한국에서 주목할 만한 실리콘 밸리 지역의 연구 개발 동향



실리콘 밸리는 미국 뿐만 아니라, 일본, 독일 등 세계 각국의 첨단 기술의 회사들이 지출하여 연구소, 지사, 판매망, 그리고 기술 협력 을 활발하게 구축하고 있는 상태이다. 이 지역에서는 작은 핵심 아이디어로 미래 지향적인 산업이 시작되고 그에 따른 투자도 활발하며 산업의 결과물은 세계 사회에 걸쳐 파급 효과도 매우 크다. 따라서 실리콘 밸리의 기술 동향은 세계시장의 동향을 살피는데 척도가 될 수 있다고 하겠다. 이번 국제 동향 조사 사업의 핵심은 실리콘 밸리에 위치한 여러 연구소 및 기업들의 연구 주제와 개발 동향에 대한 요약이다. 조사 분야 범위 중에서 특히, 전자산업 분야에 밀접하다고 생각하는 3D TV 동향과 FPGA(프로그래머블 게이트 어레이) 기술 동향 및 전망 부분을 소개한다.

과제책임자: 이상원
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
www.kosen21.org

3D TV

2009년을 기점으로 인간의 두 눈으로 보는 미묘한 시차를 이용하여 입체 영상을 보여주는 3-D 영상 기술이 대중과 미디어의  폭발 적인 관심을 받기 시작하였다. 3-D 영화는 이미 1922년에 영화 The Power of Love[1,2]를 통하여 헐리우드의 소개된 이래, 실패를 통한 많은 연구와 노력의 결실이 최근에 들어서 열매를 맺어 이제는 일반 대중들도 쉽게 자연스럽고 실제와 가까운 3-D 영상을 어렵지 않게 접할 수 있는 시점에 도달하게 되었다. 현재까지 200편이 넘는 3-D 영화가 극장에서 개봉되어 일반인들이 감상이 가능하였고, 최근에는 디지털 극장에 가지 않고도 집에서 3-D 영상을 감상할 수 있을 정도로 기술의 진보가 있었다. 전 세계인들의 주목을 받는 지난 2월 2009년 미식축구 결승전 TV 중계 중간 광고에서는 청색과 적색 렌즈가 각각 오른쪽과 왼쪽에 붙어 있는 간단한 안경으로 3D 영상을 감상할 수 있는 Anaglyphic 방식의 3-D 광고가 선보여서 시청자들의 보는 즐거움을 더하였다.

2010년에는 Anaglyphic보다 많은 색채를 표현하여 더 고화질을 제공하는 Shutter Glasses 방식을 이용하는 방식의 Blu-ray 3D를 재생할 수 있는 Sony사의 PlayerStation 3을 포함한 Blu-ray 플레이어가 출시될 예정이다[3]. 본 보고서에서는 다양한 3-D 영상 기술 중, 현재 까지 소기의 기술적 난관을 극복하여 대중과 미디어의 관심을 받고 있고, 본격적인 시장 매출을 앞두고 있는 3-D TV 영상 기술의 동향에 대해 다루었다. 3-D 영상 기술은 다양한 소프트웨어와 하드웨어 그리고 송수신의 표준화와 규제, 콘텐츠 개발 등의 다양한 산업과 사회 부문에 파급효과를 줄 것으로 예상되어, 이 보고서가 국내의 디스플레이 생산 대기업뿐만 아니라 콘텐츠 개발을 하는 중소기업, 표준화 및 관계 법령을 확립하는 정부단체와 교육단체의 3-D TV 관련 기술에 대한 이해및 준비를 하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

이 글에서는 3D 영상의 원리와 이를 구현하기 위한 하드웨어와 소프트웨어의 기술적 원리를 다루었고, 미국을 중심으로 2009년까지 소개된3-D TV와 관련된 각종 기술, 표준화 작업, 콘텐츠 개발의 노력을 소개하였다. 또한 현재의 기술적 난관과 이의 해결책 및 미래 전망을 다루었다.

3-D TV 기술적 배경

인간이 눈과 물체 사이의 거리(또는 깊이)를 구분하는 메카니즘은 몇 가지가 있는 것으로 알려져 있지만 그 중에서도 두 눈이 보는 이미지의 미묘한 시차를 이용한 원근 측정은 공간 지각에 능력에 중요한 역할을 하고 있다[4].
그림 3에서 볼 수 있듯이  인간은 오른쪽에서 본 영상과 왼쪽 눈으로 본 영상의 미묘한 차이를 이용하여 물체와의 대략적인 거리를 측정한다. 이때 두 이미지의 차이가 많을수록 눈에 가까이 있는 물체로 인식하다. 3차원 영상의 기술은 모두 이런 원리를 이용하여 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 각각 미묘한 차이가 있는 영상을 보여 줌으로서 관찰자에게 공간감을 주고 있다. 현재 소개된 기술들은 평행하게 배열된 두개의 렌즈를 장착된 3차원 카메라(그림 4)[5]를 통해 촬영된 영상을 이용하는 점에서는 모두 같지만, 두개의 서로 다른 이미지를 각각의 눈에 보여주는 방법에 있어서 차이가 있다.

앞에서 소개된 적색과 녹색 렌즈를 달고 있는 Anaglyphic 방식은 관찰자의 왼쪽 녹색렌즈로 보는 장면은 적색톤으로 이미지를 렌더링 하여 오직 적색톤 이미지만을 보이게 오른쪽 적색렌즈로 보는 장면은 녹색톤으로 이미지를 렌더링하여 각각의 눈에 다른 영상을 보여 주는 간단한 원리이다. 이 방식의 장점은 구현하기가 쉽고 특별한 장비 없이 일반 Single Definition TV로도 3차원 영상의 감상이 가능하며 안경의 제작이 쉬워 보급이 용이한 장점이 있다. 하지만 물체의 투영 색이 녹색과 적색계열로만 제한되는 단점이 있어 차세대 3-D TV기술로는 적합하지 않다. 

두 번째 방식으로는 Polarized 안경을 쓰는 방식으로, 원리는 Anaglyphic 방식과 흡사하다.  Polarized 안경은 왼쪽 렌즈와 오른쪽 렌즈는 통과 시키는 빛의 주파수가 다른 렌즈를 달고 있다. 따라서 특수 제작된 TV 나 영상이 왼쪽 눈이 보는 이미지와  오른쪽 눈이 보는 이미지를 특정주파수 만을 이용하여 전달하면 각각의 렌즈를 통하여 눈의 위치의 맞는 영상만이 보여지는 원리이다[6](그림 5) 이 방식은  표현할 수 있는 색채에 제약이 없어 극장에서 상영되는 3-D 영화에 채택되고 있다[7]. 하지만 양쪽 눈이 보는 이미지를 스크린에 영상을 투영하기 전 Polarizer라는 장비를 이용하여 투영해야 하는 제약이 있어 일반 가정의 3-D TV 기술로는 아직 적합하지 않다.

