실모바일 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 ‘5G’라 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.
지난 글에 이어 이번에는 차세대 모바일 브로드밴드 경험 제공을 위한 5G 인프라 구축에 필요한 다양한 장비들에 대해 알아보겠다.
차세대 모바일 브로드밴드 경험 제공
고효율의 최적화된 새로운 5G용 무선 인터페이스와 5G 인프라 요구 사항을 지원하게 될 수정된 네트워크는 하드웨어와 소프트웨어의 근본적인 복잡성을 추상화하는(abstract underlyaing complexity) 간소화된 관리와 오케스트레이션(orchestration) 계층을 구축하는 기능을 제공해야 한다.
새로운 5G 인프라를 성공적으로 구축하기 위해서는 다양한 장비들이 필요하다. 지리적 위치나 클라우드 무선 접속망(Cloud RAN)과 같은 기술, 분산형 콘텐츠 전송, 확장형 제어 네트워크, 적응형 안테나 어레이 등이 필요할 것이다. 예를 들어 Cloud RAN은 혁신적인 신기술로 다수의 기지국과 관련 제어 네트워크가 ‘클라우드’를 사용하기로 한 곳에 제공된다.
Cloud RAN, 분산형 콘텐츠 전송, 확장형 제어 네트워크 전반의 새로운 플랫폼 요구 사항을 충족하기 위해 다음과 같은 새로운 기술들을 활용하여 획기적인 성과를 이루어냈다.
- 소프트웨어 정의 네트워킹(Software Defined Networking, SDN)은 네트워크에서 확장형 연결 기능을 제공하고 오래된 레거시 네트워크를 간소화하기 위한 새로운 방법이다. SDN은 오픈 네트워킹 재단(Open Networking Foundation, ONF)에서 최초로 개발한 표준으로서 제어 플레인을 데이터 플레인에서 분리하여 네트워크의 추상화 계층을 제공한다.
네트워크 관리와 운영을 여러 네트워크 계층과 시스템으로 분산하는 것이 아니라 중앙 집중화할 수 있다. 단순한 추상화 소프트웨어 계층(abstraction software layer)을 통해 중앙 집중화된 제어는 운영비용(OpEx)의 감소와 자동화, 제어 유연성, 기민성 및 애플리케이션 혁신의 증대와 같은 혜택을 준다. SDN은 장비가 네트워크 인프라에 연결되는 방식을 변화시키게 되며, 이에 따라 엑세스 및 어그리게이션 노드 간의 연결도 발전하게 될 것이다.
- 네트워크 기능 가상화(Network Function Virtualization, NFV)는 전용 하드웨어 기기의 레거시 기능을 보다 표준화된 서버나 스위치, 스토리지 요소로 이전할 수 있도록 한다. 이렇게 새로운 기능들이 소프트웨어에 도입됨에 따라 NFV는 데이터센터의 플랫폼이나 네트워크 노드, 고객 사이트에 설치될 수 있어 글로벌 네트워크의 효율성을 활용할 수 있다.
따라서 NFV는 전용 및 단일 용도의 하드웨어에 대한 의존도를 줄여 자본 지출(CapEx)과 OpEx 절감과 같은 혜택을 준다. NFV를 이용해 보다 신속하게 구성, 테스트 및 통합을 수행하여 서비스의 시장 출시 시간을 단축할 수 있다. 대기 시간에 민감한 많은 5G 기능과 활용 사례들을 지원하기 위해서는 NFV 구현이 가상화된 네트워크 기능들을 가능한 접속 네트워크 엣지 가까이로 이동시켜 네트워크 인프라 전반의 과잉 전송을 방지하는 모바일 엣지 컴퓨팅(Mobile Edge Computing)과 같은 기술을 활용하고 최적화된 네트워크 오프로드 기능들을 통합해야 한다.
- 분산화 정보. 네트워크에서 분산된 정보를 지원하여 주요 결정 지점이 클라우드 내에 이미 구축된 가용 자원 전반으로 분산될 수 있다. 워크로드 최적화 하드웨어와 소프트웨어가 네트워크 전반의 분산된 지점에서 네트워크, 스토리지 및 컴퓨팅 기능을 실행하는 데 사용된다.
