논리적으로 프로그래머블 로직 디바이스 이해하기

글쓰기에 대한 격언 중, ‘네가 아는 것을 적어라’라는 말이 있다. 엔지니어로써, 필자는 엔지니어링에 대한 글을 부탁받았다.

필자는 최근 엔지니어로서의 일 외에, 또 다른 일을 할 수 없는 지에 대한 요청을 받았다. 바로 한 대학에서 형이상학과 인식론에 대한 강의를 진행할 수 있는가에 대한 것이었다. 물론 필자는 엔지니어링 학위 외에, 철학 학위도 있기 때문에 이런 어려운 단어를 익히 본 적이 있었을 뿐 아니라, 무슨 뜻인지도 알고 있다. 형이상학은 현실에 대한 연구이며, 인식론은 지식에 대한 고찰이라는 식으로 말이다.

당신과 나, 그리고 아리스토텔레스: 지식과 논리

이 강의를 준비하면서, 필자는 강의 주제를 준비하고, 이 주제에 대한 생각을 정리하고 지식을 북돋울 책을 읽어야만 했다. 형이상학과 관련해 가장 유명한 필독서는 아리스토텔레스(BC384~BC322)가 기원전 350년에 집필한 ‘형이상학’이라는 책이다. 아리스토텔레스는 이 책에서 “모든 사람은 자연스럽게 지식을 추구한다(Book 1, Part 1, 980a.21)”고 말한다.

이 주제에 대한 연구를 진행함에 있어, 논리에 대해서도 필연적으로 연구해야 하며, 추론의 방법론 또한 사용해야 한다. 이 부분에서 아리스토텔레스가 또 한번 도움이 된다. 특히 오르가논(Organon, 기관이나 악기, 도구 등을 뜻하는 그리스어)에서 그가 쓴 글을 통해 논리의 이해에 대한 그의 영향력과 분류 방법에 대해 연구했다.

여러분 중 많은 사람들이 아리스토텔레스와 지식, 논리에 대해 배우기 위해 이번 봄에 시작하는 필자의 철학 강좌를 수강하지는 않을 것이다. 그러나 다른 많은 엔지니어와 마찬가지로 프로그래머블 솔루션 분류에 대한 논리와 특정 분류를 구분하는 방법에 대해 더 많이 알고 싶을 수도 있을 것이다.

프로그래머블 로직 디바이스

프로그래머블 로직 디바이스(Programmable Logic Device, 이하 PLD)는 논리적인 기능을 수행하기 위해 사용자가 구성하거나 재구성할 수 있는 회로를 말한다. 오늘날의 기술 영역에서 PLD의 영향력은 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 핵심적인 부분을 차지하고 있음을 통해 확인할 수 있다.

• 커뮤니케이션
• 데이터센터
• 제조 기술
• 오토모티브 기술

PLD가 적용된 전자 시스템 내에서 일반적으로 다음과 같은 3가지 구성 요소를 쉽게 찾아볼 수 있다.

• 마이크로프로세서: 제어와 연산
• 메모리: 저장
• 로직: 관리와 조작

PLD의 세가지 형태

PLD는 FPGA(Field-Programmable Gate Array)와 CPLD(Complex Programmable Logic Device), 그리고 SoC(System-on-Chip) FPGA(SoC FPGA는 이외에도 프로그래머블 SoC, 게이트 어레이 SoC, 게이트 어레이 프로그래머블 SoC 등 다양한 이름으로 불린다) 등 크게 3가지 형태로 구분할 수 있다.

우선 PLD라는 약자에 대해 우선 알아보자. 일반적으로 단일 디바이스 내에서 마이크로프로세서의 기능을 결합하는 것이 바람직하다. 이는 Arm 프로세서와 같은 하드 임베디드 프로세서 코어와 프로그래머블 로직이 포함된 메모리 기능을 사용함으로써 구현할 수 있다. 결론적으로 이것이 바로 SoC FPGA(이는 필자가 개인적으로 선택한 용어다)다.

CPLD와 FPGA는 모두 PLD로 분류되지만, 이들은 모두 표준 반도체 IC(Integrated Circuit) 또는 칩이기도 하다. CPLD는 FPGA와는 달리 작고 단순하고 논리적인 작업이 적합하며, 기성품으로 만들어진 IC를 인터페이스하기 위해 글루 로직(Glue logic, 또는 커스텀 로직 회로)이 필요한 적용 분야에 활용된다. CPLD와 FPGA는 논리 동작의 수행에 있어서 내부적인 아키텍처가 서로 다르다. CPLD는 LUT(Look-up Table)를 사용하지만, FPGA는 AND나 NAND, OR, NOR 게이트의 조합으로 논리 회로를 구성한다.

일반적으로 비휘발성 메모리로 인해 CPLD는 전원이 인가될 때마다 플래시할 필요가 없다. 이는 보안 측면에서 많은 이점을 제공한다. 예를 들어 인텔 MAX CPLD 제품군은 중요한 시스템 정보를 저장하기 위해 8Kb의 비휘발성 메모리를 제공한다. 지난 2014년에 발표된 인텔의 MAX 10 FPGA는 통합과 FPGA 기능 측면에서 한단계의 도약을 의미했다.

