사용할 수 있다 최소한의 재작업으로 코드 포팅이 용이함). 상용 제품으로서 구입할 수 있고 재구성과 재사용이 가능하다는 장점은 하드웨어 디자인, 아웃소싱 및 대규모 팀 구성 등으로 인한 시간과 비용 낭비를 방지해준다.
상호 교환 가능한 I/O와 개발 시장 조성
하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼의 또 다른 기본 요소는 상호 교환이 가능한 I/O다. 상호 교환이 가능한 I/O를 통합한 플랫폼은 한 컴퓨팅 보드를 여러 다른 디자인에 사용될 수 있는 유연함과 재사용을 제공(각 디자인에서 고유의 I/O 세트 이용)할 뿐 아니라 상용 및 맞춤형 I/O의 개발 시장 조성도 가능하게 한다. 이러한 개발 시장 조성은 임베디드 플랫폼의 기능을 확장하고, 분야별 전문가들이 맞춤형 디자인에 의존하지 않고도 다양한 특수 I/O, 산업용 버스, 기타 신호 및 디바이스에 접근하는데 있어 중요하다.
하이레벨 시스템 디자인 소프트웨어
하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼의 세 번째 핵심 구성요소는 하이레벨 시스템 디자인 소프트웨어이다. 이 소프트웨어는 개발 프로세스 동안 시스템 아키텍처와 I/O를 간략화하여 생산성은 높이고 시스템 디자이너들의 로우레벨 구현 세부사항(요소간 통신, OS 호출, 시스템 타이밍, I/O 해석, 기타 포함) 관리 필요성을 줄여준다. 또한 하이레벨 디자인 소프트웨어의 간략화를 통해 기능 작동방식을 간결하게 설명할 수 있고, 하드웨어 또는 통신 인터페이스 변경 시 코드를 쉽게 재사용할 수 있다.
이기종 아키텍처 기반의 임베디드 시스템을 개발할 때 하이레벨 시스템 디자인 툴은 개별 컴퓨팅 요소들(FPGA 등)의 아키텍처를 간략화 할 수 있고, 분야별 전문가들이 다른 요소들의 기능을 활용하도록 사용할 수 있는 통일된 프로그래밍 모델을 제공한다. 궁극적으로 이 툴들과 플랫폼 기반의 접근방식은 디자인 프로세스를 아주 간소화시키고 분야별 전문가들이 아이디어의 구현에서 더 큰 역할을 할 수 있도록 해준다.
분야별 전문가와의 조합
최근 Wilson Research가 진행한 연구에 따르면, 이 접근방식을 따른 조직들은 절반가량 줄어든 시간으로 시장에 제품을 출시하였고, 기존 디자인 방식을 이용했을 때보다 1/3 가량 줄어든 팀 구성원으로 개발을 진행할 수 있었다는 결과가 나왔다. 분야별 전문가와 하드웨어/소프트웨어 통합형 플랫폼의 조합으로 가능해진 특수 임베디드 시스템의 '롱테일' 개념이 현재 실현 중이다.
초기 PC 시장과 마찬가지로, 우리들은 앞으로 몇 십 년 안에 이루어질 임베디드 시스템 디자인의 대중화 초기 단계를 밟기 시작 했다. 플랫폼 기반 시스템 디자인 접근방식을 채택하여 분야별 전문가가 선두에서 지휘하는 개발 팀은 규모가 축소되어 발 빠르게 대응하고 제품 출시시기를 앞당겨 앞으로도 계속해서 경쟁력을 유지하게 될 것이다. 하지만 그렇지 않은 팀들은 임베디드 시스템 디자이너들과의 경쟁에 치이고, 툴을 분산하여 사용하는 대규모 팀 관리로 인한 디자인 비용이 상승하면서 본인들의 디자인이 붕괴되는 것을 지켜보게 될 것이다.
경제적인 총 수익성 평가
더 많은 기업들이 손익분석뿐 아니라 유연함과 리스크 등의 요인까지 고려하는 종합 접근방식을 채택하고 있다.
