자동차 기술의 발전을 뒷받침하는 전자 기술

자동차용 반도체 개발 동향

www.freescale.com반도체 업계는 지난 40여 년간 집적도 면에서 괄목할만한 성장을 경험했다. 지난해는 무어의 법칙이 발표된 지 40주년이 되는 해였다. 때로 무어의 법칙은 다른 분야에서 기술의 짧은 주기를 설명하는 데 사용되기도 한다. 반도체 산업의 패러다임을 일상생활에 적용하는 데 따른 영향을 보여주는 예로 2005년 SIA 연례 보고서가 있다. "1978년, 뉴욕과 파리를 오가는 민간 항공편 요금은 900달러였고 7시간이 걸렸습니다. 무어의 법칙이 항공 산업에 적용되었다면 현재 이 항공편은 약 1센트의 요금으로 1초 이내에 비행할 수 있었을 것입니다." 분명히 항공 업계는 이런 식으로 무어의 법칙과 연계를 시도하지 않겠지만 다른 여러 업계는 이를 시도해왔다.자동차 업계의 경우 임베디드 프로세싱 기능의 확장에 따라 커다란 혜택을 입었으며, 일부 차량은 최대 60개의 프로세서를 사용하고 있다. 새로운 차량 기능에 대한 요구가 증가함에 따라 시스템 성능 향상과 신뢰성 강화가 촉구되고 있다. 엔진 기술을 발전시키고 궁극적으로 ‘친환경 차량’을 개발하려면 현재의 기술적 장벽을 해결할 수 있는 새로운 접근 방식이 필요하다. 반도체는 고전압 전력 반도체, 새로운 메모리 기술, 임베디드 프로세서의 성능 향상, 타이밍 제어 기능의 개선 등을 통해 여러 가지 전기적 문제 해결에 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것이다.최신 반도체 기술은 차체 전장 업계가 안고 있는 기존의 기술적 장애를 해결할 수 있는 흥미로운 기회를 제공할 것이다. 현재 차량 전용 32비트 마이크로컨트롤러에는 3,000만개 이상의 트랜지스터가 집적되어 있으며, 앞으로 몇 년 안에 6,000만개 이상의 트랜지스터가 통합될 것이다.향후 수년 동안 시스템 집적도가 증가됨에 따라 점점 복잡해지는 시스템에서 반도체의 모든 기능을 구현하려면 새로운 기술이 필요할 것으로 예상된다. 반도체 기술의 발전으로 인해 10여 년 전만 해도 상상할 수 없었던 두 가지 새로운 기능과 특성이 가능하게 되었다. 첫째, 첨단 엔진의 파워트레인 시스템 관련 요구에 대응하는 새로운 실시간 멀티 코어 디버그, 캘리브레이션, 하드웨어 인더루프(hardware-in-the-loop) 인터페이스가 개발되었다. 둘째, 플렉스레이(FlexRay) 사양과 함께 자동차 전자제어장치(ECU)와 ECU 간의 통신 요구에 대응하도록 새로운 네트워크 프로토콜이 특별히 고안되었다.일부 엔진기술의 진보는 100년 이상 지난 콘셉트를 기반으로 하고 있다. 앳킨슨(Atkinson) 엔진은 1800년대에 고안된 파워트레인 기술의 예이지만, 최근에서야 전자기술을 통해 경제적으로 실현할 수 있게 되었다. 전자제어시스템의 발전으로 인해 4행정 앳킨슨 사이클 엔진의 5단 작동 방식이 일부 하이브리드 차량에서 뛰어난 선택으로 재조명되고 있다. 앳킨슨 사이클 엔진은 저속 토크와 고단 출력이 떨어지는 대신 연비가 높은 것이 중요한 장점이다. 