이기종 프로세싱 기능을 갖춘 고직접 SoC 기반의 워크로드 최적화된 하드웨어는 네트워크 내 모든 지점(가장 전력 제한적이거나 폼팩터 제한적인 로케이션으로 축소한 경우에도)에 인텔리전스를 부여할 수 있다. 공통 소프트웨어 플랫폼으로 개발자들과 IT 사용자들은 보다 신속하게 서비스를 배포할 수 있다.
- 스토리지 네트워크와 서비스가 5G로 발전함에 따라 인프라 네트워크 내에 스토리지가 통합될 것으로 예상되고 있다. 일반적으로 데이터센터 내에 ‘클라우드 기반’ 스토리지가 있는 것을 연상하지만, 점차 네트워크 모든 노드로 스토리지 마이그레이션이 이루어 지고 있다. 5G 요구 사항의 핵심에는 고대역폭, 낮은 레이턴시 서비스가 있다.
이는 무선 인터페이스 라디오 측면에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전체 네트워크에서 푸시백을 발생시키게 된다. 엣지로의 스토리지 분산 및 인텔리전스 푸시는 라운드 트립 지연을 최소화하고 필요한 분야에 서비스와 인텔리전스를 전달함으로써 이들 목표를 달성할 수 있도록 지원한다.
이러한 기술 표준과 아키텍처는 차세대 인프라 네트워크나 지능적이면서 유연한 클라우드의 기반을 이루고 있다. 이는 쉽고 신속하게 다양한 네트워크 요구 사항을 처리하고 무선 인터페이스별 5G 과제를 해결할 수 있는 유연성을 갖췄다. 또한 기업, 고객 및 네트워크 데이터를 활용하여 기존 서비스를 향상시킬 수 있으며 매우 혁신적이고 경쟁력 있는 새로운 서비스를 생성하는 토대라는 점에서 지능적이다.
ARM과 협력 업체들은 5G를 향한 여정을 수행하는 데 따른 다양한 요구를 관리하는 공통의 ARM 기반 프로세싱 플랫폼을 제공하고 있다.
왜 네트워크 인프라 내에서 ARM Cortex-A 시리즈 프로세스를 이용해야 하는가?
ARM은 네트워크 인프라에 대한 요구는 물론, ARM의 로드맵을 이끄는 미래의 요구를 충족하는 프로세서와 인터커넥트 IP를 제공하고 있다. 이와 같은 제공의 핵심은 Cortex-A72, Cortex-A53, CCN 인터커넥트 제품군과 같은 다양한 Cortex A 프로세서 코어와 캐시 일관성 인터커넥트이다.
이기종 CPU, DSP 및 기능별 액셀러레이터 코어의 조합을 제공하기 위한 새로운 SoC 플랫폼은 5G 구축을 위한 쓰루풋 요구 사항, 대기 시간 및 유연성을 충족하는 데 필수적이다. 점차 많은 기능들이 단일 SoC에 집적되고 이들은 일반적으로 데이터 채널 페이로드(data channel payload), 컨트롤 플레인 트래픽(control plane traffic), 프론트엔드 프로세싱(front-end processing), 사용자 스케줄링 등 다수의 트래픽 유형을 처리하게 될 것이다.
이와 같은 통합 및 고성능 SoC에 대한 트렌드에 따라, 한차례씩 집중적으로 발생하는 고속 트래픽 페이로드와 대기 시간에 민감한 트래픽을 지원하는 프로세싱 요소 조합이 프로세서 코어와 지능형 시그널 처리 요소를 통해 등장하게 될 것이다.
네트워크 인프라 애플리케이션들은 모든 특정 SoC 디바이스상에서 이용할 수 있는 여러 코어 클러스터에서 제어 플레인 처리(control plane processing), 패킷 또는 백홀(backhaul) 처리 및 이벤트 또는 트래픽 스케줄링 등 서로 다른 수준의 3개 기능을 조합하고 있다.
5G 코어 장비에서 제공하는 이러한 기능들은 5G 기지국 장비에서 매우 다양하게 조합될 것이다. 설계자들은 시장에서 요구하는 시점에 원하는 기능을 제공하기 위해, 요구되는 프로세싱을 처리할 수 있는 최고의 프로세서 기능 조합을 결정해야 한다.