대부분의 기존 임베디드 시스템 디자인 팀들은 단기적인 수익에만 초점을 맞춘 기존의 의사결정 방식에서 벗어나지 못해 핵심 비용을 고려하는 데 실패하고 있다.
반면 업계에서 최고라고 인정받는 임베디드 시스템 디자인 팀들은 의사결정 프로세스에 유연함과 리스크를 통합함으로써 조직에 보다 높은 경제적 효과를 실현하고 있다.
기존 디자인 모델 비용의 해결과제
개발과 매출원가(COGS)에 필요한 엔지니어링 인건비를 파악하는 기존의 방법은 단기의 성취에 최적화된 의사결정을 하고 장기적인 영향에 대해서는 간과하게 됐다.
UBM의 2012 Embedded Market Study에 따르면, 12개월 이상 프로젝트를 진행하는 14명으로 구성된 팀은 프로젝트를 예상보다 늦게 완료하거나 취소하는 경우가 60%에 달했다는 결과가 나왔다. 하드웨어와 소프트웨어의 개발 시간은 오래 걸릴 수 있으며, 필요한 기술은 특수하기 때문에 대규모 팀과 더 많은 개발 비용이 필요할 수밖에 없다.
사후 개발 비용 및 리스크
조직들은 디바이스의 공급 체인 관리, 품질 테스트 수행, 보증 처리, 단종 또는 유지 문제 처리에 대한 비용 상승을 제대로 평가하지 않고 매출 원가를 최적화하려고 하는 경우가 있다.
기회비용 또한 상당할 뿐 아니라 간과되는 경우도 있다. 팀들은 새 고객의 요청사항이나 신규 시장 개척 및 매출 성장을 위한 실행보다는 이런 문제들을 해결하는 데 중요한 리소스가 할당되고 있다.
이는 개발 부서와 협력하지 않고 비용을 최적화하는 데에만 집중하는 부서에서 예산을 편성하기 때문이다. 이 부서들은 지도체제에 보고하는 그룹이 부담을 떠안도록 하는 것이다.
최고 수준의 사고방식
이 문제들을 인식한 기업들은 기존 디자인 모델의 비용을 따르지 않고 경제적인 총 수익성에 중점을 두고 있다. 이 기업들은 플랫폼 기반의 기술을 채택하여 총 개발 비용을 줄이는 동시에 고객의 요구사항에 빠르게 대응하는 데 필요한 유연함까지 갖추고 있다. 이들의 장기 전략과 리스크를 최소화하는 능력이 업계에서 최고 수준으로 인정받게 만들고 있다.
UBM이 수행한 2012 Embedded Market Study에 따르면, 임베디드 시스템 디자인 매니저들이 파악한 2013년에 우선 사항으로 처리할 첫 번째 문제는 신규 기술과 툴의 통합이다. 이 조사 결과가 의미하는 바는 안정적인 다양한 하드웨어 타깃을 제공하여 최신 IP를 빠르게 배포할 수 있는 유연한 개발 플랫폼이 임베디드 시스템팀에게 필요하다는 것이다. 업계 최고의 팀들은 매출원가를 낮추겠다는 단기적인 목표가 아닌 미래의 의사 결정에도 영향을 미치는 장기적 유연함을 고려하고 있다.
리스크 완화 전략
연구에서 파악된 두 번 째 문제는 '스케줄 관리'다.
업계 최고의 팀들은 개발 비용이 초기의 예상치 보다 많이 투입되고 있고 판매 예상치를 지나치게 낙관적으로 예견했을 수도 있다는 가능성을 염두하고 보다 자세하게 분석한다. 의사결정 과정에서 리스크가 있는 부분까지 함께 고려하면 보다 현실적인 최종 의사결정을 진행할 수 있고, 직원들에게 추가적인 교육을 제공하거나 기술 제공업체들의 추가적인 지원을 받는 등 리스크 완화 전략으로서 활용에 참작할 수 있다.