MAX 10은 새로운 비휘발성 PLD를 대표하면서, CPLD의 고유한 영역이었던 부분을 대체해 나가기 시작했다. 이 혁신적인 단일 칩(듀얼 구성)은 외부 플래시의 지원 없이 플래시와 ADC(Analog-to-Digital Converter), RAM, DSP(Digital Signal Processor) 기능을 통합하고, 실리콘 속도(Instant-on)로 동작한다. 인텔의 FPGA 디자인에 대한 새로운 접근방식은 보다 우수한 디자인 유연성과 BOM(Bill of Material) 비용 절감, PCB(Printed Circuit Board) 크기의 감소, 시스템 안정성의 향상과 보안의 강화 등의 특징을 제공했다.

FPGA는 높은 수준의 복잡성과 광범위한 통합 기능을 제공하도록 설계됐으며, 동시에 표준화된 구성과 부품 번호를 갖추고 있다. FPGA는 제품을 커스터마이징하거나 시장 출시에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 유연성을 제공한다. 설계가 성공적으로 완료되면, FPGA는 대량생산에 적합한 특성을 갖추게 된다. 바로 반복성이 매우 높을 뿐 아니라, 소프트웨어 재프로그래밍을 통해 디바이스의 많은 전기적 기능을 간단하게 변경할 수 있기 때문이다.

ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)이나 ASSP(Application-Specific Standard parts)에 비해 FPGA는 선행 투자비용의 절감과 출시 소요 기간의 단축, 디자인 유연성의 향상 등의 장점을 제공한다. 프로그래머블 솔루션은 고객들에게 낮은 비용과 전력 소모와 같은 장점을 제공한다. 동시에 이런 솔루션은 복잡성의 증가나 출시 소요기간의 단축, 특정 요구에 맞춘 커스터마이징 솔루션에 대한 높은 요구, 그리고 시장 가격 압박 등에 대한 지속적인 부담을 느끼는 디자인에서 향상된 성능과 디자인의 집적도를 높일 수 있는 방법을 제시한다.

FPGA는 I/O를 통한 확장성을 제공해 용량에 대한 스트레스를 크게 줄일 수 있으며, 특히 필요에 따라 다양한 인터페이스를 제공하는, 비용효율적인 애플리케이션별 특화된 주변기기 세트를 제공한다.

특정 애플리케이션 분야에 따라 커스터마이징할 수 있는 기능은 특히 와트당 애플리케이션 성능을 극대화해 성능을 향상시킬 수 있게 한다. FPGA는 변화에 대한 매우 뛰어난 적응력을 제공한다. 이는 고객들이 항상 최신 버전의 부품을 공급받을 수 있게 해, 재고 위험을 낮출 수 있으며, 제품의 마이그레이션이나 업데이트를 통해 하드웨어의 노후화를 완화할 수 있게 해 준다.

아리스토텔레스로 돌아가자

아리스토텔레스는 오래 전에 갔지만, 그의 사상과 생각은 그의 글을 통해 여전히 생명을 이어나가고 있다. 그는 과거에서 현재에 이르기까지 우리의 사상에 큰 영향을 미치고 있다. 필자가 아리스토텔레스의 사상과 생각에 어느정도까지 근접하고 있는지는 알 수 없지만, 한가지 사실만은 알고 있다. “당신은 디자인 엔지니어로써, 그리고 한 명의 사람으로써, 선천적으로 알고, 이해하고자 한다”는 사실을 말이다.

당신은 당신의 아이디어와 생각의 논리적인 연장으로써 디자인하기를 원할 것이다. 이제 당신의 생각과 사고의 날개를 마음껏 펼칠 수 있기를 바란다. 만약 PLD가 디자인을 충족시키고 향상시킬 수 있는 하나의 방법이라면, 창의적인 제한 없이 이런 논리 디바이스를 성공적으로 활용할 수 있기를 바랍니다.

어쨌든 아리스토텔레스는 ‘우수한 사람이 좋은 삶을 살 것(니코마코스 윤리학)’이라고 믿었습니다. 한 명의 엔지니어로써, 나는 논리적 사고를 통해 논쟁해야 할 대상은 누구인지 생각해 보시기 바랍니다.

Written by 폴 골로타(Paul Golata) & Provided by 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)

폴 골로타는 마우저 일렉트로닉스의 선임 테크니컬 콘텐츠 스페셜리스트로써 전략적인 리더십과 전술적 실행, 첨단 기술 관련 제품에 대한 전반적인 제품군 구성과 마케팅 방향을 주도하는 데 성공적으로 기여해 왔다. 그는 엔지니어들이 마우저 일렉트로닉스를 선호하도록 만드는 독특하고 가치있는 기술 콘텐츠를 통해 최신 정보를 제공해 왔다.

[편집자 주] 본 기사는 글로벌 전자부품 유통회사인 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)의 후원을 바탕으로 진행되는 EPNC의 단독 외부 기고입니다.