FPGA
점점 진화하는 FPGA 제품들은 모바일 시장의 저전력 요구에 직면하고 있다. 그러나 전력에 민감한 설계를 할 때, FPGA 선택을 희망하는 엔지니어들은 난관에 부딪혀 왔다. 플래시 기반형 FPGA는 SRAM 기반형 FPGA에 대한 저전력 대안 제품으로 각광받고 있을 뿐 만 아니라 ASIC 및 CPLD가 접근할 수 없는 차별성, 즉 저전력 특성을 실현시킨다..
글 : 웬디 록하트 / 디자인 솔루션 마케팅 수석 매니저
액텔 / www.actel.com
에너지 효율적인 동적 고속 설계를 비롯해, 배터리 및 전력에 민감한 애플리케이션 분야의 급속 성장은 전세계적으로 저전력 반도체 요구를 창출했다. 저전력 반도체에 대한 요구는 오늘날 업계를 주도하는 요소 가운데 하나이므로 전체 시스템 소비전력을 제한하는 엄격한 설계 규격과 표준에 직면한 시스템 엔지니어에게 엄청난 부담을 주기도 한다. 밀리와트 혹은 마이크로와트라고 해도, 이는 휴대형 디바이스 설계자에게 전력 예산에 대한 핵심적인 고민을 가중시킬 수 있다.
그러나 이와 동시에, 더욱 우수한 기능 및 성능, 유연성에 대한 요구를 충족시키기 위한 논쟁들이 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 요구는 배터리를 더 소모하지 않거나 비용을 증가시키지 않고 충족되어야 한다. 이 같은 설계의 트레이드오프를 관리하는 것은 휴대폰에서부터 의료용 장비에 이르기까지 오늘날의 모든 전자제품 분야에 종사하는 시스템 엔지니어에게 주요한 관심사가 되고 있다.
대안을 찾아서
이 문제를 해결하기 위해, 지금까지 설계자는 저전력 제약을 준수하기 위해 FPGA가 아닌 ASIC에 의존하고 있었다. 그러나 ASIC은 엔지니어에게 방해 요소가 될 수도 있다. ASIC을 사용하게 되면 시장출시 시간이 길어지고, NRE(non-recurring engineering) 부담이 커지면서, 변화되는 표준과 최신 설계 변경을 따르는 유연성이 부족하다는 것을 체감하게 된다. 따라서 하드 와이어 ASIC은 제품 수명 주기가 짧은 애플리케이션의 경우 위험성을 더욱 동반하여 비실용적일 수 있다.
비슷하게 일부 저전력 애플리케이션에서는 CPLD를 사용하고 있지만, 가격이 높고 고급 기능에 적용하기 어렵기 때문에 효율성이 저하된다. CPLD는 오늘날의 대부분의 애플리케이션에서 요구되는 고집적, 유연성 혹은 정교함을 제공하지 않는다.
FPGA를 살펴보자. 점점 더 많은 설계자들은 저전력, 재프로그래밍이 가능한 솔루션을 찾고 있다. 따라서 설계자들은 진화하는 표준에 적용할 수 있으며 시장 출시를 더욱 빠르게 하며 풋프린트 및 필수 소비 전력을 제공할 수 있다. 관심사항들이 민감하게 변화하기 때문에, 시장조사기관 아이서플라이(iSuppli)는 향후 몇 년 내에 200억 달러 규모의 ASIC 시장 중 약 30억 달러가 저전력 FPGA 솔루션으로 이동할 것으로 예측했다.
그러나, 모든 프로그래밍이 로직이 저전력 요구를 충족시키지는 않는다. SRAM 기반형 FPGA 기술은 정적 소비 전력이 매우 높다. 저전력 SRMA 기반 FPGA일지라도 배터리 구동식 애플리케이션에 규격화된 것 보다 10배 더 많은 전력을 사용한다. 이러한 저전력 FPGA의 일부는 30mA 이상을 사용하며, 이것은 일반적인 전력 민감형의 배터리 구동식 애플리케이션이 견딜 수 있는 수치보다 더 높을 수 있다. 스타트업일 때, SRAM 기반형 디바이스는 인러쉬 및 부트업 컨피규레이션 파워 스파이크를 발생시키며, 이로 인하여 배터리의 과도 사용 및 시스템의 오동작을 경험할 수도 있다.
전력 문제
일단 FPGA가 켜져서 컨피규레이션이 되면, 소비전력은 정적 및 동적(액티브라고도 불림)의 2가지 기본 형태를 갖는다: 정적 소비전력은 파워 업 되고, 컨피규레이션 된 후, 아무것도 수행하지 않을 때 FPGA가 소모하는 전류이며, 반면 동적 전력은 디바이스가 역동적으로 동작할 때 소비되는 전류이다. 최근까지 동적 전력은 소비 전력을 지배하는 주요 원인이었다.