또한 이 기업들은 모든 역량을 특정 그룹에 집중하는 리스크를 피한다. 이들은 기술 플랫폼을 분야별 전문가들에게 제공하여 개발 및 배포 프로세스에도 참여할 수 있도록 한다. 이렇게 하면 팀이 비즈니스의 핵심 능력과 관련 없는 목적에 시간을 소비하지 않고 비즈니스에서 수익을 생성하는 가치 있는 개발에 더 많은 시간을 투자할 수 있다.
그림 2.
통합 플랫폼 기반 접근방식을 채택한 임베디드 시스템 디자이너들은 로우 레벨 구현 세부사항에 신경을 덜 쓰고 더 많은 시간을 혁신적인 IP를 개발하는 데 투자할 수 있다.
업계 최고 기업들의 결과
2012년 서드파티 업체인 Wilson Research는 내쇼날인스트루먼트와 협력하여 1000개의 임베디드 시스템 고객들에 대한 설문조사를 진행하고, 설문 결과를 매년 수행하는 UBM 임베디드 시장 조사 결과와 비교했다.
이 조사 결과에 따르면, 기존 임베디드 시스템 디자인 업체들과 비교했을 때 평균 팀의 규모는 1/3이고 프로젝트 진행 기간은 절반인 것으로 나타났다. 또한 설문조사에 참여한 업체들은 프로젝트를 제때 또는 스케줄보다 앞서 제공한 경우가 약 60%에 달했다.
에너지 업계의 예
일부 경우를 보면, 업계 최고의 조직들은 하드웨어 플랫폼에 더 많은 투자를 하였음에도 기존 맞춤형 디자인 모델을 따른 경쟁업체보다 시장점유율이 더 높아졌음이 증명됐다. 유정 서비스를 제공 하는 Lime Instruments는 석유 및 가스 업계에서 빠르게 성장하고 있는 업체다. Lime사는 더 많은 팀을 보유하고도 개발 속도가 더디고 스케줄 기한도 맞추지 못하는 리스크를 안고 있는 기존 경쟁업체들의 시장 점유율을 가져왔다.
Lime Instruments의 사장은 "전체 시스템에는 재사용 가능한 단일 아키텍처를 사용했고, 시스템의 중추 역할은 LabVIEW가 담당했다. LabVIEW를 이용하여 경쟁업체보다 훨씬 빠른 속도로 새 고객의 어플리케이션을 프로그래밍할 수 있었다"라고 전했다. 이 회사는 지난 5년 동안 265%의 CAGR(연평균 성장률)을 달성했다.
Dynapower사의 디자인 팀은 최근 FPGA를 이용하여 전력 컨버터의 컨트롤 및 처리 알고리즘 구현을 시작하였고 기존 디지털 신호 프로세서를 이용했을 때와 비교하여 달러당 40배가 높은 처리 성능을 구현할 수 있게 됐다.
Dynapower Corporation의 시스템 엔지니어링 매니저는 "FPGA 기반 컨트롤 시스템을 이용하여 해결과제를 비용 효율적으로 충족시킬 수 있었다"라고 전했다. 결과적으로, Dynapower사의 팀은 표준 상용 플랫폼과 입증된 하드웨어/소프트웨어 통합형 툴체인을 이용하여 개발 시간을 72주에서 24주로 단축할 수 있었다. 이 사례는 매출원가를 낮추는 디자인을 개발하는 데만 집중하지 않고 유연성과 리스크를 고려한 결과라 할 수 있다.
더 많은 이윤 창출을 고려한 의사결정
임베디드 시스템 디자인에서의 일반적인 통념이 기존 비용 분석뿐 아니라 유연성과 리스크 등의 요인까지도 고려하여 더 많은 이윤을 창출하는 종합 접근방식으로 바뀌고 있다.
많은 고객들이 이 접근방식을 성공적으로 채택하여 의사결정 프로세스를 개선하고 있다. 임베디드 시스템 디자인의 실제 총비용을 계산하는 접근방식을 변경하지 않더라도, 현실적이고 실현 가능한 비용 평가를 수행한다면 보다 나은 사업상 결정을 진행할 수 있다.
