모바일 폰은 지난 20년 간 폭발적인 성장을 거듭하며 우리의 일상에 꼭 필요한 요소로 자리잡았다. ARM은 업계 최고의 전력 효율성을 통해 배터리 수명 극대화에 집중하는 동시에 한층 더 정교한 기능들을 적용하는데 핵심적인 역할을 담당해왔다.

스마트폰의 복잡성이 충분히 인정받지 못하는 경우가 자주 있다. 스마트폰에는 터치 스크린, 센서 처리, 위치, 카메라, 그래픽, 애플리케이션과 같은 기능을 포함해 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), LTE와 같이 계속해서 증가하는 다양한 통신 기술을 관리하기 위해 평균적으로 10개의 ARM 기반 프로세서를 탑재한다.

무선 업계에서 5G라 일컫는 차세대 모바일 브로드밴드 디바이스 표준화에 착수함에 따라, 이 백서에서는 기술 관점에서 그 의미 및 당면하게 될 과제와 활용 사례에 대해 기술했다. 특히 ‘핵심 기술’인 ARM Cortex-R8 실시간 프로세서가 설계의 핵심인 전력 효율성을 유지하면서 새로운 유형의 멀티 기가비트(Multi-Gigabit) 디바이스를 어떻게 구현할 것인가에 대해 살펴본다.

 

빠르게 진화하는 모바일 브로드밴드
모바일 브로드밴드는 계속해서 발전하고 있으며 새로운 활용 사례들이 등장하고 있다. 5G의 등장으로 서비스 무중단(always on), 항상 인터넷에 연결된 세계(always connected world), 그리고 이러한 세계와 상호 작용하는 새로운 방식이 생겨날 것이다.

멀티 기가비트 서비스와 함께 5G는 또한 낮은 쓰루풋의 에너지 제약적인 디바이스, 일명 사물 통신(Massive Machine-Type Communications, 이하 mMTC)도 구현하게 될 것이다. mMTC는 5G로 향하는 기반 기술인 LTE Cat-0와 NB-IOT와 같은 표준으로 현재 LTE에 구현되기 시작했다.

5G를 생각하면 바로 떠오르는 것은 모바일 디바이스다. 현재 스마트폰이 제공하는 경험의 수준을 고려할 때 5G는 어떤 차이를 가져오게 될 것인가? 5G 표준화에 대한 수 많은 제안들이 네트워크 효율성에 중점을 두고 있고, 대부분 급증하는 모바일 데이터 양과 수요에 대응할 방법을 찾는데 주력하고 있다.

멀티 기가비트 서비스는 개인 사용자들이 디지털 콘텐츠를 거의 즉각적으로 다운로드하고 초저지연(ultra-low latency) 통신을 통해 가상현실(VR)이나 증강현실(AR)과 같은 서비스를 구현하고 새로운 차량용 애플리케이션을 가능하게 만들 것이다.

또한 기존 모바일의 한계를 넘어 5G는 다양한 부가 서비스를 위한 핵심적인 기반 기술이 될 것으로 전망한다. 5G는 의사와 의료진들이 5G 디바이스를 통해 멀리서도 환자를 관리할 수 있는 원격 진료를 가능하게 할 것이다. 이를 통해 누구나 접근할 수 있는 헬스케어 시스템과 복지를 제공하기 위한 진정한 기회를 마련하게 된다.

저탄소 경제는 지난 10년 간 선진국에서 직면한 가장 어려운 과제 중 하나였다는 사실에는 이견이 없다. 효율적이면서 신뢰할 만한 무선 인터넷의 확산은 효율성과 높은 수준의 관리와 통합을 제공하여 저탄소 경제를 실현하는데 기여하게 될 것이다.

5G는 지능형 가로등 관리, 원격 배출 모니터링, 대중 교통, 공공 정보와 같이 사람들의 일상 생활에 영향을 줄 수 있는 수많은 가능성을 지니고 있다. 5G 네트워크 아키텍처 자체도 에너지 소비를 절감하고 이동 통신 업체들의 운영 비용(OPEX)을 절감해 탄소 배출량도 획기적으로 줄일 수 있다. 