세 번째 방식은 TV 화면과 동기화(Synchronized) 된 시그널을 보내는 송신기와 1초에 60번 이상 왼쪽 눈과 오른쪽 눈을 바꾸어 가며 가려주는 Shutter Glasses라는 안경을 필요로 한다. 이 방법은 TV 스크린이 왼쪽 눈이 보는 영상을 투영할 때 Shutter glasses가 송신로 부터 신호를 받아 시청자의 오른쪽 눈을 가려주어 영상이 오직 왼쪽 눈으로만 전달되게 한다. 반대의 경우도 마찬가지로 하여 1초에 60번 이상의 고속으로 양 눈을 바꾸어 주며 가려주는 Shutter Operation을 하여 시청자가 두개의  영상을 한 번에 보고 있다고 착각하게 한다[8](그림 6).  이 방식은 Polarizer라는 장비를 필요로 하지 않아 TV에 있어서는 보급화가 용이하지만 빠른 속도로 양 눈을 번갈아 가며 가려주는 Shutter Glasses는 전기를 필요로 하기 때문에 Polarized 안경보다는 크고 복잡한 단점이 있고, Shutter 송신기와 시청자가 가려질 경우 안경이 제대로 작동되지 않아 시청자가 화면이 깜박거림을 관찰하는 부작용이 있다. 

네 번째 방식은 앞에서 설명한 Anaglyphic, Polarized, Shutter Glasses 안경이 없이도 3D 영상을 구현하는 방식으로 전부터 이론적인 연구가 있었지만, 최근 들어 Apple, Phillips [9], Sharp[10]와 Mitsubishi사가 구현한 Auto-Stereo 방식이다. 이들의 구현방식의 원리는 흡사하여 Mitsubishi 시스템의 예를 들면, 이는 서로 근접하게 고정된 16대의 카메라를 이용하여 영상을 촬영한 뒤 이를 시청자의 위치를 센서를 통하여 인식하여 16개의 다른 영상중 시청자들이 위치에 근사한 것들을 합성하여 3차원 영상을 구현하는 방식이다(그림 7). 이 기술은 특별한 안경을 필요로 하지 않지만, 16대의 카메라를 이용하여 영상촬영 과 16대의 프로젝터를 통하여 투영을 해야해서 많은 장비의 사용을 요구하고, 입체 화면을 볼 수 있는 위치가 TV 반경 1-2m 이내로 제한되는 단점이 있다.   

이 밖에도 예전부터 Head Mounted Display를 이용하여 눈 바로 정면에 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 영상을 보여주는 기술이 있지만 무거운 장비를 머리에 써야 하고 시청자가 주변 환경을 볼 수 없어 멀미를 유발시킬 수 있는 단점이 있어 많이 보급화는 실패하였다. 

3-D TV 현재의 기술 동향

앞에서 소개된 기술 중에서 Shutter Glasses를 이용한 방식은 구현을 위해 기존의 HD TV와 크게 다르지 않은 TV와 Shutter Glasses 만을 요구하는 장점이 있어, 현재로서는 앞서 소개된 4개의 주요 방식 중 가장 많이 채택되고 있다. 3-D TV는 기존 HD TV 기술과 매우 흡사하지만 양쪽 눈이 보는 이미지를 최소 120 Hz 의 고속으로 번갈아 가며  리프레쉬를 해주어야 하는 점이 다르다. 120Hz Refresh 조건은 현재의 기술력으로 이미 해결되어서 기존의 플라즈마와 LCD HD TV의 제작 업체들이 2010년을 기점으로 3D HD TV를 시장에 선보이려는 계획을 가지고 있다.

이미 Sony, Panasonic, 삼성과 LG 등이 3D HD TV를 전시 및 시연했다. 모건스탠리의 전망에 의하면 2012년까지 5천만대의 3D HD TV의 수요가 있을 것으로 예상되어, 이미  2009년 12월 현재 LG와 삼성이 1080p 방식의 3D TV를 시장에 내어 놓았으며 Panasonic, Sony 등의 일본 기업들은 2010년에 출시할 것으로 예상된다. Panasonic은 최근에 20억 달러를 투자하여 아마가사키에 한 달에 400만개의 3D TV에 이용되는 플라즈마 패널을 양산할 수 있는 공장을 준공하였고, Sony사의 경우 Shutter Glasses 제작 업체인 RealD 사와의 제휴를 확고히 하고, 게임 콘솔인 PlayStation 3 에 3-D TV 출력 기능을 추가함으로서, 3-D TV 시장에서 유리한 위치를 차지하기 위한 노력을 하고 있다. 이 밖에도 Phillips, Vizio 등의 HDTV 제작 업체들도 비슷한 노력을 하고 있다. 특히 3-D HD TV에서의 해외 기업들의 시장 선점을 위한 투자와 파트너십 확립 및 기술 연구는 삼성과 LG등 국내 기업들에의  LCD HD TV 기술력에서의 수세를 만회하려고 하는 노력의 일환으로 해석되고 있어 국내 기업과 정부 관계자들의 주목이 필요하다.

3-D TV 송수신 표준화 동향

2009년 12월에,  BDA(Blu-ray Disc Association)는 2009년에 선언한 대로 3-D 화면 재생에 필요한 Blu-ray 디스크와 플레이어의 표준을 확립하였다[11, 12]. 이는 앞으로 있을 3-D HD TV의 송수신 표준 방식을 Blu-ray Disc와 같은 방식인 120Hz 으로 유도하기 위한 노력의 일환으로 해석되고 있다. 하지만 기존의 화질 (1080p)을 유지하면서 3-D 영상을 볼수 있게 하는 120Hz 방식은 기존의 송수신 인프라의 대부분을 교체하는 대규모 자본의 투자를 필요로 하기 때문에 방송 업체들이 꺼려하고 있어 이 방식이 최종 3-D TV의 방식으로 채택될지는 좀 더 두고 봐야 한다. 비슷한 시기에 HDMI(High Definition Multimedia Interface) 위원회는 1월에 있을 1.4 표준화 작업에 3-D TV 의 지원할 수 있는 새로운 인터페이스 표준화 작업에 대한 기술검토를 할 것이라고 공표하였다[13]. 이밖에도 이미 1년 전부터 SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)는 3-D Home Display Formats를 위한 Task Force를 조직하여 3-D TV를 위한 방송 송수신의 표준화의 기틀을 확립하려는 노력을 시작했다[14]. 하지만 여러 단체들에 의한 표준화 작업의 노력들이 하나로 통합되지 않아서 본격적인 3-D TV를 위한 하드웨어와 소프트웨어 교체를 통한 본격적인 인프라 구축은 아직 시작되지 않았다고 볼 수 있다.  