그림 3.
업계 최고의 팀들은 경제적인 수익성을 높이기 위해 유연성과 리스크까지 파악하는 장기 전략을 채택하고 있다.
디지털 에너지 혁신
디지털 기술은 에너지 조절, 이동, 저장 방식을 변화시키고 있다.
온라인 검색이 정보 검색 방법을, 소셜 미디어가 소통 방법을 그리고 e-book이 독서 방법을 어떻게 변화시켰는지 생각해보자. 이렇게 디지털 방식은 우리 일상생활을 변화시키고 있고, 이제는 에너지 분야에서 디지털 혁신이 일어나고 있는 중이다. 에너지를 디지털로 변환, 제어, 조절 및 저장하면 효율성과 비용을 기하급수 적으로 개선할 수 있다.
디지털 에너지 혁신은 강력한 디지털 툴, 충분한 임베디드 처리 성능 및 고효율 전력 전자 트랜지스터로 실현된다. 파워 트랜지스터는 에너지를 패킷으로 등분하여 고속 임베디드 컨트롤 시스템의 제어 하에 정밀하게 변환하고 조절한다. 현재 가장 많이 사용되는 디바이스 유형 중 하나는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 즉, IGBT다. IGBT는 1980년부터 개발되어 6세대 기술까지 진화하였고, 평균적으로 11년마다 에너지 효율성을 두 배로 높여 왔다. 오는 2020년이 되면 풍력 또는 솔라팜용 5메가와트 인버터는 2000년대 기술을 이용하여 구축된 동일 유닛보다 크기가 27배 더 작아질 것으로 예측되고 있다. 정보로서의 에너지는 기타 모든 현대 기술의 기본이기 때문에 에너지의 디지털화는 비즈니스와 경제에 엄청난 파급력을 미칠 것이다.
임베디드 프로세서와 FPGA의 PPD(Performa nce-per-dollar) 는 정말 엄청난 속도로 증가하고 있는 중이다(1980년 이래 500만배 이상). '무어의 법칙'으로 인해 최근 몇 년 동안 디지털 컨트롤 시스템의 PPD는 아날로그 컨트롤 시스템의 PPD를 순식간에 앞질렀다.
1990년대 후반까지만 해도 아날로그 컨트롤 시스템은 높은 PPD를 유지했다. 보다 최근에는 임베디드 컴퓨팅 칩의 특성과 관련하여 또 다른 패러다임 이동이 발생하고 있다. 가장 많이 사용되는 임베디드 처리기술인 마이크로프로세서, DSP 그리고 FPGA가 단일 이기종 집적회로에 통합되고 있는 것이다. 몇 년 전 FPGA와 DSP가 단일 칩셋에 통합되었을 때는 통합 비용 절감으로 인해 PPD가 40배까지 증가했다. 효율적인 연산 기능을 갖춘 DSP와 재구성 가능한 병렬 특성의 FPGA가 결합된 것은 디지털 에너지 시스템에 엄청난 득이 됐다. 그럼 두 개 방식에 할당된 엔지니어링 비용을 비교해보겠다.
임베디드 컴퓨팅 칩셋의 PPD는 14개월마다 두 배로 증가하고 있고, 앞으로 몇 년 후에는 평균 임베디드 시스템 개발 기간이 13개월보다 더 단축될 것이다. 이런 상황 때문에 수많은 제품 개발 팀들이 고가의 위험부담이 큰 재디자인을 끊임없이 할 수밖에 없게 됐다. 제품이 출시될 때까지 제품개발팀은 PPD의 두 배로 칩셋을 구매할 수 있다. 현재와 같은 속도를 고려한다면 임베디드 컴퓨팅 칩셋의 성능은 2010년과 2020년 사이에 8번 이상 두 배가 될 것이므로, 2020년에 구입한 처리 칩은 2010년대 구입한 칩보다 PPD가 최소 256배가 될 것이다.