제어 플레인(Control Plane): 제어 플레인 기능은 패킷당 최대 정보 처리의 양을 필요로 하며 대개 ‘RTC(Run to Completion)’ 모드에서 할당된 패킷 당 평균 수만 개의 명령어를 필요로 한다. 비순차적(Out-of-order) 및 계층형(Multi-stage)파이프라인이 매우 효과적으로 활용될 수 있다.
가상화 기능을 갖춘 고성능 코어는 제어 플레인, 콘텐츠 전송망(Content Delivery Network, CDN)와 고성능 단일 스레드를 요구하는 기타 기능의 요구를 충족할 수 있다. 제어 플레인에서 실행되는 애플리케이션에는 NFV, 클라우드와 엣지 네트워크를 위한 CDN, 그리고 더 많은 성능을 필요로 하는 새로운 통신 기술이 포함된다.
데이터 플레인(Data Plane): 네트워크의 엣지는 수백 Mbps에서 Gbps 수준의 데이터 처리를 필요로 한다. 억세스/클라우드 세그먼트(access/cloud segment)은 1~수십 기가비트 데이터가 입력되고 있고, 코어(core)는 20~수 백Gbps를 처리한다. 제어 플레인과는 달리, 주요 과제는 백홀된 트래픽의 버스트(bursts of backhauled traffic)를 해결하고 헤더를 처리하며(processing the header) 패킷 누락 없이 데이터를 버퍼로 보내는 것이다.
이는 완전히 다른 프로세싱의 조합을 포함하고 있다. 많은 데이터 플레인 설계는 이러한 기능을 위해 전용 DSP를 사용하며 ARM AMBA 인터커넥트를 통해 이들 데이터 플레인 프로세서에서 SoC 시스템으로 인터페이스한다. DSP는 데이터 플레인 처리를 위한 전용 및 최적화된 명령 세트를 제공하며 CPU에서 많은 전력을 소비하는 연산 집약적인 기능들을 오프로드(offload)한다.
컨트롤 처리를 위해 패킷당 수만 개의 명령을 사용하는 것과 달리 패킷 처리에 패킷당 수백 개의 명령만을 사용하게 된다. 데이터 패킷 처리를 위한 캐시(명령, 데이터, L2 및 L3) 및 외장 메모리에 대한 액세스도 컨트롤 처리를 위한 것과는 다르다.
가장 큰 차이점 중 하나는 데이터 및 제어 처리에서 나타난다. ARM은 ‘stateless’와 ‘stateful’라는 용어를 이용해 이를 구분하고 있다. Stateless 처리는 대량의 코어를 사용하여 SoC로 들어오는 패킷 스트림을 처리한다. 각 코어는 ‘RTC(run to completion) 모드’에서 실행되어 헤드를 분류하고 메모리로 패킷을 덤프한다.
각 패킷은 독립적으로 실행되며 코어는 이전 패킷에 대해 전혀 알지 못한다. 코어의 수와 인터커넥트의 크기는 인터페이스의 속도에 따라 쉽게 확장된다. 이에 반해 Stateful 처리는 패킷의 히스토리가 중요한 보다 높은 수준의 의사 결정에 사용된다. 일반적으로 제어 플레인 내에서 플로우와 세션이 관리될 수 있다.
스케줄링(Scheduling): 5G 시스템의 또 다른 과제는 앞서 두 과제와 배치된다. 가용 무선 인터페이스 대역폭에 따라 사용자들의 네크워크 접근을 스케줄링해야 하는 사용자 접속 스케줄의 경우, 대기 시간이 핵심 관건이다.
예를 들어 LTE의 경우, 무선 인터페이스상에 저마다의 고유 시간대로 일정을 관리해야 하는 수백 명에 이르는 가입자가 존재하며 이러한 모든 작업은 5G 표준의 시간 제한에 따라 다수의 코어에서 처리되어야 한다. 여기에는 많은 우선 순위 계산, 수신과 전송 작업 일정 관리, DSP, 프로세서 및 메모리로 송수신되는 신호 등을 포함한다. 따라서 이기종 아키텍처에서 많은 코어를 사용하고 이들 간의 컨텍스트를 전환할 수 있는 기능이 필수적이다.