3-D TV 콘텐츠 개발 동향

3-D 영화는 1922년 헐리우드에서 Anaglyph 방식을 사용하여 최초로 3-D영화 The Power of Love가 개봉된 이후로 200편이 넘는 3-D 영화가 제작되어 긴 역사를 가지고 있지만,  최근 개봉된 Avatar 3-D 만큼 대중과 미디어의 관심을 받은 영화는 찾아보기 힘들다.
2009년 12월에 개봉된 제임스 카메룬 감독의 영화 아바타(Avatar)는 영화 제작 역사 최초로 실사와 CG를 합성한 3-D를 염두해 두고 디지털 촬영을 통해  제작되었고, 시청자들이 기존의 3-D 영화에서 느꼈던 멀미와 불쾌감을 최소화하기 위해 특수 제작된 Sony사의 3-D Fusion Camera System을 이용하여 촬영되었다. 영화 아바타는 개봉 첫 주부터 큰 성공을 거두어 12월 26일 현재까지 3억 달러가 넘는 매출을 기록하여 좋은 반응을 받고 있다. 게다가 영화 아바타는 DVD 출시 시점에 3-D 기능을 지원하는 Blu-ray를 함께 출시할 예정이어서, 간단한 Firmware 업그레이드로 PlayStation 3를 통해 가정에서도 감상이 가능하게 하려는 계획을 가지고 있어 3-D TV에 있어 큰 기술적인 파장을 미칠 것으로 전문가들은 예상하고 있다[15]. 또 영화 아바타의 성공 배경에는 신기술 3-D를 도입한 점이 큰 비중을 차지하고 있어, 아바타에 자극을 받은 다른 스튜디오들이 신기술을 이용한 3-D 영화를 극장에 선보일 것으로 추측되고 있다. 현재 2010년에는 50개의 3-D 영화가 미국에서 상영될 것이다.  

게임 분야에 있어, 앞서 언급되었듯이 내년에 Sony사는 간단한 펌웨어 업그레이드와 일반 1080p 120Hz  TV를 3-D 영상을 Shutter Glasses로 감상할 수 있게 하는 기술을 선보일 예정이라서[2] 2010년을 기점으로 영화뿐만 아니라 게임 분야에서도 3-D 지원이 폭발적으로 증가할 것으로 예상되고 있다.  방송 분야에서도, 아직 송수신의 표준화가 확립되지는 않았지만, Sony사는 2010년의 FIFA World Cup[16]과 PGA Tour[17]를 3-D 카메라로 촬영하겠다고 공표하였다. 국내에서도 한국 방송 위원회(KCC, Korean Communication Commission)은 2010년 하반기에 3-D 시험 방송을 시행한다고 공표한바 있다.

3-D TV의 문제점과 기술적 난관

현재 3-D TV의 대중화를 막는 가장 큰 문제점은 3-D 안경을 필요로 한다는 점이다. 입체 영상을 보기 위해서는 시청자 한 사람 당 한 개의 Shutter Glasses가 필요한데 Shutter Operation을 하는 간단하지 않은 장비이어서, 단가가 비싸고 근시 때문에 안경을 쓰고 있는 시청자들은 기존의 안경위에 Shutter Glasses를 써야 하는 착용성에 문제를 가지고 있다. 그리고 Shutter Glasses는 각각의 눈 앞의 Shutter를 닫고 여는데 전기를 필요로 하기 때문에 게다가 정기적인 충전이나 전지 교체를 요구하여 관리상의 문제가 있다. 그리고 아직도 많은 대중들이 외관상의 이유로 Shutter Glasses를 쓰는 것을 꺼리고 있다. 안경을 필요로 하지 않는 Mitsubishi가 개발 중인 Auto Stereo의 방식은 안경을 필요로 하지는 않지만 TV를 시청할 수 있는 위치가 정해져 있고, 아직 완전 구현 및 상용화 단계에 이르지 못하였다.

3-D TV의 두 번째 문제점은 Shutter Glasses를 통한 3-D 영상 감상이 멀미와 눈의 피로를 유발할 수 있다는 점이다. 이는 안구의 각도와 실제 안구 안에서의 초점을 맞추기 위한 렌즈조절이 일반 물체를 볼 때와는 달라 인간의 감각의 괴리감으로 인하여 생기는 것이다. 그림에서 설명되었듯이 관찰자가 3-D TV를 시청할 경우, 눈의 렌즈들은 화면과 눈 사이에 초점이 맞추어져 있지만 실제 안구의 방향은 화면을 향하고 있어서 이 두 가지 감각의 괴리로 인하여 멀미와 피로가 유발된다. 이는 3-D TV를 장시간 시청할 수 있게 하지 못하는 큰 요인이 되고 있어 이를 해결하기 위한 연구가 좀더 이루어 져야 Shutter Glasses를 통한 3-D TV가 보급될 것이다.

세 번째 문제점은 현재의 스포츠 중계나 이벤트 생중계와 관련된 노하우와 인프라들을 3-D TV에 적용할 수 없다는 점이다. 3-D가 주는 입체감을 시청자들에게 전달하기 위해서는 방송용 카메라들이 기존의 위치보다 더 가까이 근접해야 하다. 왜냐하면 카메라와 물체의 거리가 멀수록 3-D가 주는 입체감을 내는 것이 쉽지 않기 때문이다. 현재의 카메라들의 위치와 줌 기술 등은 모두 2-D TV만들 염두해 두고 설계된 것이라 이를 3-D TV에 적용하기는 힘들다. 예를 들어 현재 미식축구나 축구 경기에 경기장 상단부에 설치되어 필드 전체를 한눈에 보여주게 하는 All-22 카메라들의 위치에 3-D 카메라들은 놓을 경우 필드와의 거리가 너무 멀어 3-D 입체감을 전달 할 수 없다. 이를 해결하기 위해 카메라들을 필드 가까이에 고정 시킬 경우 카메라의 Field of View가 작아져서 시청자들이 답답함을 느끼게 할 수 있는 문제점이 있어, 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 예상된다. 이런 점에 있어서 2010년 월드컵은 3-D TV가 얼마나 스포츠 생중계를 잘 소화 할 수 있는지 알아 볼 수 있는 좋은 시험의 장소가 될 것으로 전망된다. 

마지막 문제점이 기존의 2-D에서 지원되는 자막의 처리 문제이다. 2009년 현재 미국 연방 방송위원회(FCC, Federal Communications Commissions)는 청각 장애인들을 위하여 모든 방송에 자막이 나올 수 있도록 규제하고 있다. 하지만 항상 2-D 평면에 덮여 쓰여서 투영되는  자막을 3-D 로 상영할 경우 자막을 렌더링 하는 위치가 애매해진다. 자막을 특정 거리에 놓을 경우 투영되는 물체에 가려질수 있고, 가려지지 않기 위해 시청자들의 눈 가까이 놓을 경우 눈의 피로를 유발한다. 따라서 이를 해결하기 위한 기술적인 검토와 정부의 규제 완화에 대한 논의가 더 필요하다.