또 5G는 가정과 자동차에 대한 새로운 경험을 제공할 것으로 기대된다. 5G는 모바일 인터넷을 능가하는 기술로 여겨진다. 5G의 예상 능력과 낮은 레이턴시는 기존의 4G나 Wi-Fi 서비스로는 가능하지 않았던 다양한 방식으로 도입이 가능해질 것이다.

예를 들어 커넥티드 카와 자율 주행 분야는 안전성과 충돌 방지와 같은 애플리케이션 개발을 위해 높은 신뢰도와 낮은 레이턴시를 갖춘 무선 통신에 크게 의존하는 핵심 영역이 될 것이다. 이와 관련한 활용 사례는 5G를 통해 등장하게 될 것이다. 


차세대 디바이스의 가능성
주파수(spectrum)은 소중한 자산이며 지난 10년 간 모바일 서비스에 대한 수요가 급증하면서 무선 주파수(radio spectrum)의 수요도 함께 폭발적으로 증가했다. 일반적으로 무선 주파수는 TV, Wi-Fi, Bluetooth나 모바일 폰과 같이 서로 다른 용도에 적용될 수 있는 블록(block)이나 반송파(carrier)로 나뉘어진다.

다양한 용도별로 주파수를 할당하는 것은 미국의 연방통신위원회(FCC)와 영국의 방송통신규제위원회(OFCOM)과 같은 규제 기관에서 지역적으로 관리되고 있다.

모바일 폰의 초창기 시절에는 주파수를 할당하는 일이 비교적 단순했고 특성에 따라 매우 적은 주파수를 소비하는 음성 서비스를 제공하는 용도로 주파수 블록이 경매를 통해 자주 할당되었다. 스마트폰의 등장 이후로 10년이 지나는 동안 상황은 달라졌으며 더 많은 주파수가 모바일 브로드밴드 서비스를 위해 사용됐다.

일반적으로 사용자에게 제공되는 전송률이 높아질수록 해당 서비스를 제공하기 위해 사용되는 주파수도 증가한다. 또한 여기에 이용자 수를 곱하면 모바일 데이터에 대한 주파수 수요가 공급량을 앞지르는 것을 매우 빠르게 목격하게 될 것이다. 이러한 수요의 증가는 전통적인 방식의 주파수 할당으로는 따라잡을 수 없다.

이와 같은 상황을 염두에 두고 업계는 어떻게 해야 모바일 브로드밴드 경험을 제공할 수 있으며, 모바일 기기가 해결해야 하는 기술적 과제라는 측면에서 이러한 추세가 어떤 의미를 갖는 것일까?

다중입출력(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO)으로 불리는 첨단 안테나 기법을 결합한 캐리어 어그리게이션(Carrier Aggregation, CA) 기술은 이러한 어려움을 완화하고 보다 효율적인 서비스 제공하기 위해 사용된다. 3G 시스템에서 LTE로 전환하면서 그 어느 때보다 데이터 속도가 빨라졌다.

보다 발전된 모듈화와 MIMO 기술이 미치는 영향도 어느 정도 있었지만, 가장 큰 이유는 효율적인 조각 스펙트럼(fragmented spectrum)을 활용할 수 있도록 발전한 CA로 인해 처리량이 가속화된 것이다.

면허 대역(licensed band)은 지정된 용도로 사용이 제한된 주파수의 일부분이다. 예를 들어 주파수 블록이 모바일 서비스 용도로 제한되고 특정 이동 통신사에게 할당되는 것이다. 면허 대역은 통신 사업자가 해당 주파수에 대한 완벽한 통제권을 부여해 서비스 품질(Quality of Service, QoS)과 공급을 관리할 수 있다는 장점이 있다.

면허 대역의 한계는 계속해서 증가하는 모바일 데이터와 급증하는 가입자 수를 충족시키기엔 너무도 희귀한 자원이라는 점이다. 이를 해결하기 위해 기업은 기존의 면허 대역 서비스와 함께 비면허 대역(unlicensed band)을 활용할 수 있는 방안을 모색하고 있다. 

예를 들어 디바이스가 Wi-Fi는 물론이고 새로운 LTE-비면허(LTE-Unlicensed) 기술과 같은 기술들에서 면허 대역(종종 제어 채널로서)과 비면허 오프로드(unlicensed offload)를 함께 사용할 수 있도록 CA에 비면허 대역을 포함시키는 움직임이 점차 늘어나고 있다.