기술 요구 사항: 5G와 같은 새로운 무선 인터페이스에 의해 지능형 커넥티드 디바이스의 데이터 소비량이 급증하면서 시스템 설계자들은 동일한 전력과 설비를 가지고 더 향상된 성능을 제공해야 하는 압력을 받고 있다. 이로 인해 새로운 설계들이 고안되고 있다. ARM은 고성능의 다중 코어 프로세서를 지원하기 위해 IP를 개발해왔다.
물리적 및 논리적 IP의 최적화된 성능과 일관성 인터커넥트는 모두 이와 같이 매우 유연한 이기종 아키텍처를 지원하며 5G를 위한 성능 요구 사항을 충족하도록 보장하는 데 핵심적인 역할을 하게 될 것이다. Cortex-A72, Cortex-A53와 같은 새로운 ARM 프로세서는 차세대 SOC 설계를 위한 와트당성능 및 성능 확장성 목표를 달성할 수 있도록 했다.
또한 완벽하게 지원되는 소프트웨어와 툴 에코시스템을 갖춘 업계 표준 명령어 셋 아키텍처(Instruction Set Architecture, ISA)를 통해 SoC 설계 담당자들은 현재 R&D 예산 확보에 난항을 겪고 있는 상황에서 보다 신속하게 제품을 시장에 출시하고 높은 부가가치와 차별화된 애플리케이션 기능을 개발하는데 R&D 예산을 편성할 수 있게 되었다.
요약
지난 20년 간, ARM은 모바일 혁신의 중추적인 역할을 담당했다. 초기 2G 핸드셋에서 시작해 3G, 그리고 LTE에 이르기까지 셀룰러 모뎀의 핵심으로 ARM의 기술을 적용한 200억 대 이상의 핸드셋이 출하되었다. ARM 기반 모뎀으로 인해 오늘날 사람들이 일상 생활에 크게 의존하고 있는 스마트폰 개발이 가능해졌다.
LTE가 성숙 단계에 이르면서 모든 디지털 생활의 측면을 연결하려는 꿈이 현실로 이루어졌다. 이메일, 뉴스, 소셜 미디어와 같은 정보 기반의 서비스를 넘어 건강, 복지, 의료 등 일상 생활의 모든 부분에 관여하는 새로운 활용 사례들이 속속 등장하고 있다. 디바이스 폼팩터가 바뀌고 기존 스마트폰이 한계를 넘어서기 시작했지만, 웨어러블과 같은 새로운 애플리케이션들은 우리의 일상 생활로 자연스럽게 스며들고 있다.
모바일 시장에서 다음 10년 동안 어떤 것들이 나타나게 될까? 서비스에 대한 수요가 높아지면서 사람들을 지원하는 네트워크의 용량에 대한 요구도 높아지고 있다. 더 효율적인 무선 스펙트럼 활용이 핵심적인 관건이며 이는 업계의 5G 무선 시스템에 대한 연구로 이어지고 있다. 전 세계가 더 광범위한 IoT 범주에서 연결되면서 더 많은 사용자와 사물이나 디바이스들을 지원하기 위해 더 큰 용량의 모바일 네트워크가 필요하다.
더 효율적인 자원 활용과 모니터링, 원격 진료를 통해 누구나 접근할 수 있는 헬스케어 시스템 또는 커넥티드 카를 실현함으로 저탄소 경제를 실현하는 것은 지속적인 모바일 혁신을 통해 얻을 수 있는 혜택 중에서 일부에 불과하다.
ARM은 이와 같은 이점을 실현하는 통신 기술을 개발하고 있고 차세대 모바일 디바이스를 위한 ‘핵심 기술’로서 더욱 고도화된 처리 기능을 제공해야 할 필요가 있다. 이러한 비전을 이루기 위해 ARM Cortex-R8 프로세서는 에너지 효율적인 실시간 프로세싱을 통해 설계되었다. 이를 통해 디바이스 제공업체들과 OEM 업체들은 5G가 가진 잠재력을 실현할 수 있게 되었다.
글 : 데이빗 메이드멘트 / ARM 모바일 부문 마케팅 엔지니어 / ARM
글 : 닐 어드뮬러 / ARM 수석 제품 마케팅 매니저 / ARM
자료제공 : ARM <www.arm.com>
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