일반적으로 이러한 성능저하는 문제가 될 수 있지만, 전기모터 차량에서 전반적인 목표가 효율성일 경우 앳킨슨 엔진이 하이브리드 차량을 적절히 보완할 수 있다. 엔진 특성과 출력 토크에 적합하게 제어시스템을 조정해야 하지만 그로 인해 일부 하이브리드 차량의 경우 기존 차량보다 뛰어난 가속력을 달성할 수 있다.실린더 비활성화는 지난 30년간 때때로 시도되어온 기술이다. 연료 가격이 상승하고 강력한 임베디드 프로세서가 개발됨에 따라 실린더 비활성화 기술에 대해 자동차 제조업체와 최종 소비자가 새롭게 관심을 갖게 되었다. 임베디드 프로세서는 엔진 타이밍을 제어하여 토크 요구량을 파워트레인의 연비에 맞게 제어하는 데 사용된다.경량급 차량에서 중량급 트럭에 이르는 다양한 파워트레인을 채택한 무공해 디젤엔진이 시판될 예정이다. 일부 지역의 경우 정부 규제에 따라 디젤엔진의 공해 배출량을 최소화해야 한다. 실린더 내 연료 직접분사방식과 미립자 필터를 통한 배기가스 정화장치를 사용할 경우 인젝터와 센서에서 미립자 필터의 상태를 감지할 수 있는 정밀한 타이밍제어가 필요하다.이러한 문제로 인해 제품화 기간 단축, 비용 절감, 신뢰성 향상, 지속적인 기능 추가가 필요하므로 엔지니어링 팀이 뛰어난 적응력을 발휘해야만 하게 되었다. 자동차 시장에서 엔진 관리용 임베디드 제어 기술은 아주 복잡한 일련의 전자기계시스템 요구사항을 포함하고 있다. 고객의 기대치 증가와 정부 규제로 인해 엔진 관리 기술이 진보되고 있다. 린번(lean burn) 엔진, 캠리스(camless) 엔진 등의 엔진 기술 변화와 전기 하이브리드 차량이 장래 자동차 내부 파워트레인 전장기술에 직접적인 영향을 줄 것이다. 연속 가변 변속기가 미래의 파워트레인 시스템에서 중대한 역할을 하게 된다. 또한 새로운 마이크로컨트롤러기술과 반도체 솔루션이 새로운 기술을 현실화하는 데 필요한 기술발전에서 중대한 부분을 차지하게 될 것이다.그림 1은 엔진 관리의 복잡성을 보여주는 예이다. 이 블록도는 다수의 입력과 여러 출력 디바이스가 포함된 일반적인 엔진제어 솔루션이다. 입력단은 시스템에 대한 영향에 따라 다양한 수준의 인터럽트 또는 예외를 발생시킨다. 출력 디바이스로는 펄스 폭 변조(PWM), 범용 I/O 또는 시간제어(timed) I/O를 사용할 수 있다.멀티 코어 실시간 디버그 인터페이스실시간 디버그는 때로 개발 도구의 검사에 따라 임베디드 프로세서의 성능이 수정 또는 중단되는 상황을 감내하지 못하는 전자기계시스템을 디버깅 및 캘리브레이션할 때 필수적인 기능이다. 현재 시스템 엔지니어들은 불과 몇 년 전만 해도 불가능했던 개발 도구의 발전된 기능을 활용할 수 있다.IEEE-ISTO Nexus 5001 컨소시엄 또는 넥서스포럼은 다양한 프로세서 코어 유형 전반에 걸친 실시간 데이터 및 명령 추적 문제를 해결하기 위해 창설된 단체이다. 넥서스포럼은 1999년에 최초 사양을 발표했으며 2003년에 업데이트를 발표했다.넥서스 5001 사양에는 비간섭적인 디버그 기법을 사용하여 데이터와 명령에 중단점 및 감시점을 설정할 수 있는 표준 기능이 포함되어 있다. 또한 이 사양에 따라 가장 까다로운 S/W 및 H/W 버그까지 추적할 수 있는 여러 가지 고유 기능이 배포된다. 