이동통신 시스템에서 FPGA의 역할

2부: 휴대전화의 진화와 모바일 컨버전스의 조건

이동통신 시장의 초기에는 시스템 자체가 고가이다 보니, 초기 알테라 제품이 이동통신 시스템에 쓰일 때만 해도 전체 시스템 비용에서 차지하는 비중이 상당했음에도 불구하고 가격적인 측면에서 그다지 문제가 되지 않았다. 이 시절에 FPGA가 담당하는 기능적 요소는 그다지 복잡하거나 고성능을 요구하는 것도 아니어서 디바이스 자체의 기술적인 한계로 인한 문제는 거의 없었다고 해도 과언이 아니다.하지만, 요즘은 어떤가? 동기식 CDMA 계열에서는 IS-95에 이어 CDMA2000-1x, EV-DO로 이어지고 비동기식 WCDMA에서는 Rel99에 이어 HSDPA/HSUPA로 이어지면서 이동통신 시스템이 전반적으로 업그레이드되고 있다. 이에 따른 처리속도의 증가로 인해 FPGA가 여러 가지 기술적인 도전에 직면하고 있다. 그러한 도전은 크게 세 가지 정도로 분류해 볼 수 있다.가장 큰 변화는 동작속도이다. 진화하는 시스템들이 목적으로 하는 데이터 전송률이 수 메가 bps에 이르면서 내부적으로 처리해야 하는 동작속도도 100MHz를 훌쩍 넘기가 일쑤이다. FPGA의 성능은 반도체 공정과 밀접하게 관련이 있기 때문에, 결국 반도체 공정이 얼마나 빠르게 개선되는가 하는 것이 새로운 디바이스의 성능을 좌우하는데, 시스템의 진화가 이러한 사이클보다 빨라지게 된다면 FPGA로서는 당연히 성능적인 문제에 부딪히게 된다.다행이 FPGA는 여러 반도체 디바이스 중에서 새로운 공정을 가장 먼저 사용하는 부품이기 때문에 현재까지는 최종 제품 요구사항에 선행하고 있기는 하다. 하지만, 제품 개발자들이 늘어나는 성능요구 때문에 설계단계에서 적잖은 고충을 겪고 있다.그 다음으로 여러 가지 기능적 요구를 들 수 있다. 단순한 로직 구현에서 복잡한 알고리즘의 구현으로 용도가 업그레이드되면서 곱셈기, 메모리, PLL, 고속 시리얼 I/O 등 이전에 단순한 구조의 로직 배열을 넘어서 독립적인 하드웨어 코어를 내장하여 성능 및 기능적인 면에서 최대의 효율을 발휘하기 위한 고민을 하고 있다. 이러한 기능들의 적절한 조합을 찾아서 모든 애플리케이션을 만족시킬 수 있는 최종 디바이스로 출시하는 것은 범용 디바이스라는 FPGA의 속성상 그리 간단한 문제가 아니다.예를 들어, 이동통신기지국에 있어서 아날로그 IF를 대체하는 Digital IF를 설계한다든지, 아니면 직접 베이스밴드 모뎀을 설계한다든지, 또는 기지국 내의 각 보드를 연결하는 고속 인터페이스를 설계한다든지 하는 측면에서 FPGA에 요구되는 기능은 각각 다르기 때문에 하나의 디바이스로 모두 만족시키기란 쉽지 않다. 그렇기 때문에 각 벤더에서는 특화된 디바이스 제품군을 따로 출시하는 것이다.또 다른 도전은 디바이스 가격이다. 이것은 어쩌면 가장 큰 도전일 수도 있는데, 거슬러 올라가면 이동통신 시스템이 점점 더 가격에 민감한 제품이 되어가고 있다는 데서 그 이유를 찾을 수 있다. 이동통신 시스템 시장이 안정기에 접어들면서 시스템의 성능이나 다양한 기능보다는 기본적인 기능에 충실하고 상대적으로 낮은 비용으로 통신 시스템을 구축하고자 하는 요구가 발생하면서 이동통신 시스템 시장이 그야말로 가격경쟁이 치열한 단계로 접어들게 된 것이다. 그리고 국내시장의 포화로 인한 해외시장의 개척이 절대적으로 필요한 시점에서 경쟁 국가의 다양한 제품, 특히 중국의 저가형 제품과의 경쟁을 위해 시스템 비용을 낮추는 것은 이제 무엇보다도 중요한 부분이 되어버렸다.이러한 추세는 FPGA에도 영향을 주어 지속적이고 거센 가격인하 압력을 받고 있다. 이러한 가격을 결정하는 가장 큰 요인도 역시 반도체 공정에 따른 대량생산성 여부인데, 최근에 90nm/300mm 웨이퍼 공정을 사용하고 있어 웨이퍼 당 반도체 다이(die) 수를 늘리는 방법으로 그러한 변화에 대응하고 있다. 하지만 매년 달라지는 가격 요구 조건으로 인해 탄력적인 대응을 하는데 어려움이 있다. 그래서 FPGA 업계에서는 크게 성능을 중시하는 디바이스군과 가격을 중시하는 디바이스군 등 크게 두 가지의 접근을 시도하고 있다.하지만 이러한 접근방법에도 약간의 문제가 있는 것이 저가의 디바이스군은 고성능의 디바이스군에 비해 구조가 상대적으로 단순하고 다양한 기능을 갖추지 못하기 때문에 때로는 성능 자체에서, 때로는 기능적인 측면에서 이동통신 시스템의 요구조건을 만족시키지 못하는 경우가 종종 발생한다.