결론

현재까지 Shutter Glasses 방식을 통한 3-D TV가 시장 진입을 눈앞에 두고 있다. 몇몇 단체들의 3-D TV를 위한 표준화 작업이 진행되었고, 전통적인 디스플레이 생산 업체들은 이미 3-D TV 출시를 시작 하였고 Blu-ray와 Sony사의 PlayStation3를 필두로 한 플레이어 하드웨어의 진보에 맞추어 3-D TV와 영화들을 위한 콘텐츠 개발이 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만  3-D TV는 2 차원 영상에만 익숙해져 있는 시청자들에게 기술 개선을 통하여 3-D TV를 보는 것이 눈의 피로나 멀미감을 유발하지 않고 외관상의 문제도 일으키지 않는 점을 증명해야 하는 난관을 해결해야 한다.

 

참고문헌

[1] Ray Zone, "Stereoscopic cinema & the origins of 3-D film" (University Press of Kentucky, 2007) ISBN 0813124611, p. 110 (the first 3D film)
[2] "PS3 getting stereoscopic 3D support next year?". Qj.net. 2008-12-18. http://ps3.qj.net/PS3-getting-stereoscopic-3D-support-next-year-/pg/49/aid/127446. Retrieved 2008-12-30.) PlayStation 3D
[3] Charles Wheatstone, F.R.S., Professor of Experimental Philosophy in King‘‘s College, London., "Contributions to the Physiology of Vision." Part the First. On some remarkable, and hitherto unobserved, Phenomena of Binocular Vision. )Depth perception
[4] Daniel L. Symmes, Power of Love "3-D Power" Article about the making of "The Power of Love"
[5]  John A. Norling, "Basic Principles of 3-D Photography and Projection" New Screen Techniques, P. 48
[6]  Hal Morgan and Dan Symmes Little, "Amazing 3D", Broawn & Company (Canada)Limited,pages165-169
[7]  Manjoo, Farhad. "A look at Disney and Pixar‘‘s 3-D movie technology." 2008.04.09.Downloaded2009.06.07
[8] Hal Morgan and Dan Symmes Little, "Amazing 3D" Broawn & Company (Canada)Limited,pages15-16
[9] "Why 3D?". Philips.com. http://www.business-sites.philips.com/3dsolutions/Why3D/Index.html. Retrieved 2008-06-19.
[10] "2D/3D Switchable Displays" (pdf). Sharp white paper. http://sharp-world.com/corporate/info/rd/tj4/pdf/4.pdf. Retrieved 2008-06-19.
[11] "Blu-ray brains create 3D taskforce". reghardware.co.uk. 2009-05-20.http://www.reghardware.co.uk/2009/05/20/bda_taskforce/.Retrieved2009-05-23.
[12] "3D specs finalized for Blu-ray, to hit market next year". HD Report. 2009-12-17.http://www.hd-report.com/2009/12/18/3d-specs-finalized-for-blu-ray-to-hit-market-next-year/.Retrieved2009-12-17.
[13] "Launch of HDMI 1.4 Specification". HDMI.org. 2009-10-06.http://www.hdmi.org/download/press_kit/PressBriefing_HDMI1_4_English_100609.pdf.Retrieved2009-11-16.
[14] Winters and Maki, SMPTE to Establish 3-D Home Entertainment Task Force,  http://www.smpte.org/news/pr/view?item_key=119d32dd204c5c88edef75df805bff3f49b31d3d
[15] Anne Thompson, "How James Cameron‘‘s Innovative New 3D Tech Created Avatar". PopularMechanics. http://www.popularmechanics.com/technology/industry/4339455.html?page=2. Retrieved 2007-01-13. Regarding Avatar
[16] Sony and FIFA Announce the World‘‘s First 3D FIFA World CupTM, http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200912/09-137E/index.html
[17] Emily Kay, PGA Tour to broadcast golf tournaments in 3D with or without Tiger Woods, December 18, 2009, Boston Golf Examiner

그림 1. Anaglyphic 방식의 안경
그림 2. Anaglyphic 방식의 3-D TV를 위한 이미지
그림 3. 미묘한 차이가 있는 왼쪽 눈의 이미지와 오른쪽 눈의 이미지
그림 4. 일반적인 3-D 카메라. 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 다른 이미지를 촬영하기 위해 두개의 렌즈가 평행하게 장착되어 있다.
그림 5. 각각의 렌즈는 특정 주파수 만을 필터링하여 눈의 위치에 맞는 영상만을 볼 수 있게 한다.
그림 6. 각각의 셔터는 TV와 동기화 되어 있어, TV가 왼쪽 (오른쪽) 영상을 투영할때 오른쪽 (왼쪽)셔터가 내려지게 된다.
그림 7. 16 개의 프로젝터를 통한 Mitsubishi 사의 3-D TV

 

 
프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 기술 동향 및 전망

PLD(Programmable Logic Device) 시장은 최근 들어 속도 및 크기 와 단위별 성능이 급속히 향상되어 가고 있고 특히 PLD 응용분야가 광범위해지고 가격 경쟁성이 커질수록, 기존의 ASIC(Application Specific IC) 제품은 물론 ASSP(Application Specific Standard Product) 제품들도 대체하고 있다. PLD 제품은 고 기능 제품에 쓰이는 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 중저가 시장을 겨냥하는 CPLD(Complex PLD) 시장으로 구분되어 있습니다.

FPGA는 지금은 거의 사라진 "ASIC형 게이트 어레이" 구조를 가지고 있으며, 필드로 프로그래밍을 할 수 있는 소자를 말하고 있다. 오랜 공정기간과 초기 설계비용이 많이 드는 ASIC이나 ASSP에 비해, FPGA는 사무실에서 수 분만에 회로설계를 프로그래밍을 할 수 있는 장점 때문에 시스템의 설계 시간을 절감 할 수 있는 대용품으로 쓰여져 왔다. 최근에는 FPGA의 가격이나 성능면에서, 대량 생산이 가능한 경쟁력을 갖게 되어서, ASIC으로 교체하지 않고도 쓸 수 있는 응용분야가 많아지고 있다. 그리고 비싸진 공정비용 때문에($50-$100 million/design) ASIC이나 ASSP 방식은 설계회사에게 큰 부담이 되고 있다. 또한 제품수명이 짧아지고, 설계시간이 축소되면서 설계의 유연성을 줄 수 있는 FPGA 방식이 많은 각광을 받고 있다.

