ULP(Ultra Low Power) 실리콘 무선 기술은 매우 탁월하다. 첨단 제품의 경우 서브-미크론 CMOS 제조공정을 통해 2.4GHz RF회로와 저에너지 임베디드 프로세서, 전력관리 및 플래시 메모리, RAM 등이 수 밀리미터에 불과한 다이 안에 통합된다. 또 이러한 첨단 디바이스의 가격은 불과 수 달러에 지나지 않으며, 복잡한 무선 환경에서 수년 동안 결함 없이 동작할 것으로 예상된다.
이러한 기대치를 충족시키기 위해 최신 무선 SoC(System-on-Chip)는 첨단 소프트웨어가 필요하다. 이 소프트웨어는 보통 2개의 요소로 구성되는데 RF 프로토콜과 애플리케이션 프로그램이다. RF 프로토콜은 간단히 ‘스택(Stack)’이라고도 불리는데 이는 정의된 설정 룰에 따른 제어 방식으로 트랜시버와 통신할 수 있도록 독립 단위로 구현되는 소프트웨어 레이어다.
이 RF 프로토콜은 프로파일(Profile)과 연동하게 된다. 예를 들어 무선 마우스와 속도 센서가 모두 동일한 프로토콜에 기반하고 있다 하더라도 무선 마우스를 다른 형태로 통신하도록 만들기 위해 특정 구현에 따라 무선 동작을 최적화하는 최상층의 소프트웨어 레이어다.
애플리케이션 소프트웨어는 보통 OEM(Original Equipment Manufacturer)이 개발하게 되는데 이는 디바이스가 지정된 기능을 최종적으로 수행하도록 해준다. 예를 들어 무선 마우스의 경우 애플리케이션 프로그램은 커서가 이동하는 지점을 컴퓨터에게 알려주도록 무선 칩에서 전송되는 데이터로 마우스의 움직임을 나타내게 된다.
칩 메이커는 OEM 애플리케이션 개발자들의 과제를 공감하는 것이 중요하다. 이를 테면, 칩 제조업체는 애플리케이션 및 스택 간의 인터페이스가 용이하도록 적절한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스는 물론, 일반적인 애플리케이션 코드까지 저장할 수 있는 충분한 온칩 메모리를 공급할 수 있는 기술을 채택해야 한다.
두 가지 타입의 스택
스택은 고유의 독자개발 형태이거나 또는 상호 운용이 가능한 것일 수도 있다. 고유의 독자적인 스택은 단일 제조업체가 개발한 것으로, 종종 저전력 소모 등과 같은 고유한 특성을 향상시키기 위해 고도로 최적화되어 있다.
이러한 고유의 독자적 소프트웨어의 단점이라고 한다면 동일한 제조업체의 칩과 통신이 가능하고, 마켓 규모도 제한적일 수 있다는 점이다. 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 Gazell 2.4GHz 소프트웨어가 이러한 고유의 독자적인 스택에 해당하며, 여러 마우스 및 키보드 제조업체들로부터 상당한 호응을 얻고 있다.
상호 운용이 가능한 스택은 개발자로부터 라이선스를 받아야 하거나 또는 개방형 표준으로 제공되기도 한다. 상호 운용성의 핵심 장점은 실리콘 벤더가 이 칩이 동일한 기술을 선택한 다른 경쟁사의 칩과 확실하게 통신이 가능하다는 것을 알고 안전하게 스택을 채택할 수 있다는 것이다. 이러한 멀티벤더 환경은 OEM들이 폭넓게 채택할 수 있도록 해주며, 해당 분야의 성장을 촉진시킨다.
캐나다 기업인 ANT 와이어리스(ANT Wireless)의 ANT+는 라이선스 스택에 해당된다. 노르딕 세미컨덕터는 오랫동안 ANT 와이어리스의 디자인 파트너이며, 노르딕의 nRF51422 칩은 ANT+ 프로토콜을 구동한다. 다른 실리콘 벤더들 또한 ANT 칩을 공급하고 있다.