새로운 기능 중 일부로는 소유권 추적 메시지 관리, 데이터 추적, 메모리 대체, 포트 교체, 프로그램 추적, 오버런 및 오류 메시지 관리 기능이 포함된다. 이 기능 중 다수가 지난 수년간 마이크로 프로세서에 적용되어 왔지만 이러한 기능 모두와 실시간 디버그 인터페이스를 구현한 제품은 없었다.지난 10년 간의 캘리브레이션 및 디버깅 방법론은 파워트레인 시스템의 디버그와 캘리브레이션에 ‘모든 사이클 확인 필수’라는 고정관념을 심어왔다. 넥서스 5001의 방법론은 ‘모든 사이클 확인 필수’라는 고정관념에서 탈피하여 디버깅 시나리오에 대해 네 가지 가정을 수립한 것이다.1. 개발 도구에서 소스 코드와 객체 코드를 확인할 수 있다. 따라서 프로그램이 직접 주소 또는 데이터 버스 가시성 없이 진행되는 경우에도 호스트 기반 도구를 통해 추적 또는 계산이 가능하다.2. 대상 시스템에서 개발 도구에 전달되는 흐름 명령에만 변경이 필요하다. 호스트 캘리브레이션/디버깅 도구에서 객체 코드를 액세스할 수 있다면 디버깅 인터페이스를 통해 전송되는 흐름 명령 주소만을 변경하여 임베디드 프로세서와 호스트 도구 간에 적절한 동기 상태를 유지할 수 있다. 넥서스 5001 사양에 따르면 255회의 명령 내에 흐름 변경으로 인해 동기화 주소가 강요되지 않은 경우 동기화 메시지가 전송된다.3. 제한적인 수의 데이터 위치만 실시간으로 표시되어야 하지만, 중단 상태 또는 특별 이벤트로 인한 업데이트 도중에는 대부분의 데이터 값을 검사할 수 있다. 넥서스 5001 인터페이스의 데이터 값 추적 역량은 대부분의 엔지니어에게 낯선 기능일 것이다. 때로 이 기능은 주소 버스를 추적하고 데이터 버스에 트리거를 발생시키는 강력한 로직 분석기가 특정 메모리 위치에 쓰기 작업을 하는 방식으로 구현된다. 이는 아주 부담스러운 작업으로 대용량 데이터 캐시와 시스템 SRAM 온칩이 일반화되면서 거의 불가능하게 되었다.4. 오류가 발생하는 경우 디버깅 환경에서 사용자에게 통보를 전달해야 한다. 넥서스 5001 사양은 트랜스미터 부분에서 가변 크기 FIFO 버퍼를 제시하고 있다. FIFO 오버플로가 발생하면 인터페이스에서 오류 상황을 전송한다. 사용자는 오버플로 오류 상황이 발생하면 임베디드 프로세서의 실효를 강요하거나 새로운 동기화 메시지로 계속하도록 선택할 수 있다.표 1에 제품 등급에 따른 기본적인 넥서스 기능과 특성이 요약되어 있다. 넥서스 사양의 전체 기능이 필요하지 않은 칩 디자인의 경우 네 가지 클래스로 분류된 다양한 기능을 선택할 수 있다. 클래스 3은 단일 포트를 통해 실시간 명령 및 데이터 추적 기능을 제공한다.넥서스 5001 포트는 개발 도구, 하드웨어 인더루프 또는 캘리브레이션 도구에 의해 포착되는 정보의 양을 기준으로 구성될 수 있다. 여러 IC 공급업체가 넥서스 5001 사양을 휴대 전화에서 자동차, 하드디스크 드라이브 컨트롤러, 비디오 프로세서에 이르는 다양한 분야에 사용되는 다수의 CPU 아키텍처에 적용해 왔다.멀티코어 실시간 인터페이스는 최근 PowerPC 아키텍처 호환 아키텍처용으로 개발되어 단일 인터페이스로 실시간 디버그, 캘리브레이션, 신속한 모형 개발, 하드웨어 인더루프기능을 제공하고 있다. 