FPGA방식은 일반적으로 외부에서 회로를 구성하는 방식과 저장하는 메모리 기술에 따라 분류 될 수 있다. FPGA에 주로 쓰이는 메모리 기술로는 SRAM과 앤티 퓨즈 그리고 플래시 방식 등이 쓰이고 있다. 이 문서에서는 전체적인 PLD 시장 동향 및 전반적인 FPGA 기술과 아키텍처 특성에 대하여 기술하였고, 특히 최근 들어서 저전력 소비와 SOC 응용분야에 많이 쓰이는 플래시FPGA기술에 대한 기본 특성과 응용 분야에 대하여 서술 하였다.

PLD 시장 동향

그림 1은 코어(core) 시스템 반도체 시장의 세계 분기별 매출을 보여주고 있다(2009년 6월 기준, iSupply제공). 코어 시스템 반도체란  ASIC과 ASSP 그리고 PLD 제품 등을 총괄 포함한 분야로서, 2010년 연간 매출 예상치는 US $ 75-80 billion을 넘을 것으로 예상을 하고 있다. 이 시장은 메모리 시장보다, 훨씬 크고 부가 가치가 많은 분야로서 최근 들어서 한국 기업이 많이 진출하는 분야이기도 하다. 코어 시스템 반도체 업체들은 2010년에는 데스크톱, 3G및 스마트폰, 무선 시스템 장비, 넷북과 셋톱박스 분야에서 큰 수요가 있을 것으로 보고 있다.

한편 PLD 제품은 2010년에는 일 년 매출이 40억 달러를 상회할 것으로 예상하고 있다(그림 2).  하지만 특히 고성능 코어 및 여러 IP 기술 등을 사용하는 시스템 반도체 시장에서, PLD 제품으로 ASSP 시장을 서서히 대체 하고, 최근 들어 매출이 커지는 저전력 소비 및 컨수머와 모바일 응용기기 시장분야에서 기존 ASIC 시장을 대체하는 저가의 PLD 제품이 많이 나타나게 되면, 궁극적으로 PLD 시장의 미래는 대단히 밝다.
FPGA 회사들은 자체의 아키텍처를 가지고 있다. 하지만, 대부분의 FPGA 아키텍처 기술은 그림 3에서 보이는 기본 기술의 변형이다. FPGA는 크게 세 가지 주 된 블록으로 구성 되어 있다. 논리 구성 블록(configurable logic blocks), I/O 구성 블록(configurable I/O block) 그리고 프로그램을 할 수 있는 인터커넥트 자원들로 만들어져 있다. 또한, 각 논리 블록을 구동시키는 클록 신호 회로가 있다. 추가로 ALU, 메모리, 디코더 등의 논리 구성 자원들을 가지고 있다. FPGA 프로그래밍에 쓰이는 메모리 기술로는, SRAM과 Anti-Fuse 그리고 플래시 EPROM 방식이 있다.

(1) 논리 구성 블록(Configurable Logic Block: CLB): 이 블록은 FPGA를 위한 논리회로들로 형성이 되어있다. 오늘날 모든 회사가 사용하는 대형 Fine-Grain 아키텍처에서는 이러한 CLB들로 작은 State-machine을 만들 수 있다(그림 4). 이 블록은 임의의 조합 논리 기능을 RAM으로 작성할 수 있는 조회 테이블(Logic Unit Table: LUT)로 알려진 RAM으로 포함하고 있다. 또한 멀티플렉서와 함께 clocked 저장 요소에 대한 flip-flop을 가지고 있고, 논리 블록 내부와 외부 리소스와의 연결을 하기위하여 쓰인다. 멀티플렉서는 극성 선택, 리셋, 그리고 input selection도 선택이 가능하게 해준다.

(2) I/O 구성 블록(그림 4)은 칩 I/O에 신호를 받아오고 다시 보낼 때 사용된다. 입력 버퍼 및 오픈 컬렉터 출력 제어와 tri-state 출력 버퍼로 구성되어 있다. 일반적으로 출력에 pull-up 저항 또는 저항 칩 외부의 요구없이 신호 및 버스를 종료하는 데 사용될 수 있는 pull-down 저항이 있다. 출력의 극성은 일반적으로 active high 또는 active low 출력으로 프로그래밍이 이루어 질 수 있고, slew rate도 rise time이나 fall time에 따라서 빠르거나 느리게 프로그래밍할 수가 있다. 출력에는 주로 flip-flop이 있어서 핀에서, clocked 신호 딜레이를 극소화 시켜서 외부단자와의 셋업 시간이 생기지 않게 해줄 수 있다. 비슷하게 입력에서도 flip-flop이 있어서, flip-flop까지의 딜레이를 줄임으로서, FPGA에서 홀드 시간이 걸리지 않게 해 준다.

(3) 프로그래머블 인터커넥트: 그림 6에서는 인터커넥트 자원의 계층 구조를 볼 수 있다. 칩 안에는 많은 지연을 시키지 않고 중요한 CLB들과 연결하는 데 사용할 수 있는 긴 라인을 가지고 있다. 이러한 긴 라인들은 칩 내에서 버스선으로도 사용할 수 있다. 서로 가까이 위치하고 있는 각각의 CLB들을 연결하는 데는 짧은 라인이 있을 수 있다. 또한 트랜지스터로 다른 라인과의 연결을 켜고 끄는 동작을 할 수 있다.
또한 FPGA에서는 함께 구체적이거나 유연한 조합에 있어서는 이러한 장기 및 단기 라인을 연결하는 여러 개의 프로그램을 할 수 있는 스위치 매트릭스가 있다. 
Tri-state 버퍼의 긴 라인은 여러 CLB들과 함께 버스선으로 만들어 연결하는 데 사용 된다. Global Clock Line이라는 특별히 긴 라인은 특별히 임피던스가 낮게 하고 빠른 전파속력을 가능케 설계가 되었다. 이 긴 라인들은 클록 버퍼에 연결되어 있고, 각자의 CLB 요소 Clock에 연결 되어 있다. 이 방법으로 FPGA 안에서 클로 신호가 칩에서 다른 flip-flop을 통하여 오더라도, 작은 skew만으로 연결할 수 있는 방법이다.
ASIC에서는 대부분의 신호 딜레이가 로직 회로와 붙어 있는 metal-line에서 오기 때문에 거의 딜레이가 없는 정도인데 반해, FPGA에서는 로직 회로와 같이 인터커넥트가 고정 되어 있기에 그곳에서 딜레이가 생기게 된다. 한쪽의 CLB에서 다른 CLB로 연결하려고 할 때, 종종 각각의 추가적인 딜레이가 생기게 되어 특히 많은 트랜지스터 및 스위치 매트릭스를 통해 연결이 필요 한 때도 있다.