ANT+를 선택한 OEM은 비용을 지불해야 하며, ANT+의 상호 운용성을 보장하고 새로운 프로파일을 개발하는 기구인 ANT 협회(ANT Alliance)에 가입해야 한다. ANT+는 헬스 및 피트니스, 특히 사이클링 분야에서 매우 폭넓게 활용되고 있다.
블루투스(Bluetooth) 기술은 개방형 표준에 해당된다.
어떠한 제조업체라도 블루투스 스택을 개발할 수 있으며, 제공된 소프트웨어는 이 소프트웨어로 구동되는 무선 칩이 다른 제조업체들의 칩들과 통신이 가능하도록 개방형 표준 사양을 준수한다.
블루투스 기술이 개방형 표준이기는 하지만, 무료는 아니다. 비용은 표준관리 기구인 블루투스 SIG(Special Interest Group) 회원가입 및 호환성 테스트, 블루투스 로고 사용의 형태로 지불된다.
2010년, 블루투스 SIG는 새로운 사양인 블루투스 4.0버전을 발표한 바 있으며, 최근에는 블루투스 4.1 버전으로 다시 업데이트되었다. 이 표준은 2개의 개별 기술로 나눠지는데, 블루투스 스마트 레디(Bluetooth Smart Ready)와 블루투스 스마트(Bluetooth Smart)다. 블루투스 스마트 레디는 휴대폰이나 PC에 이미 광범위하게 임베디드되어 있는 전통적인 기술에 가깝다.
블루투스 스마트(이전에는 블루투스 저에너지로 알려짐)는 상당히 낮은 저전력 특성을 갖추고 있으며, 심박수 측정기나 다른 소형 센서 등과 같이 코인-셀로 구동되는 제품에서 폭넓게 확산되고 있다. 각기 다른 스택을 기반으로 하더라도 블루투스 스마트 레디가 지원되는 제품은 블루투스 스마트로 구동되는 장치와 원활하게 통신이 가능하다.
ANT+와 마찬가지로, OEM은 최종 제품이 다른 모든 유사하게 구현된 디바이스들과 안전하게 통신할 수 있다는 전제하에 원하는 실리콘 벤더의 블루투스 스마트 레디 또는 블루투스 스마트 칩으로 설계가 가능하다. 하지만 일부 블루투스 칩 하드웨어가 다른 칩에 비해 훨씬 뛰어난 것처럼, 모든 블루투스 스택이 동일한 것은 아니다.
프로토콜이 성능 좌우
블루투스 스마트 기술의 가장 중요한 강점은 상호 운용성이다. 이러한 상호 운용성은 OEM 업체들이 어떠한 업체의 블루투스 칩을 선택하더라도 상관없이 다른 모든 블루투스 칩과 통신이 가능하기 때문에 수천만 개에 이르는 ‘에코시스템’ 제품이 구현될 수 있는 토대가 되었다.
하지만 상호 운용성이 모두 동일한 성능을 부여한다고 생각해서는 안된다. 각기 다른 여러 벤더들의 32bit 마이크로컨트롤러의 성능과 마찬가지로, 뛰어난 블루투스 칩도 있지만 그렇지 않은 칩들도 있다.
제조업체의 사양 시트를 자세히 살펴보면, 개발에 도움이 되는 동작 특성이나 기능에 있어 중요한 차이점들이 발견되는데, 이는 사실 단지 일부분에 지나지 않는다. 이와 똑같이 중요한 것은 소프트웨어의 품질 및 유연성, 그리고 최적화 부분이다.