그림 2에 넥서스 5001 표준을 기반으로 하는 멀티 코어 디버그 아키텍처의 네 가지 프로세싱 요소에 대한 블록도가 나와 있다.첫 번째 버전은 네 가지 데이터 프로세싱 요소에 대한 실시간 인터페이스를 지원한다. 네 가지 프로세싱 요소는 e200z 파워 아키텍처 호환 코어, 듀얼 E-TPU(Enhanced Timer Processor Unit), DMA(Direct Memory Access) 장치이다. 호스트 도구가 클래스 3 넥서스 5001 인터페이스상의 단일 연결을 통해 네 가지 프로세싱 요소의 일부 또는 전체에서 동시에 데이터를 수집할 수 있다. 또한 디버그 및 캘리브레이션 도구가 네 가지 프로세싱 요소 중 하나에 데이터(또는 명령에 대한 중단점) 또는 감시점을 구축할 수 있다. 이 기능을 활용할 수 있는 사례로는 엔지니어가 E-TPU상의 시간제어 이벤트와 PowerPC e200 ISA 호환 Book-e 프로세싱 코어에서 실행되는 코드 사이의 문제를 추적하는 경우를 들 수 있다.복잡한 수학 함수를 지원하는 부동 소수점 장치 또는 SIMD (Single Instruction-Multiple Data) 장치가 포함된 32비트 임베디드 프로세서를 구현할 수 있다. SIMD는 다수의 데이터 세트에 대한 단일 명령 수행을 지원하며 필터 및 배열 수학 방정식에 아주 유용하다. 넥서스 디버그 포트는 부동 소수점 및 SIMD의 데이터 및 명령 모니터링을 지원한다.자동차 통신 분야 로드맵오늘날 최고급 차량에는 5km에 이르는 배선이 사용되기도 한다. 적절한 네트워크 시스템을 구축하면 기존 차량에서 사용되는 지점간(point-to-point) 통신 방식으로 인한 추가적인 복잡성, 무게, 비용을 대부분 줄이고 간소화할 수 있다. 플렉스레이는 많은 차세대 분야에서 최적의 네트워킹 솔루션으로 채택되고 있다.CAN은 10년 이상 ECU 모듈 통신의 기반 역할을 해왔다. 하지만 CAN은 일부 주요 영역의 한계로 인해 업무 핵심 분야에 적합한 솔루션을 제공하지 못하고 있다. 이에 플렉스레이라는 새로운 고속 자동차 네트워킹 프로토콜이 업무 핵심 통신전용으로 특별히 개발되었다. 플렉스레이의 주요 특징은 다음과 같다.쪾동기 및 비동기 데이터 전송쪾5 Mbit/s의 높은 순 데이터 전송률, 약 10Mbit/s의 총 데이터 전송률쪾확정적(deterministic) 데이터 전송 방식, 최저 메시지 대기 시간 및 메시지 지터 보장쪾예비 전송 채널 지원쪾하드웨어적에서 구현되는 내결함성 및 시간 트리거 방식 서비스쪾신속한 오류 감지 및 신호 처리쪾내결함성 동기화 글로벌 시간축 지원쪾독립적인 ‘버스 가디언(Bus Guardian)’을 통한 물리 계층상의 오류 억제쪾중재 없는 전송쪾광학 및 전기적 물리 계층 지원쪾버스, 스타, 복수 스타 토폴로지 지원플렉스레이는 차세대 '전자화(by-wire)' 자동차 분야에 적합하게 특별히 설계된 네트워크 통신 시스템이다. 전자화 분야에는 확정적이고 내결함성이 있으며 분산제어 시스템을 지원할 수 있는 고속의 버스 시스템이 필요하다.플렉스레이 프로토콜에는 단순한 내결함성 통신 프로토콜 이상의 기능이 포괄되어 있다. 