'무어의 법칙' 속도를 따라잡기 위해 지속적으로 제품 라인을 재디자인해야 하는 현실은 대기업과 소기업 모두에게 어려운 해결 과제이기 때문에 많은 임원 및 경영진들은 대안책을 알고 싶어 한다.
다행스럽게도 비용과 리스크를 관리하면서 무어의 법칙에 뒤쳐지지 않는 임베디드 디자인 방법론이 있다. 이 방법은 프로세서/ DSP/FPGA 보드의 개발을 아웃소싱하는 하이브리드 방식이다. 사전 검증된 I/O 인터페이스와 시스템 레벨 디자인 툴을 갖춘 재구성 가능한 상용 임베디드 시스템은 NI와 같은 업체가 제공한다. NI는 PPD가 가장 높은 최신 칩셋에 디자인을 계속해서 업데이트하는 동시에 소프트웨어와 지원 및 서비스의 지원을 확실히 보장한다. 엔지니어링 팀들은 이런 상용 임베디드 시스템을 이용하여 맞춤형 전기 회로망, 기계 및 전력 전자장치를 디자인하는 데 집중한다.
따라서 엔지니어링 리소스의 활용 개선, 리스크 감소, 지속적으로 혁신할 수 있는 역량과 기하급수적으로 증가하는 PPD로 가능해진 새 기능들을 개발하여 경쟁업체들보다 앞서는 비즈니스 효과가 나타나게 된다.
기존 FPGA 보드를 완전히 직접 디자인했을 때 FPGA 소프트웨어 개발 비용의 70~80%는 입력/출력(I/O) 인터페이스의 개발에 들었으며, 20~30%만이 알고리즘 개발에 할당됐다. 따라서 제품 차별화 관점에서 초기 개발 비용의 대부분이 상대적으로 낮은 가치의 태스크에 할당됐다.
그에 반해, 상용 재구성 가능한 시스템과 내장된 I/O 인터페이스 및 시스템 레벨 디자인 툴을 활용하는 팀은 FPGA 소프트웨어 개발 비용 중 90%를 알고리즘 디자인, 시스템 시뮬레이션 및 소프트웨어 품질의 검증과 같은 가치가 높은 태스크에 할당했다.
아래 그림은 NI 그래픽 기반 시스템 디자인 방식을 이용한 디지털 에너지 시스템의 디자인을 표현하는 Design V Process이다. 이 그림은 고품질의 제품 디자인, 개발, 검증 및 확인을 위해 반복 가능한 방법론을 설명한다. Design V Process는 자동차 및 항공우주 업계의 표준이 되어가고 있다.
그림 4.
Design V Process는 임베디드 시스템 디자인 내에서 반복할 수 있는 방법론을 표현한다. 시스템 레벨 디자인, 검증 툴, 재구성 가능한 상용 임베디드 시스템의 사용은 비용과 리스크를 줄일 수 있을 뿐 아니라 기하급수적으로 증가하는 PPD에 따라 새 기능과 혁신의 구현에 집중할 수 있도록 도와준다.
임베디드 디자인을 구축하는 데 있어 가장 우선시하는 부분이 디자인 수행 능력이 아니라고 판단했다면, 재구성 가능한 상용 시스템을 이용하여 임베디드 디자인을 구축하는 것을 고려하는 것이 좋다. 상용 임베디드 시스템을 이용하면 디자인을 차별화하는데 더욱 집중할 수 있다.
임베디드 비전 기술
임베디드 시스템과 시각 데이터(visual data)의 통합이 업계를 변화시키고 있다.
우리의 두뇌가 시각 데이터로부터 해석할 수 있는 정보의 양은 엄청나게 많다. 우리는 대상을 식별하고, 거리를 측정하며, 다른 상황들 속에서 어떻게 행동하고 반응할지 신속하게 의사결정을 수행할 수 있다. 심지어 무의식 속에서도 시각 정보를 끊임없이 이용하여 균형과 움직임을 제어한다.