3GPP에서 이루어진 LTE 표준 발전 중 나머지 상당 수는 이들 비면허 오프로드 기법의 관리에 초점을 맞추고 있다. 5G는 엄청난 잠재력을 지니고 있지만 아직 그 표준은 정의되지 않았다. 앞서 살펴본 것과 같이 5G의 표준이 규정되면 향후 20년 간 사람들의 일상 생활에 대해 새롭고 한층 향상된 활용 사례를 제공하는 디지털 서비스 시대를 열게 될 것이다.

5G의 핵심 기술은 새로운 변조(modulation) 기술과 매우 정교한 MIMO 기술을 통해 희귀한 주파수 자원의 효율성을 극대화하고 기존 LTE 기능에 비해 최대 50배 높은 쓰루풋(Throughput)을 제공한다.

5G는 지금의 LTE 수준을 훨씬 뛰어넘어 매우 광범위한 주파수 대역을 지원한다. 향상된 성능의 차세대 서비스를 개발하는 동시에 모든 대역의 통신 기술을 조화시키고 효율성을 극대화하기 위해 5G 개발을 지원하는 것이다. 광대역 서비스를 제공하는 서브 기가헤르츠(sub GHz) 대역부터, Wi-Fi를 통해 광범위하게 사용되는 근거리 기가헤르츠(GHz) 대역에 이르기까지 다양한 5G 구축 시나리오가 예상된다.

또한 5G는 아직 활용도가 떨어지는 30GHz 이상의 밀리미터 웨이브(mm wave) 대역의 활용 가능성을 열어줄 것으로 기대되고 있다. 이들 대역은 종종 5G와 함께 멀티 기가비트(Gbps)에 이르는 쓰루풋을 제공할 수 있다. 밀리미터 웨이브 대역의 결점은 수신 범위(coverage)이다. “시야 내”에 있거나 몇몇 기지국에서 20~30미터 내에 있는 디바이스만 작동할 것으로 예상하고 있으며, 그 자체가 5G 도입이 직면할 어려움을 야기하게 될 것이다.

그렇다면 5G는 미래에 등장할 스마트폰에 어떤 의미인가? 특히 모뎀 베이스밴드 처리와 관련해선 어떤 의미를 갖는가? 시장 동향을 되돌아보면 시스템온칩(SoC) 설계자들이 이러한 새로운 요구 사항을 충족시키는 과정에서 직면하는 3가지 주요 사안에 대해 확인할 수 있다.

- 계속해서 통신 속도는 가속화되고 있으며 머지 않아 LTE 기반의 기가비트 서비스가 등장할 것으로 전망되며 5G에서 쓰루풋은 10~20 Gbps 수준이 될 것이다.

- CA의 대폭적인 증가. 궁극적으로 처리량과 네트워크 용량은 보다 더 정교한 CA를 통해 지원된다. 병렬 구조로 다수의 무선 접속 베어러(Radio Acess Bearer, RAB) 역할을 담당하는 핸드셋 모뎀 프로세서에 고도의 처리 복잡성을 야기한다. 이 주제는 5G와 LTE-Advanced Pro와 같이 발전하는 LTE 기술에 대한 핵심 논제로 남을 것이다.

- 에너지 효율성 향상과 핸드셋의 배터리 수명 극대화를 위한 지속적인 노력. 새롭게 발표되는 통신 기술들로 인해 사용자 경험이 저하해서는 안되며 그와 같은 핸드셋 모뎀은 에너지 효율성이 설계의 핵심이 되어야 한다.

이 글의 후반부에서 설명하고 있듯 ARM Cortex-R8 프로세서는 설계자들이 이러한 요구를 충족하는 동시에 현재 멀티 모드 디바이스에서 의무적인 규정으로 남아 있는 3G 및 LTE와 같은 이전 세대 기술에 대한 하위 호환성과 레거시 지원을 유지하는 독보적인 입지를 확보하고 있다. 

 

차세대 모바일 브로드밴드의 핵심 기술, Cortex-R8 발표
Cortex-R8 프로세서는 ARM에서 공급하는 최고 성능의 실시간 임베디드 프로세서이다. 입증된 기술을 기반으로 개발되었으며 완전히 새로운 차원으로 성능을 강화했다.