플렉스레이에는 특별히 설계된 고속 트랜시버와 다양한 플렉스레이 노드 구성요소 간의 하드웨어 및 소프트웨어 인터페이스에 대한 정의가 포함되어 있다. 또한 플렉스레이에는 자동차 네트워크 시스템 내부 통신 프로세스의 프로토콜 형식과 기능이 정의되어 있다.차량 ECU 간의 강력한 통신 기능과 높은 데이터 전송률을 필요로 하는 새로운 분야의 등장으로 인해 전자화 분야가 시장을 주도하게 될 것이다. 플렉스레이는 기본적으로 약 10Mbit/s의 데이터 전송률을 목표로 하고 있지만, 프로토콜 자체는 미래의 훨씬 높은 데이터 전송률을 지원하도록 설계되어 있다.플렉스레이를 동기 데이터 전송 모드로 운영할 경우, 메시지가 확정적이 되며 메시지 대기 시간과 메시지 지터는 내장된 표준 기능으로 보장된다. 시간축은 내결함성 예비 동기화 클록에 의해 제어된다. 플렉스레이 클록은 사전 정의 방식의 엄격하고 정밀한 범위 내에서 모든 네트워크 노드의 일정을 유지할 수 있는 글로벌 시간축으로 사용된다.물리 계층은 통신 컨트롤러에 장애가 발생하는 경우에도 데이터가 충돌되지 않도록 보장하는 독립적인 버스 가디언으로 작용한다. 전자화 시스템이 알려진 시간 범위 내에서 메시지가 전송되도록 보장하는 통신 프로토콜에 의해 연결된 분산형 시스템에 정보를 보관할 수 있어야 한다.플렉스레이는 광학 및 전기적 물리 계층을 모두 지원하도록 설계되어 현재는 물론 미래에도 배선 시스템을 유연하게 선택할 수 있다. 플렉스레이 시스템은 완벽한 예비성으로 싱글 채널 버스에서 듀얼 채널 멀티 스타 토폴로지에 이르는 네트워크를 지원한다. 플렉스레이에 대한 자세한 내용은 플렉스레이 웹 사이트(www.flexray.com)에서 확인할 수 있다.MPC5500 제품군의 최신 자동차 전용 임베디드 프로세서는 새로운 엔진 기술을 지원한다. MPC5500 SIMD 장치에 DSP 기능이 통합됨에 따라 첨단 엔진 노킹 감지, CVT 및 6단 자동 변속기 개선 등의 영역에서 파워트레인 시스템이 발전하고 있다. 뿐만 아니라, DSP 기능이 하이브리드 전기 차량의 전력 인버터 모듈에서 대형 트랙션 모터를 제어하는 데 사용되고 있다.새로운 마이크로 컨트롤러, I/O 시스템, 개발 도구, 통신 방법론, 첨단 수학 기능이 개발됨에 따라 새로운 자동차 적용 분야가 지원될 것이다. 실시간 멀티 코어 디버그 기능을 갖춘 임베디드 프로세서가 개발됨에 따라 기존 주행 제어 디버그 방법론에서 탈피할 수 있게 되었다.임베디드 프로세서는 현대적인 일상생활 양식의 일부가 되어왔다. 대부분의 임베디드 프로세서는 설계적인 측면에서 일반 기술 사용자의 눈길을 끌지 못한다. 반도체 기술은 가까운 시기에 집적도와 성능을 획기적으로 개선하여 시스템 비용을 절감하는 데 기여하게 될 것이다. 설계 엔지니어들은 복합 반도체 기술을 완벽하게 활용할 수 있는 새로운 기법을 도입해야 하며, 반도체 공급업체는 기술이 시스템 요구사항, 성능, 시스템 비용 간에 균형을 이루도록 보장해야 한다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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