동적 전력 문제를 관리하기 위하여 공정 프로세스를 줄여서 디바이스 전원 전압(Vcc)을 줄이고 시스템 전압을 줄여왔으나, 이제는 이마저도 힘들게 되었다. 공정 프로세스를 작게하는 방법은 트랜지스터 비중이 큰 SRAM 기반형 FPGA에게는 추가적인 정적 전력 소비를 의미한다. 이것은 퀀텀 터널링 및 서브스레드 누수와 같은 악화되는 문제들 때문이다. 이 같은 문제들은 저전력을 요구하는 애플리케이션을 겨냥한 디바이스에서 실제로 결정적인 문제를 만든다. 누설 전류의 악화 문제로 인해 정적 전류는 설계자의 가장 큰 관심사가 되고 있다(그림 1 참조).
SRAM 셀 구조는 실질적인 누설 전류를 발생시키고 또한 전력을 소모하는 컨피규레이션 메모리를 필요로 한다. 반면 플래시 기반 셀은 누설 경로가 없기 때문에 SRAM에 비해 셀 당 누설이 1,000배 더 낮다. 플래시 기반 솔루션은 I/O 당 최대 16배 향상된 전력을 제공할 수 있다. 100개의 I/O가 필요한 설계를 가정할 경우, 120I/O 디바이스는 대략 60μW를 소비하는 경쟁사 솔루션 대비 5μW로 적은 전력을 소비한다.
이러한 전력 문제를 해결하기 위해 SRAM 기반 FPGA 공급업체들은 '단일 칩의 플래시 기반' 솔루션을 제공할 것을 주장한다. 이러한 하이브리드 솔루션은 플래시 메모리 부품과 핵심적인 SRAM FPGA 기술과의 결합이다. 또한 단일 패키지에 FPGA 다이를 통합하거나 스택형 또는 플레이스형에 나란히 통합하는 것이다. 안타깝게도 FPGA 배열은 여전히 휘발성이며 이러한 유형의 디바이스와 관련해 전력 소비에 영향을 받기 쉽다. 이러한 솔루션으로 임베디드 플래시 메모리 블록은 파워 업 동안 디바이스의 초기 구성만으로 제어된다.
확실히 SIP(silicon-in-package)및 MCP(mul-tichip package) 하이브리드 방식 두 가지 모두는 소형 풋프린트, 소비전력의 작은 감소, 파워 업 시간 및 보안면에서 기존의 SRAM 기반 솔루션의 한계를 어느 정도 극복하였다고 볼 수 있다. 그러나 이러한 점들은 순수 SRAM 기반 제품에 비해 약간의 성능 향상만을 보여줄 뿐이라고 말 할 수 있다.
플래시 기반형 FPGA 솔루션
단일 칩의 플래시 기반형 FPGA는 저전력 문제를 해결할 수 있도록 도와준다. 이 제품들은 모든 파워 업 사이클에서 외부 컨피규레이션 디바이스(예를 들어, 부트 프롬(boot prom) 이나 마이크로컨트롤러)를 필요로 하지 않는다. 파워 업부터 동작하는 특성으로 인하여 시스템 파워 업을 지원하는 외부 디바이스를 필요로 하지 않는다. SRAM 기반 FPGA를 사용함으로써 발생되는 추가적인 부품을 제거하는 것은 보드 공간 및 시스템 전력 소비를 감소할 뿐 만 아니라 신뢰성을 증가시키고 재고 관리를 단순화시키며, 유사한 SRAM 기반 FPGA 솔루션과 비교해 무려 70%만큼 총 시스템 비용을 절감시킨다.
완벽한 플래시 기반 솔루션으로서, 플래시 기반 디바이스들은, '파워 드리븐 레이아웃' 및 향상된 전력 분석 성능을 포함해 전력이 중요한 설계를 실현시키는 소프트웨어로 동작되므로, 사용자들이 시스템의 소비 전력을 최소화할 수 있게 해 준다. 이렇게 절약된 파워로 인하여 시스템 운영비는 절감되고, 엔터프라이즈 레벨에서도 엄청난 액수의 비용뿐 만 아니라 에너지도 절약시켜 주며 상당한 환경친화적인 이점도 제공한다.
고집적 플래시 FPGA는 고집적 SRAM FPGA와 비교해 최대 1,700배 더 적은 정적 전력을 제공할 수 있다. 저밀도 FPGA 및 CPLD와 비교할 경우, 플래시 FPGA는 최대 25배 더 낮은 전력을 제공할 수 있다.
신뢰성을 위한 설계
실제로 어떻게 동작하고 있는가에 대해 살펴보기 위해, 의료용 기기 분야를 예로 들어 보자. 의료용 기기에서 점점 강조되는 점은 예방, 초기 진단, 치료에 적합한 최첨단 신기술이다.
의료비용을 절감해야 하는 압박감이 더욱 다양한 휴대형 기기에 대한 수요를 창출하였다. 이러한 휴대형 의료 기기는 가정, 병원, 그 외의 장소에 보급되었을 때 의료 시스템 비용을 절감할 수 있다. 휴대형 의료 기기는 2008년도 베이징 올림픽에서 GE와 같은 기업들이 휴대형 MRI 및 기타 이미징과 진단 장비를 테스트 시현했을 때 커다란 이슈를 만들었다. 이러한 의료 장비들은 폭넓은 보급을 위해 저전력이면서, 유연성이 높고 비용 효율적이어야 한다.