프로세서 파이프라인에는 최고 성능의 애플리케이션 프로세서를 위해 개발된 많은 ARM 기술들이 채택되었으며, 최고 성능을 제공하면서도 강력한 실시간성(hard real-time)에 대한 요건을 충족하도록 이러한 기술들을 적용하였다.

강력한 실시간성의 의미는 새로운 크리티컬 이벤트를 정해진 최대 지연(worst case delay)내에 처리 가능하게 프로세서가 매우 빠른 속도로 작업의 전환이 가능하다는 것이다. 최대 지연은 일반적으로 단 몇 나노 초에 불과하며 해당 시스템의 다른 부분에서 인터럽트(Interrupt) 발생 시 매우 신속하게 진단 및 조치를 취할 수 있도록 한다.

LTE-Advanced Pro와 5G 모뎀의 Layer-1 제어 작업(Control task)은 다양한 반송파와 초고속 데이터 전송 속도를 처리하게 될 것이다. 따라서 프로세서는 매우 높은 클록 주파수(clock frequency)에서 작동하고 작업(Task) 사이의 전환이나 들어오는 이벤트를 매우 신속하게 처리할 수 있어야 한다.

WiFi와 같은 비면허 반송파는 LTE보다 훨씬 빠른 데이터와 패킷 속도를 제공하며, 이렇게 다양한 반송파를 통합하고 관리하기 위해서는 특수한 프로세서가 필요하다. Cortex-R8은 총 11단계로 이루어진 파이프라인을 통해 필요한 성능을 매우 빠른 클록 속도로 제공할 수 있다.

파이프라인은 ‘비순차적(out-of-order)’으로 일부 명령이 느려진 외장 메모리 시스템에서 데이터를 대기할 때에도 다른 처리 작업이 지속될 수 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 파이프라인 지연 시간을 크게 줄이고 최고 성능을 제공할 수 있다.

Cortex-R8은 TCM(Tightly Coupled Memory)을 개선하여 고속 메모리에 더 많은 코드와 데이터를 탑재할 수 있다. 이로 인해 주요 경로와 데이터에 대한 접근 지연 시간이 없어지게 된다. 캐시가 프로세서에 의해 관리되는 것과 달리 TCM은 개발자에 의해 관리되며 주요 명령과 데이터 구조를 즉시 이용할 수 있다. 모뎀에는 몇몇 매우 중요한 실시간 루틴(Routine)가 존재하며 기타 루틴은 중요도가 낮고 백그라운드에서 실행할 수 있다.

Cortex-R8은 최대 4개 프로세서를 단일 클러스터에 통합할 수 있다. 모뎀의 경우, 이들 프로세서는 일반적으로 최고의 효율성을 위해 비대칭 처리 모드(Asymetric processing)로 실행되며, 모바일 폰이 운휴(Idle) 모드일 때 프로세서의 전력을 끄고 쓰루풋이 증가하면 추가 프로세서의 전력을 껴서 배터리 수명을 크게 연장시킬 수 있다.

이와 같은 구성 용이성으로 모뎀 개발자들은 다양한 LTE 카테고리를 처리하는 다양한 모뎀을 개발할 수 있으며 단 한번의 투자로 성능을 확장할 수 있다.

Cortex-R8는 나머지 모뎀 시스템에 대한 다양하고 유연한 인터페이스 포트를 구현한다. 외장 하드웨어 및 액셀러레이터를 제어하는 전용 포트는 이들 복합 시스템에서 최고의 성과를 달성할 수 있도록 최저 대기 시간 제어 기능을 제공한다.

하지만 Cortex-R8는 모뎀 설계만을 위한 것이 아니다. 이와 같은 업계 최고 수준의 성능은 HDD 및 SSD와 확장 가능한 성능이 필요한 여타 임베디드 실시간 플랫폼 등과 같은 엔터프라이즈 스토리지 제품 모두에 이상적이다. Cortex-R8은 새로운 오류의 검출, 교정 및 방지 체계를 구현함으로써 최고 수준의 신뢰성을 보장한다.

 

글 : 데이빗 메이드멘트 / 모바일 부문 마케팅 엔지니어 / ARM
 닐 어드뮬러 / 수석 제품 마케팅 매니저 / ARM
자료제공 : ARM <www.arm.com>

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