뛰어난 품질의 소프트웨어는 안정적이고 견고하며, 유연한 소프트웨어는 개발을 용이하게 만들어주기 때문에 시장출시 시간을 단축시키고, 비경상 비용을 절감할 수 있으며, 최적화된 소프트웨어는 사용자 만족도를 증대시킬 수 있도록 배터리 수명을 늘리고, 무선 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 소프트웨어는 최신 ULP 무선 SoC의 한 부분을 차지하고 있으며 일반적으로 RF 프로토콜(예를 들어 블루투스 스마트) 및 디바이스가 지정된 최종 기능을 수행할 수 있도록 해주는 OEM 애플리케이션 소프트웨어로 구성된다. 그렇다면 RF 프로토콜 소프트웨어가 블루투스 스마트 솔루션을 선택하는데 어떠한 영향을 미치는 것일까?
고도로 최적화된 소프트웨어
블루투스 스마트 칩 벤더들은 하드웨어 및 RF 프로토콜로 구성된 블루투스 스마트 솔루션을 판매하고 있다. 일부 제조업체들은 자체적으로 모든 것을 개발하는 반면 다른 업체들은 써드파티를 통해 소프트웨어를 소싱한다. 후자의 경우 OEM에게 다소간의 문제를 유발할 수도 있다.
먼저 소프트웨어 벤더는 특정 디바이스에 최적화되지 않은 좀 더 다양한 하드웨어를 겨냥해 제품을 디자인한다.(또한 이러한 벤더는 하드웨어와 호환성 문제가 있을 경우 후에 소프트웨어를 변경하기도 한다) 두 번째, 전자업체들의 기본 속성상 이러한 업체들을 합병하고자 한다.
특정 블루투스 스마트 칩 벤더의 경쟁사가 뒤에 언급한 소프트웨어 공급업체를 인수하고 공급을 중단한다면, OEM 업체는 심각한 생산 중단이 초래될 수도 있다. 또한 이 블루투스 스마트 칩 벤더가 다른 소프트웨어 대안을 소싱한다고 하더라도, 현재 하드웨어와 안정적으로 호환되지 않을 수도 있어 OEM은 디자인을 다시 하거나 지연이 발생할 수 있다.
노르딕 세미컨덕터는 자체적으로 블루투스 스마트 RF 프로토콜을 개발하고 있으며, 이 프로토콜 바이너리 파일을 ‘SoftDevice’라고 부른다. 소프트웨어 팀은 이 프로토콜이 노르딕의 nRF51 시리즈 SoC의 핵심인 ARM 프로세서와 고도로 최적화되어 동작할 수 있도록 하드웨어 그룹과 긴밀하게 협력하고 있다.
또한 하드웨어나 코드 상의 어떠한 변경이 필요한 경우라도 칩의 성능이 저하되지 않도록 구현하기 전에 상대팀과 논의과정을 거친다.
블루투스 스마트 칩의 성능은 프로토콜의 동작이나 효율성에 따라 상당한 영향을 받는다. 노르딕의 S130 SoftDevice는 경쟁사의 소프트웨어보다 정해진 시간 안에 보다 많은 ‘커넥션 이벤트(Connection Events)’를 처리할 수 있다.
따라서 보다 탁월한 대역폭 및 낮은 전력소모(이 칩은 보다 빨리 저전력 대기모드로 전환할 수 있기 때문)를 달성할 수 있다. 비유를 들어 설명하자면, 2개의 서로 필적하는 동일한 내부 엔진이 있고, 각기 조정상태만 다르고, 모두 동일한 방식으로 동작한다고 하더라도 이 중 하나는 다른 엔진보다 더 많은 전력을 소모하게 될 것이다.
OEM 애플리케이션 코드는 무선 칩이 의도된 대로 동작할 수 있도록 RF 프로토콜과 조화를 이루어 작업해야 한다. 모든 것들이 원활하게 동작하도록 2개의 개별 소프트웨어 요소들을 연결하는 것은 어려울 수도 있다.