두뇌가 정교한 알고리즘을 시각 이미지에 적용하여 우리 주변 세계를 이해할 수 있는 것과 동일한 방식으로 임베디드 시스템도 데이터를 수집하고 지능적인 의사결정 수행을 위한 하나의 주요 수단으로 시각적 감지를 사용하기 시작했다. 대학들은 1960년대부터 컴퓨터 비전을 연구해왔으며, 몇 가지 실행 기술들이 교차점을 찾으면서 임베디드 비전의 혁신에 촉매제 역할을 하여 이미지 센서, 이미지 처리 기술 및 소프트웨어 알고리즘 모두가 새로운 세대의 임베디드 시스템 탄생에 기여하고 있다.
그림 5.
임베디드 비전 시장의 성장 예상도(출처: IMS Research)
대량 생산되는 상용 임베디드 비전 기술
여러 상용 (COTS) 기술과 마찬가지로 대량 생산되는 가전기기 분야는 전력, 크기, 비용이라는 제한 사항에서도 경계범위를 넓혀 오고 있다.
초소형 카메라는 몇 제곱 밀리미터 속에 수백만 픽셀을 패킹하여 현재 노트북, 태블릿 PC, 모바일폰 등에서 표준 기능으로 채택되고 있다. 현재 이미지 센서들의 크기와 기능을 보면 놀랍지만, 임베디드 비전에서 가장 크게 발전한 기술은 결과적으로 처리력이다. 2년마다 프로세서의 성능이 두 배로 증가하고 멀티코어 CPU, GPU, FPGA 등의 병렬 처리 기술에 계속해서 집중하면서 임베디드 시스템 디자이너들은 정교한 알고리즘을 시각 데이터에 적용하고 보다 지능적인 시스템을 생성할 수 있다.
이제 임베디드 시스템은 온도, 소리, 진동 등의 기계적 측정에만 사용되지 않고, 시각 정보와 뛰어난 처리력을 활용하여 더욱 더 진화하고 있다.
우리는 카메라가 컴퓨터, 모바일폰, 자동차에 수없이 많이 통합되는 모습을 지켜보아 왔고, IMS Research에 따르면 임베디드 비전 시장의 5년간 연평균 성장률은 86%로 2016년까지 7억개 유닛이 시장에 판매될 것으로 예상하고 있다. 이렇게 폭발적인 성장을 보여주는 한 예로는 역사적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 가전기기가 된 마이크로소프트사의 키넥트 센서가 있다.
또한 최근에 삼성은 안면과 제스처를 인식하는 기능이 내장된 스마트 TV를 소개하기도 했다. 앞으로 카메라가 냉장고, 전자레인지, 세탁기 및 기타 모든 가전기기에서도 표준이 될 날이 멀지 않았다. 임베디드 비전의 지속적인 채택은 제조업, 생명 과학, 운송 등의 업계에 컨트롤 및 모니터링 시스템을 통해 계속해서 스며들게 될 것이다.
산업 자동화
제조업에서는 사람들이 수동으로 수행하던 검사를 머신 비전을 이용한 산업용 자동화 시스템으로 대체하여 사용하면서 생산 품질과 처리량을 높였다.
산업용 자동화 시스템은 이미지 처리 기술과 모니터링 시스템을 통합하여 고성능의 제조 머신을 생성한다는 것이 새로운 점이다. 이제는 모션 세트 포인트를 연산할 수 있을 만큼 빠르게 이미지 데이터를 처리할 수 있게 되면서 머신 구축업체들은 '비주얼 서보잉'(visual servoing)을 자동화 머신의 성능을 높이기 위한 새 방식으로 간주하고 있다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼 제조공정에서 품질 문제를 야기하는 일반적인 요인은 막 절삭된 칩이 가공을 통해 처리되면서 발생하는 작은 비틀림이나 오프셋이다.
새로운 세대의 웨이퍼 제조공정 머신은 임베디드 비전을 통합하여 모션 시스템의 지능을 높임으로써 제조 수율을 획기적으로 개선하고 있다. 이런 머신들은 이미지 데이터를 이용함으로써 칩의 정확한 방향을 정밀하게 알아내고 편차를 보상할 수 있다. 뿐만 아니라 동일한 이미지를 이용하여 결함을 검사하고 라인이 끝나기 훨씬 이전에 부품을 불합격 처리할 수 있다.