(4) 클록 회로 : 클록 드라이버로 알려진 I/O 를 버퍼와 함께 블록 칩 주위에 배포 한다. 이러한 버퍼들은 클록 입력 패드에 연결하고 위에서 설명한 글로벌 클록 라인 신호를 구동한다. 이러한 클록 라인은 낮은 skew와 빠른 전파전송을 위해서 설계되었다. 그리고 FPGA 설계를 하려면 Synchronous 설계를 항상 참고해야한다. 왜냐하면 Global Clock 라인 외에는 아무 라인도 절대적인 skew와 딜레이를 아무데서도 보장하지 않기 때문이다.

(5) 신흥기술 Cores: 대부분의 FPGA 벤더들이 코어를 제공하기 시작하고 프로그래머블 밀도가 커질수록 시스템 반도체 응용 분야에서 프로그래머블 SOC을 구현 가능하게 되었다. 이는 초창기 PLD가 글루(glue) 로직으로만 쓰여 왔는데 비하여, 이제는 PLD를 이용하여 모든 시스템이 하나의 프로그래밍 장치에 삽입할 수 있게 개발될 수 있다. SOC는 프로세서와 같이 여러 가지의 복잡한 소자를 포함 한다. 프로그래밍 장치내에 SOC 같은 일을 하기 위해서는 세 가지 옵션이 있다. 첫 번째로 (a)자신이 프로그래머블 로직에 배치시키는 기능을 설계하는 경우 (b)기능에 대한 HDL 코드를 구입하고 통합이 복잡한 기능은 귀하의 HDL을 코드-IP core or soft core로 배치 또는 (C)IP를 포함하는 업체 중에서 프로그래밍 임베디드 장치로서 기능을 포함시키는 것- Hard IP 코어를 구입하는 방법이 있다.

(6) IP 코어 : IP 코어는 종종 이러한 기능을 구성하는 전문 공급 업체에 의해 판매되고 있다. 최근, FPGA 벤더들도 자신의 소프트 코어를 제공하기 시작했다. IP 코어는 시간과 FPGA 디자인에 대한 개발 인력 부담을 줄일 수 있다. IP 코어는 이미, 특징, 설계 등이 검증 되었고 자주 수정할 수 있다. 또는 귀하의 요구에 맞게 기능을 뺄셈을 의미한다. 그들은 또한 다른 공급 업체로부터 옮겨 올수도 있다. 하지만 IP 코어는 비용이 비싸질 수 도 있다. IP 코어에 대한 타이밍이나 전력 소모 등의 전기적 특성을 어느 정도 제한할 수 있지만, 실제 특성은 IP를 쓰고 있는 사용하는 특정 장치에 의존하고 또한 그것이 연결되어 있는 논리에 따라 달라지기도 한다. IP 코어는 특정 FPGA 벤더의 기술에 대하여 꼭 맞게 구입하지 않을 수도 있다. 예를 들면 IP를 배치하고 라우팅을 마치고 나서 요구하는 속도와 전력소모량이 최적화 되지 않을 수도 있다.

(7) 임베디드 코어 : 많은 사용자에게 임베디드 코어가 이상적인 이유 중 하나는 PLD 벤더들이 자신의 기기에 이러한 내장된 코어를 제공하기 때문이다. 임베디드 코어 공급 업체의 프로세스에 대한 좋은 타이밍과 적절한 전력 소모치를 줄여 줄 것이다. IP 기능은 단일 블록으로 배치가 될 수 있고 펑션 블록의 성능에 대하여는 디자인의 배치 및 라우팅이 필요하지 않기에 사용자의 설계에 변화가 되지 않는다. 일부 임베디드 코어는 일반의 FPGA로 설계되지 않는 아날로그 디바이스일 경우도 있다. 디바이스 장치에 이러한 기능을 통합함으로써, 당신은 아날로그 디바이스 설계의 어려운 과정을 피할 수도 있고, 칩 및 구성 요소가 다른 프로그래밍 장치를 밖에서 해야 할 일을 안 해도 될 것이다. 물론 임베디드 코어의 단점으로는 다른 코아로의 전환이 어려운 것이다.

(8) 프로세서 코어 : 프로세서 코어란 일반적으로 IP 코어 또는 임베디드 코어로 사용되고 있는 형식이다. 이러한 프로세서는 임베디드 시스템을 위해 설계되었다. 프로그래머블 디바이스는 임베디드 시스템이라고 할 수 있다. 만약에 사용하는 프로세서 코어가 임베디드라면, 그 프로세서는 예측할 수 있는 타이밍 및 전력 소모를 가진 프로세서를 사용하고 있는 것이다. 그러한 시스템에서는 소프트웨어 개발 도구를 쉽게 사용할 수도 있을 것이다. 시중에서 구하는 크로스 컴파일러 및 시뮬레이터를 이용하여 코드 설계를 완료되기 전, 디버깅 전에 사용할 수 있다. FPGA의 임베디드 프로세서는 그림 7에 표시됩니다.

(10) DSP 코어 : 디지털 신호 프로세서(DSP)는 일반적으로 제공되는 IP 또는 임베디드 코어 이다. 이들은 이러한 아날로그 신호를 조작하는 데 사용되는 전문적인 프로세서이다. 그들은 일반적으로 필터링 및 비디오 또는 오디오 신호의 압축을 위해 사용됩니다. 최근 들어서 같은 수백만의 사용자가 인터넷에 연결하고 정기적으로 업로드하고 상대적으로 제한된 대역폭 연결을 통해 모든 종류의 정보를 다운로드함으로서, 비디오 및 오디오 디지털화, 압축, 및 필터링 요구 사항은 최근 몇 년 동안 증가하고 있다. 이리하여 DSP 코어는 범용 프로세서가 빨라져도, 네트워킹 및 그래픽 장치에 사용하기 위해 DSP의 수요가 계속 증가되는 추세이다.

(11) 아날로그 코어 : FPGA 벤더들은 FPGA에 아날로그 코어를 포함하기 시작했다. 예를 들어, PHY 코어란 아날로그 회로로서 네트워크를 구동하는 역할을 합니다. 많은 기업 들이 이러한 기능들을 FPGA안에 넣으려고 하고 있다. 그들은 임베디드 코어에만 사용할 수 있다. 그림 8에서 보듯이 액텔에서 제공하는 퓨전 제품은 임베디드 프로세서 코어, 임베디드 디지털 주변기기코어와 아날로그 코어를 이용하여 같이 시스템을 만들고 있다. 특수 I/O 드라이버 : 특수 I/O 드라이버도 PLD 기기에 내장되어 있다. 개인용 컴퓨터 내부의 새로운 버스들은 긴밀하게 통제된 타이밍을 가지고 특별한 큰-드라이브를 가지고 잘 일치된 임피던스 회로에 의해 구동되어야 한다. I/O 버퍼는 매우 구체적인 전압 임계값의 입력이 필요하다. 많은 업체들이 그와 같이 특수한 요구 사항을 충족하는 프로그래밍 장치를 제공한다. 대부분의 경우, 버스와 외부의 칩이나 부품을 거치지 않는 것이, 프로그래밍 장치를 설계하는 유일한 방법이다.