애플리케이션 코드는 칩 벤더가 의도했던 것보다 프로토콜이 적절하게 동작하지 못하게 할 수도 있으며, 최악의 경우 애플리케이션 코드는 프로토콜 소프트웨어를 변질시킬 수도 있기 때문에 개발자가 처음부터 다시 시작해야 하거나 개발주기를 지연시킬 수 있다.
노르딕은 자사의 nRF51 시리즈를 위해 애플리케이션 코드와 RF 프로토콜이 분리된 소프트웨어 아키텍처를 제공하는 유일한 기업이다. 이러한 구조를 통해 디자이너는 프로토콜이 변질되거나 성능이 저하되지 않도록 자신의 애플리케이션 코드를 안전하게 개발할 수 있다. 노르딕의 개발 툴은 애플리케이션 코드와 프로토콜의 링크를 처리해주며(즉, 디자이너가 수행할 필요없음), 두 소프트웨어 요소들이 고도로 최적화된 상태로 유지되도록 해준다.
블루투스 스마트 솔루션을 선택할 때 마지막으로 고려해야 할 사항은 OEM에게 어떤 방식으로 소프트웨어가 제공되는가이다. 일부 벤더들은 자사의 칩을 위해 ROM-기반 아키텍처를 이용하는데, 이는 칩 제조공정 과정에서 RF 프로토콜이 통합되는 것을 의미하며 고객이나 OEM업체가 OTA(Over-the-Air) 방식으로 소프트웨어를 업데이트하는 것이 불가능하다.
요즘 같은 대량생산 시대에는 이러한 구식이 된 소프트웨어로 인해 OEM 업체들이 자신의 물류창고 안에 수천만 개의 칩을 쌓아두는 사태에 봉착하게 될 수도 있다.
노르딕의 nRF51 시리즈는 플래시-기반 아키텍처를 채택하고 있다. 이러한 구조는 OEM 업체들이 블랭크 상태의 칩을 가지고 있다가 최종 제품을 조립하는 과정에서 칩을 프로그래밍하기 위해 가장 최신 버전의 SoftDevice를 노르딕의 웹사이트에서 다운로드할 수 있도록 해준다.
블루투스 스마트, ANT, 2.4GHz 디자인을 지원하는 nRF51 디자인 키트
이른바 메이커 운동(Maker Movement)이 부상하고 있다. 이 운동은 큰 위험부담을 안고서도 자신이 직접 제품을 만들고 판매하려는 수백만 명에 달하는 소규모 비즈니스 운영자들이 급증하면서 시작되었다. 최신 첨단 기술의 등장은 제조업체들처럼 중개인에 의지하지 않고도 각각의 개인이 고유의 맞춤형 아이템을 그 어느 때보다 손쉽게 만들고 판매하는 것이 가능하게 되었다.
노르딕은 빠르고 쉽고 유연하게 블루투스 스마트 및 ANT+, 2.4GHz 전용 애플리케이션을 개발할 수 있는 저비용 개발키트 플랫폼인 nRF51 DK를 출시함으로써 이러한 메이커 운동 분야에 ULP(Ultra Low Power) 무선 기술을 제공하고 있다.
그렇다고 해서 전문적인 엔지니어들이 nRF51 DK의 혜택을 원하지 않는 것은 아니다. 사용자의 엔지니어링 전문성에 상관없이 DK는 새로운 제품에 ULP 무선 접속을 훨씬 쉽게 추가할 수 있도록 해준다.
노르딕 세미컨덕터의 세일즈 및 마케팅 디렉터인 게이르 랑엘란드(Geir Langeland)는 “nRF51 DK는 블루투스 스마트 및 ANT+, 2.4GHz 전용 무선 제품을 개발하고자 하는 메이커 운동 분야의 아마추어나 전문적인 엔지니어들이 선호할 수 있도록 기술 및 비용 장벽을 획기적으로 낮췄다.”고 설명했다.