이외에도 여러 가지 크고 작은 도전이 있지만, 이것은 같은 디바이스라고 하더라도 그것을 사용하는 제품의 다양성만큼이나 다르다는 것을 독자들은 잘 알고 있으리라 판단된다.이동통신 시스템의 변화와 FPGA의 대응이제 앞서 언급했던 여러 가지 도전을 알테라가 어떻게 대응하고 헤쳐 나가려고 하는지에 대해서 소개한다.반도체 공정과 FPGA알테라는 전통적으로 대만의 TSMC와 오랫동안 파트너십 관계를 맺고 대부분의 제품을 생산하고 있으며, 새로운 기술이 개발되었을 때 바로 제품에 적용할 수 있을만큼 밀접한 관계를 맺고 있다. 또한 단일 Fab을 사용함으로써 제품간 신뢰성을 높이고 안정적인 공급을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.Stratix/Cyclone 디바이스는 0.13μm 공정에서 매우 성공적으로 데뷔한 제품으로서 현재 전세계 많은 이동통신 시스템에서 사용되고 있으며, 현재 양산중이거나 양산 준비중인 제품단계에서 알테라의 주력 디바이스로 자리매김하고 있다. 이어 출시한 StratixⅡ/CycloneⅡ는 90nm 공정을 기반으로 한 제품으로서 현재 대부분의 프로토타입 단계 제품에 적용되고 있으며 상대적으로 높은 성능과 낮은 가격으로 호응을 얻고 있다. 하지만 이러한 공정의 변화와 더불어 중요한 것은 양산성의 척도인 반도체 수율(yield)이다.FPGA는 여러 반도체 제품 중에서 다이 자체의 크기가 큰 편에 속하기 때문에 상대적으로 생산과정에서의 오류 확률이 상대적으로 높은 것이 사실이다. 이것을 보완하기 위해 알테라에서는 Redundancy를 두는 기술을 개발하여 특허확보를 했다. 이것은 반도체 다이의 일부에 오류가 났을 때, 그 부분을 비활성화하고 미리 준비해 둔 redundancy를 활성화하여 다이의 수율을 높이는 방법으로 상당히 큰 효과를 거두고 있다. 이것이 곧 가격경쟁력으로 이어진다.FPGA에 내재되는 여러 가지 기능앞서 언급한 대로 FPGA가 점점 복잡한 디자인을 수용함으로써 성능과 기능적인 측면에서 몇몇 블록들을 하드웨어적으로 따로 집적하는 노력을 하고 있는데, 그림 3에서 보듯이 기존의 단순한 로직의 반복이 아닌 하나의 디바이스 내에 DSP 블록, Tri-Matrix 구조의 메모리, PLL, High-Speed Serial I/O 등을 포함하고 있다.여기서 DSP 블록은 곱셈기/적산기/덧셈/뺄셈기/파이프라인 등을 포함한 상위 개념의 블록으로서 대부분의 DSP 알고리즘이 곱셈/덧셈 등의 산술적 연산으로 이루어지기 때문에 보다 효율적이고 고성능의 DSP 알고리즘 구현에 적합하게 되어 있다. 현재 이동통신기지국의 Digital IF의 DUC/DDC(Digital Up Converter/Down Converter), Power Amp를 위한 CFR(Crest Factor Reduction), DPD(Digital Pre-Distortion)나 베이스밴드 모뎀 등에서 중요하게 사용되고 있다.High-Speed Serial I/O는 기지국 내 각 보드의 연결을 위한 수단으로 사용되는데, 이것은 기지국이 성능향상을 거듭함에 따라 전송해야 할 데이터량과 데이터 레이트가 기하급수적으로 증가하여 기존의 백플레인을 통한 버스 방식의 전송에 한계가 발생했기 때문이다. 그리고 전체적인 시스템 설계를 단순화하기 위하여 링크 자체의 수를 줄이고 있기 때문에 Serial interface를 선호하게 되었는데, 이에 따라 수 Gbps의 트랜시버가 사용되고 있다.이것을 구현하기 위해서 전용 칩을 사용하기도 하지만, FPGA가 보편화되면서 부품 수를 줄이고 비용을 절감하기 위해 FPGA 내의 트랜시버를 사용하는 것이 점차 추세가 되고 있다. 그림 5는 알테라 StratixGX 내의 Gigabit Transceiver 블록을 보여주고 있다.또한 기지국 디자인의 개방화 추세로 인해 보드간 intercon- nection에 대한 국제규약을 마련하고, 이를 준수하고자 하는 움직임도 활발하다. OBSAI/CPRI와 같은 규격이 그것이다. 알테라는 이러한 규격 표준화에도 참여하여, 이 규격을 만족시키며 많은 개발현장에서 실제 적용중에 있다.디바이스 외적인 솔루션들전통적으로 FPGA 업체라고 하면 머릿속에 떠오르는 이미지가 디바이스와 개발소프트웨어이다. 그러나 알테라는 이 두 가지

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