(12) 새로운 아키텍처 : 새로운 기본적인 아키텍처는 FPGA를 구성하는 논리 블록에 대하여 개발되고 있습니다. DSP 기반의 로직 블록으로 형성된  새로운 아키텍처의 예를 그림 9에 나와 있다. 이러한 유형의 FPGA는 상당한 양의 신호 처리가 필요한 분야에서 잘 맞을 것 입니다. 전문의 FPGA에 사용하기 위해 디지털 신호로 변환하는 특수 공구 등 알고리즘이 필요하게 된다. 이러한 도구의 알고리즘을 최적화 하려면 전문의 FPGA의 성능을 실제로 표준의 DSP, 또는 일반 프로세서보다 더 나은데 사용하여 최적화된 코드를 실행할 수 있어야 한다.
미래에 있어서는 FPGA를 위한 새로운 개발 도구 제작이 절실히 필요 하다. 프로그래머블 디바이스로서 크게 되면, 점점 더 복잡해지며 하나 이상의 프로세서를 포함하게 되는데, 도구 가 많이 필요해지는데, 이러한 기능을 활용하여 설계를 최적화 시킬 수 있다.

마찬가지로 FPGA가  프로세서를 쓰게 되면, 개발 도구로서 소프트웨어만큼 하드웨어가 필요하다. 하드웨어 합성(Synthesis) 도구는 하드웨어 엔지니어가 기본 하드웨어 아키텍처의 세부 사항을 이해하지 않고도 작동하도록 만들어진 도구이다. 소프트웨어 합성 도구는 소프트웨어 엔지니어들이 필요로 하는 기본 소프트웨어 아키텍처의 세부 사항을 이해하지 않고도 추상화의 높은 레벨에서 작동할 수 있도록 하는데 필요하다.
궁극적으로, FPGA 디자이너는 하드웨어와 소프트웨어의 전문성을 동시에 가지고 있어야 한다. 시스템 수준의 문제를 이해해야 하고 해결할 수 있어야 한다. 미래의 지능형 도구는 측정 되기 전의 라이브러리와 함께 하드웨어 개체 및 소프트웨어 기능 테스트 작동을 할 수 있으며, "낮은 수준의C" 및 Verilog 설계는 꼭 고유한 하드웨어 또는 소프트웨어 전문분야가 필요할 때 쓰일 것이다. 결국, 임베디드 프로세서 플랫폼 FPGA는 임베디드 시스템 디자인에 대한 지배적인 플랫폼이 될 것이다. 그리고 마침내  하드웨어와 소프트웨어의 공동 설계가 가능한 툴이 가능케 할 것 이다.

SRAM vs. Antifuse vs. Flash 4. FPGA 기술 방식 :
FPGA 프로그래밍에는 크게 3가지 경쟁기술이 있다. SRAM 프로그래밍 방식은 작은 static RAM의 1-bit을 이용하여 스위치를 끄고 킬 수 있는 역할을 할 수 있다(6 트랜지스터 셀). 또 다른 방법은, 1-capacitor의 작은 앤티퓨즈 방식으로서, 미세한 물질로 되어 있는 앤티 퓨즈로 구성 되어 있다. 큰 전류를 양극에 통해줌으로서, 적은 저항의 퓨즈를 만드는 기술이다. 세 번째로는 최근 들어서 저전력 응용분야에 많이 쓰이는 플래시 EPROM bit을 이용한 기술이 있다.

SRAM FPGA는 가장 일반적인 프로그래밍 기술로서 표준 CMOS제조 공정을 사용함으로서 계속 진보된 기술과 다양한 Logic IP 등을 쓸 수 있는 장점이 있다. SRAM은 프로그래밍이 거의 무한정 가능하기에 FPGA에서도 무한정 프로그래밍하는 방식으로도 쓰일 수 있다. 하지만 SRAM 기반 FPGA의 단점은 SRAM 자체가 휘발성인 소자이므로, 전원이 꺼지거나 글리치가 있는 경우 중요한 디바이스 정보를 잃어버릴 수도 있다. SRAM은 라우팅 딜레이 등으로 다른 기술보다 느릴 수 도 있습니다만, 계속 진보된 제조기술로서 이러한 단점을 상쇄시키고 있습니다. SRAM 방식 FPGA는 전력소모가 많고, 다른 기술보다 power-up인 경우, 소자로 향하는 비트 스트림이 노출되기에 보안성이 적은 문제가 있기에. 사용자의 SRAM과 FPGA의 encrypt화 시킬 수 있지만 저가격으로 리드 타임이 빠른 FPGA에서의 장점을 줄일 수도 있다. 높은 비트 오류(Firm error) 및 발생도 또한 SRAM FPGA를 다른 기술방식보다 취약하게 하지만, 많은 장점들로 인하여, 아직도 가장 일반적으로서 쓰이고 있는 기술이다.

앤티 퓨즈 FPGA의 장점은 비휘발성 및 적은 라우팅 딜레이가 가능하다. 그래서 작고 빠른 특성이 있다. 앤티 퓨즈 FPGA는 저전력을 소모하는 경향이고 SRAM처럼 전원-Up인 경우 외부 디바이스로 설계기술을 노출시킬 필요가 없기에 좋다. 단점으로는 다시 프로그램을 할 수가 없고 CMOS보다 약간 복잡한 제조 공정이 필요하고 SRAM 방식에 비해 상대적으로 낮은 수율과 기술개발이 느리게 진행되는 단점이 있다.
플래시 FPGA는 SRAM과 Antifuse FPGA 프로그래밍방식의 장점을 모은 기술이다. 비휘발성이며 Re-programmable한 특성, 그리고 보안에 대해 안정스럽고 1- 트랜지스터 방식으로 소자가 작고 저전력을 소모하는 플래시 메모리 특성을 가지고 있다. 현재 액텔에서 생산하는 플래시 FPGA 방식이 있고. 하이브리드 플래시(SRAM FPGA+ Flash Memory:  Xilinx, Lattice) 방식이 있다. 하이브리드방식은 기존의 SRAM 방식의 FPGA에 플래시 메모리 소자를 저장용으로 쓰는 방식이라 이는 보강된 SRAM FPGA라고 구분하면 될 듯하다.