게이르 랑엘란드 디렉터는 “블루투스 스마트는 급부상하고 있으며, ANT 및 2.4GHz 전용 애플리케이션 또한 해당 니치 마켓에서 견고한 성장세를 보이고 있기 때문에 어떤 솔루션을 섣불리 단정하여 개발할지를 정하는 것은 쉬운 일이 아니다.”고 지적하고 “nRF51 DK는 이러한 3가지 핵심 ULP 무선 기술을 손쉽게 처리할 수 있기 때문에 사용자가 ULP 무선 기술을 선택할 때 유연성을 극대화할 수 있다.”고 밝혔다.
nRF51 DK는 노르딕의 nRF51 시리즈 SoC(System-on-Chip)에 기반하고 있다. 이 SoC는 ARM Cortex-M0 프로세서를 갖추고 있으며, 블루투스 스마트 및 ANT, 2.4GHz 전용 또는 단일 디바이스 상에 이러한 프로토콜을 결합할 수 있도록 일련의 SoftDevices(RF 프로토콜 및 연관된 매니지먼트 프레임워크를 포함하고 있는 완벽한 스택)를 지원할 수 있다.
nRF51 DK의 크기는 63mm x 101mm이며, 코인-셀 배터리 홀더를 갖추고 있어 애플리케이션의 필드 테스트가 가능하다. 또한 이 DK는 nRF51 시리즈 SoC를 사용하고 있는 다른 타깃 보드를 위한 애플리케이션 다운로드 툴로 사용할 수도 있다.
nRF51 DK와 더불어 함께 출시된 nRF51 Dongle은 활용도가 뛰어난 USB 동글 타입으로, 위에서 언급한 3가지 ULP 무선 기술을 사용하고 있는 어떠한 애플리케이션이라도 개발 및 테스트, 분석이 가능하다.
아두이노 커넥터 호환
nRF51 DK는 아두이노 우노(Arduino Uno) 커넥터 표준과 호환되기 때문에 다양한 써드파티의 아두이노 쉴드 확장 보드를 이용할 수 있다. 아두이노는 8bit 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 오픈소스 전자 플랫폼으로, 모형 제품을 제어하거나 센싱을 추가할 때 간단하게 만들 수 있기 때문에 아마추어 엔지니어나 메이커 커뮤니티에서 널리 사용되고 있다.
nRF51 DK는 모든 디바이스 주변기기 및 인터페이스와 더불어 I/O에 액세스할 수 있으며, 4개의 유저 프로그래머블 버튼과 LED, 그리고 디바이스의 전력소모를 측정하는 전압 및 전류 핀을 갖추고 있다.
nRF51 Dongle은 크기가 16mm x 28mm로, nRF51 시리즈 SoC 상의 표준 소프트웨어를 개발하는데 사용할 수 있다. 이 디바이스는 노르딕의 nRF Sniffer와 MCP(Master Control Panel) 펌웨어 및 소프트웨어와 함께 사용할 때 특히 유용하다. nRF Sniffer는 노르딕 웹사이트에서 다운로드할 수 있는 유틸리티로, nRF51 DK와 함께 사용하면, 블루투스 스마트 패킷을 무선으로 캡처할 수 있다.
정보는 무료로 제공되는 오픈소스 프로토콜 분석 툴인 Wireshark을 이용해 검토 및 분석이 가능하다. 이러한 DK 및 Dongle, 그리고 2개의 유틸리티(노르딕 웹사이트에서 다운로드 가능)는 개발자들이 해당 애플리케이션의 블루투스 스마트 통신을 분석할 수 있도록 해준다.
nRF51 DK는 또한 ARM mbed™ 애플리케이션을 개발할 때에도 사용할 수 있다. ARM mbed는 ARM Cortex-M 시리즈 마이크로컨트롤러를 이용하는 오픈소스 개발자 모임을 위한 사용이 간편한 플랫폼이다.
글 | 존 레오나드(John Leonard), 노르딕 세미컨덕터 기술 마케팅 매니저
자료제공 | 노르딕 세미컨덕터(www.nordicsemi.com)
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