1.2V로 주요 전압을 낮추는 FPGA 제품들은 이러한 보급 측면에서 중요한 역할을 담당한다. 따라서 다양한 기능의 프로그래밍, 차별화된 지역별 표준을 위한 설계를 실현시키면서 동시에 전력을 낮게 유지시키고 설계비용을 절감시킨다.
오늘날, 디지털 혈압계, 혈 가스 측정계, 혈당 측정계와 같은 의료용 기기들은 언제 어디서든 사용할 수 있어야 할 뿐만 아니라 견고해야 되는 특성을 요구한다. 이 제품들은 단지 테스트 및 모니터링 이상의 기능을 수행할 것으로 기대된다. 일부 제품들은 데이터를 로깅하여 분석할 수 있을 뿐 만 아니라 주치의에게 정확한 결과를 통신하고 있다. 혈압계는 현재 더욱 광범위한 데이터 로깅 기능뿐만 아니라 실시간 정보 공유를 위해 주치의와 통신할 수 있는 이점을 제공한다. 인슐린 계측기는 질병 치료를 위해 PC나 인슐린 펌프에 실시간 측정 자료를 전송할 수 있는 통신 포트(IR/무선)가 장착되어 있다. 가장 기본적인 형태에서 이러한 휴대형 의료 장비들은 모두 배터리 구동식의 마이크로컨트롤러의 핸드헬드 디바이스이며, 모두 전력 제약의 문제에 봉착해 있다.
그림 2의 다이어그램에서 흰색으로 나타난 블록은 액텔의 FPGA 디바이스에서 구현될 수 있는 실현 가능한 기능을 나타내고 있다. 이러한 기능들은 소형 저전력 재프로그래밍이 가능한 FPGA 디바이스로 필요할 때 개별적으로 다루어질 수 있거나 대형 FPGA 디바이스에 집적될 수 있다. 이러한 초저전력 FPGA 제품군은 10,000 게이트에서 최대 3,000,000 게이트에 이르는 게이트 용량을 제공한다.
인슐린 펌프는 일반적으로 마이크로프로세서로 제어된다. 이러한 마이크로프로세서는 바이오 센서에서 데이터 처리하기, 측정 자료 저장하기, 결과 분석하기 등 다양한 기능을 수행한다. 이제는 느리고 확장성이 없는 MPU를 이용함으로써 발생되는 설계 트레이드오프를 논하던 시대는 지나갔다. 오늘날 엔지니어는 저전력 설계를 위하여 FPGA 최적형의 32비트 ARM Cortex™-M1 프로세서와 같이 완벽하게 기능이 풍부한 프로세서를 이용할 수 있다.
그러나 저전력 FPGA에서 MPU나 컨트롤러 기능을 구현하는 것은 진화하고 있는 휴대형 의료용 장비 설계에서 한 측면일 뿐이다. 가장 중요한 기능 중의 하나는 잠재적으로 전력을 중요시하는 디스플레이이다.
더욱 저렴한 비용과 대량 제조의 편의성은 다양한 홈 기반형 및 상업용 의료 시장에서 LCD 패널 수요를 증가시킨다. 고객 요건을 충족시키는 전자 제품들을 설계할 때(그림 2의 LCD 컨트롤러 블록다이어그램 참조), 설계자는 크기, 해상도, 신뢰성, 전력 소비, 제품 수명 주기와 같은 핵심 요소에 기반 한 LCD 패널을 선별한다. 고급 성능과 기능들을 갖춘 새로운 디스플레이가 지속적으로 출시되고 있기 때문에, 설계자는 디스플레이 컨트롤러를 항상 재설계 해야하는 문제에 직면하게 된다. 재설계는 비용이 많이 들며 시장 출시시간을 상당히 지연시킬 수 있다. 따라서 설계자는 최소 비용으로 최소 노력을 기울여 최신 기술을 통합할 수 있는 솔루션을 필요로 한다. 초저전력 및 재프로그래밍이 가능한 FPGA는 이러한 문제들을 해결할 수 있는 솔루션을 제공한다.
결론
30년 동안 FPGA는 설계자가 특히 소량으로 신속한 제품을 시장에 출시하기를 원할 때, ASIC에 대한 선택권을 제공하는 맞춤형 디바이스로서 수익성 높은 틈새 시장을 개척해왔다. 그러나 전력에 민감한 설계를 할 때 FPGA 선택을 희망하는 엔지니어들은 난관에 부딪혀 왔다. 플래시 기반형 FPGA는 SRAM 기반형 FPGA에 대한 저전력 대안 제품으로 각광받고 있을 뿐만 아니라 ASIC 및 CPLD가 접근할 수 없는 차별성, 즉 저전력 특성을 실현시킨다.
더욱 더 다양한 전자 제품들이 휴대형으로 상용화되면서 더욱 긴 배터리 수명을 요구하는 시대이기도 하면서 한편으론 에너지 효율이 새로운 시스템에 설계되도록 요구되는 바로 이 시점에, FPGA는 ASIC 및 CPLD와 비교해 신속하면서, 유연하고 저렴한 저전력 대안제품으로 떠오르고 있다.
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