이 글에서는 최근 들어 최저전력 소모 및 모바일 응용기기에 많이 쓰이고 있는 액텔의 Flash FPGA기술 동향과 응용에 대하여 자세히 설명 하겠다. 플래시 FPGA는 SRAM FPGA과 달리, 저전력 플래시 장치를 사용하여 live-at-power-up ISP에 플래시 스위치를 프로그래밍 소자로 쓰고 있다. 플래시 셀을 이용하여 전체 소자에 비휘발성이고 재구성이 가능한 VersaTile(이후 설명 참조) 입력 및 출력 신호 라인을 연결 하는 프로그래밍을 할 수 있는 기능을 구성한다.

플래시 FPGA에서는, 프로그램된 정보를 저장하는 플로팅 게이트를 공유하는 2개의 NMOS 트랜지스터 정보 플래시 메모리 소자를 이용한다. 이중에 하나는 프로그램하는 소자로도 쓰이고 검증에도 사용하면서 플로팅 게이트 전압을 감지하는 역할을 하는 센스 트랜지스터가 있다. 다른 하나는 스위치 트랜지스터라고 칭하는데 논리를 구성하는데 쓰이거나 별도의 네트를 라우팅 하거나 프로그램을 지우는 데 사용된다. 최소 크기의 1-트랜지스터 플래시 메모리 스위치를 사용하여 전용 고성능 라인을 최대한 빨리 연결하는데 유용하게 쓰이고 있다. 플래시 스위치를 통하여 빠르고 적은 skew를 가진, 그리고 소자 전반의 전체 신호 분배에 필요한 전용의 고성능라인이 있다. 최대한의 코어(core) 사용률이 거의 모든 설계에서 가능하다.

플래시 스위치의 원리는, 공유하는 플로팅 게이트에 저장된 전하량에 의해 Threshold Voltage가 조절이 되면서 스위치를 지나는 신호를 꺼주고 켜주는 역할을 한다. 플래시 프로그래밍은 저전력의 Fowler-Nordheim 터널링 메커니즘을 이용하여 얇은 게이트 산화막을 통하여 이루어지고 프로그래밍 전압의 극성에 따라 플로팅 게이트에 저장된 전하량과 극성을 조절하게 된다.
플래시 FPGA의 주요 장점은 다음과 같다.

(1) Power: Flash FPGA는 SRAM이나 다를 방식의 FPGA보다 Flash Cell 특성상 전력 소모를 최소한으로 줄일 수 있는 장점이 있다. SRAM 방식은 6개의 트랜지스터에서 나오는 전류(static current) 소모량이 1개의 Flash에 비해 현저하게 크다. 이는 휴대용 기기의 배터리 수명시간과도 밀접하게 관련이 있으므로 Flash FPGA 제품이 이 분야에서 많이 소비되는 주요 특성이기도 하다.
(2) 보안(Security): FPGA는 이제 ASIC을 대체하는 응용분야에 많이 쓰이는데, SRAM 방식으로는 비트스트림을 안전하게 다운로드하기가 어렵다. 이는 IP 보안이 어렵게 하지만 1-chip인 Flash 방식은 IP도용 방지의 큰 장점이 있다.
(3) 내구성(Reliability): 공중에서 Alpha ray등 charged particle 등은 CMOS 반도체 IC에서 Single Event Upset을 만든다. 이러한 경우 soft/Firm 에러를 발생시키는데, 이는 SRAM방식 FPGA에서는 시스템 동작 불량 등 큰 문제를 일으킨다. 이러한 오류가 floating gate charge를 사용하기에 Flash FPGA에서는 아래 도표에서 보다시피 거의 문제가 없다.
(4) 전원 작동(Live-at-Power Up): Flash FPGA는 1-chip Flash 특성상(비휘발성) 다른 방식에 비해 재구성(re-configuration)이 필요가 없고 또한 전력소모도 줄일 수 있다. 메디컬 모니토링 기기에 많이 쓰이기도 한다.
(5) 저가의 조합 제품 가능: 공정상 플래시 메모리와 그에 부수대는 고압 트랜지스터들이 가능하기에 analog+flash+FPGA+microprocessor가 접목이 될 수 있는 Programmable SOC(Fusion) 제품이 가능케 해준다.

결론

기업들의 제품 출시 시간 단축과 설계상 편의성, 앞으로의 PLD(FPGA+CPLD) 시장의 전망은, 높은 NRE(Non-Recurring Engineering) 비용을 지불해야 하는 ASIC을 대체하는 제품으로 가격 경쟁력이 많아질수록 빠르게 성장할 것이다. 특히 무선통신 및 시스템 산업 분야에서 큰 성장이 예상되고 있다. 기본 FPGA 아키텍처는 많은 변화가 없겠지만, 여러 코어(core)를 접목하는 Programmable SOC 제품이 많아질 것이다. FPGA 기술은 기존의 SRAM 방식이 계속 쓰일 것 이지만, 공정 및 소자의 한계성(비트 오류, 과전력소비) 때문에 하이브리드 또는 Flash FPGA의 시장이 대중 휴대용 또는 저가용 FPGA 시장에서는 점차적으로 큰 성장을 가질 것이다.

 

참고문헌

1.  Actel Corp, IGLOO Handbook,
2.  Altera Corp, Cyclone III Handbook,
3.  Xilinx Inc. Virtex Handbook,http://www.xilinx.com/
    support/documentation/white_papers/wp256.pdf
4.  J. Rose, RJ Francis, D. Lewis, and P.Chow, "Architecture of field programmable gate array," IEEE J. Solid State Circuits, vol. 25, pp. 1217-1225
5.  Robert Lipp, Rick Freeman, Tim Saxe, "High density flash memory FPGA family," IEEE 1996 CICC.
6.  K. J. Han, EDN Power Management Conference Proceedings, Oct. 2009

 

그림 1. 세계 코어 시스템 반도체 매출 도표 (iSupply 제공)
그림 2. PLD 매출 도표 (iSuppli 제공)
그림 3. Generic FPGA architecture. 일반 FPGA 아키텍처
그림 4. FPGA Configurable logic block(CLB) (courtesy of Xilinx). FPGA를 구성 가능한 로직 블록
그림 5. FPGA Configurable I/O block (courtesy of Xilinx). FPGA I/O 구성 블록.
그림 6. FPGA programmable interconnect (courtesy of Xilinx). 프로그래밍 인터커넥트.
그림 7. FPGA 임베디드 프로세서 코어
그림 8. FPGA with embedded PHY core (courtesy of Actel). FPGA 임베디드의 PHY 코어
그림 9. FPGA의 DSP 코어
그림 10. FPGA 프로그래밍 기술
그림 11. FPGA with embedded processor core (courtesy of Quicklogic). FPGA Cell
그림 12. FPGA 보안성
그림 13. FPGA Radiation Reliability Comparison
그림 15. FPGA with embedded processor core (courtesy of Quicklogic). Programmable SOC (PSOC)
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