생명과학
생명과학 어플리케이션에서 의료 영상진단은 수많은 연구가 진행 되고 있는 분야이지만, 소형의 저전력 임베디드 시스템을 떠올릴 때 가장 먼저 생각나는 분야는 아니다.
한 세기 동안, 의료 진단과 치료에 사용할 비침투성 기법은 다른 기술들을 이용하여 개발되어 왔다. 그 기술이 엑스레이, 전자기장 또는 초음파이든 관계없이 의료 영상진단에는 입력-응답 프로세스가 포함되며 신호 생성과 신호 처리를 둘 다 수행할 수 있는 고성능 시스템이 필요하다. 새로 출시되는 화상 센서들은 더 높은 해상도와 프레임을 갖추고 있기 때문에 수동형 영상진단이 또 다른 의료 영상진단 방식으로 개발되고 있고, 디바이스의 크기와 비용을 줄여 대량 배포를 가능하게 하고 있다.
이를 실현한 한 예로, 인도 Manipal대학 Jairaj Kumar 박사와 그의 동료들이 당뇨병 신경병증 질환을 앓고 있는 환자의 족부 궤양 진전 상태를 파악한 사례를 들 수 있다.
이 연구팀은 임베디드 비전을 이용하여 환자가 맨발로 유리로 된 Nebual 시스템 위에 선 상태에서 족부를 수동적으로 영상화했다. 이와 비슷하게 Royal Philips Electronics의 R&D 팀은 피부색의 변동을 측정 하여 신체의 혈류에 연관시키는 이미지 처리 알고리즘을 개발 했다. 그리고 이 팀은 최신 태블릿 PC에 내장된 카메라와 뛰어난 성능을 이용하여 환자의 심박동수를 수동적으로 모니터링할 수 있는 iPad 앱을 제작했다.
운송
자동차 업계는 후방 카메라와 같은 운전자 보조 기능을 제작하면서 임베디드 비전을 채택하기 시작했고, 가전기기와 마찬가지로 자동차 산업은 제품을 대량 생산하기 때문에 앞으로 모든 종류의 운송 어플리케이션에 영향을 미치게 될 것이다.
철도 산업을 예로 들면, 레일의 상태는 위치가 조금이라도 이동하면 운행이 중단되고 안전 사고가 일어날 수 있기 때문에 항상 신경써야 한다. 기존에는 열차 운영자가 레일을 수동으로 직접 검사해왔었지만, 프랑스의 NEW VISION Technologies사는 RAILSHIFT라고 하는 임베디드 비전 시스템을 개발하여 30미터 이상의 레일을 연속으로 모니터링하고 5mm 이내 움직임의 이동을 측정할 수 있게 했다. 이 업체는 수십 개의 시스템을 매년 30억 명의 승객을 운반하는 Paris Regional Express 레일에 설치하였고, 결함이 발견되면 열차 운영자에게 즉각적인 경고를 보내게 된다.
철도 업계에서 임베디드 비전이 적용된 또 다른 사례는 콜로라도의 Siemens Rail Systems Division사로, 이 업체는 Denver 경철도 시스템의 과도현상 기록 시스템을 개발했다. 전압의 갑작스러운 스파이크가 송전선에 나타날 경우 발생할 수도 있는 전기적 아크 현상을 포착하고 보다 더 잘 특성화하기 위해 수년 동안 노력해온 Simens사의 엔지니어들은 NI CompactRIO 하드웨어를 이용하여 구현한 임베디드 로깅 시스템에 이미지 데이터를 추가하면서 필요한 정보를 얻게 됐다.
카메라의 확산
가전기기에서 시작된 임베디드 비전 기술이 다양한 시스템으로 스며들고 있다. 센서와 처리 기술의 성능은 높아지고 크기, 전력 및 비용 제약은 줄어들고 있다.
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