[첨단 헬로티]

멀지 않은 미래에 자동차는 출퇴근 시간 대 사무실이 되고 장거리 여행을 할 때에는 엔터테인먼트 센터가 될 것이다. 탑승자는 자동차 안에서 비디오 게임을 하거나 소셜 미디어에 포스팅을 하고 UHD 디스플레이로 영화를 감상할 수 있을 것이다. 이와 동시에 자동차는 탑승자를 약속한 지점으로 더욱 안전하고 효율적으로 이동시켜 줄 것이다. 이것이 바로 자율 자동차가 약속하는 미래다. 자율 주행에 대한 관심이 높아지면서 자동차 회사 및 협력사는 자율 주행 기술로 자사와 타사 브랜드를 차별화할 수 있을 것이라 믿으며 더욱더 개발에 박차를 가하고 있다.

오늘날 우리는 아직 완전하지는 않지만 빠르게 발전하고 있는 자율 주행 시스템과 인포테인먼트 시스템을 통해 자동차의 진보를 경험하고 있다. 현재 자동차는 간단한 단일 기능의 저해상도 디스플레이뿐만 아니라 후방 카메라와 고해상도 디스플레이까지 포함하고 있다. 이제는 10여 개 이상의 카메라, 몇 대의 고해상도 디스플레이, 모든 데이터를 전송하기 위한 다수의 시리얼 링크를 포함하는 자동차를 쉽게 찾아볼 수 있다. 

 

미국 시장조사업체 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)는 자동차의 신호처리 주파수 대역폭이 올해를 기준으로 2020년에 25배로 늘어날 것이라 예측했다. 여기에 포함되는 핵심 요소 중 하나인 고해상도 디스플레이에는 해상도와 프레임 속도가 증가하고 처리해야 할 데이터가 많아질 수록 데이터 전송을 위해 더욱 높은 대역폭이 필요하다. 미래 자동차는 화상 회의, 스트리밍 비디오, 소셜 미디어, 이메일 접속, 기타 온라인 활동으로 광범위하게 증가한 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 이로 인해 자동차의 시스템이 처리해야 할 주파수 대역폭 또한 폭발적으로 증가할 것이다.

하지만 현존하는 모든 시리얼 링크 기술이 높은 대역폭과 내부 시스템간 복잡한 연결, 데이터 처리에 대한 신뢰성을 모두 충족시키는 것은 아니다. 사실 자동차의 동작 환경을 고려했을 때 특히 전장에 사용되는 시리얼 링크 기술에서 신뢰성을 확보하고 지연 시간을 최소화하면서 동시에 대량의 데이터를 빠르게 전달하는 것은 쉬운 일이 아니다. 

▲ 자율 운전 기능을 위해서 더 빠른 데이터 속도와 더 넓은 대역폭이 요구된다.

첨단운전자지원시스템

Advanced Driver Assistance System ADAS :운전의 안전성 지원

자동차 전문 매체 오토블로그(Autoblog)는 “최근 들어 자율주행 기술인 ADAS가 대중적 모델로 확산 적용되는 추세다. 전문가들은 ADAS 기술이 또 다른 첨단 기술 경쟁의 장이 될 것으로 예측하고 있는데, 이는 자동차 회사들이 ADAS 기술의 성숙도를 다른 브랜드와의 차별점으로 인지하기 때문”이라고 의견을 밝혔다. 

현존하는 ADAS 기술은 보행자 및 신호등 감지부터 차선 이탈 경고, 운전자 졸음 감지, 충돌 방지와 같은 기능을 구현하며 이 외에도 다양한 안전 기능이 현재 사용되고 있거나 개발 중이다. 특정 애플리케이션은 차량 주행 안전성을 높이고자 법제화 및 의무화되고 있다. 일례로 미국과 유럽에서는 2020년까지 모든 자동차에 비상 제동 시스템과 전방 충돌 경고 시스템을 갖추도록 하는 법안이 통과돼 ADAS 기술이 장착되지 않으면 차량을 판매할 수 없도록 법규화하고 있다.

ADAS 관련 시스템은 레이더, 라이다(LiDAR), 카메라를 비롯한 다양한 센서를 사용한다. 차량 각 부위에 있는 센서가 데이터를 매우 정밀하고 정확하게 수집해 전송하면 마이크로컨트롤러(MCU)나 전자 제어 유닛(ECU)은 정교하게 설계된 소프트웨어 알고리즘을 사용해서 정확하고 빠르게 데이터를 처리해야 한다. 처리된 정보는 운전자나 시스템이 해당 상황에 대해 적절한 조치를 취할 수 있도록 신속하게 실시간으로 전달 되어야 한다. 특히 주변 상황을 인지하기 위한 센서에서 큰 축을 담당하고 있는 자동차용 카메라 시스템의 경우 매우 방대한 양의 이미지 데이터를 빠른 속도로 시스템에 전달할 수 있어야 한다. 

일반적인 경우 서라운드 뷰 시스템에서는 각각의 카메라가 1280 x 800 픽셀 해상도를 30f/s 프레임 속도로 처리해야 한다.  게다가 카메라 모듈에 사용된 모든 집적 회로(IC)는 극한적인 온도 범위와 다양한 환경 조건을 견딜 수 있어야 하며 자동차의 수명이 다할 때까지 신뢰할 수 있는 동작 내구성을 갖추어야 한다. 매우 제한적인 공간은 또 다른 어려운 숙제다. 자동차에 장착되는 카메라 시스템 수는 갈수록 늘어나는데 주어진 공간은 변하지 않기 때문이다. 자동차 부품사는 시스템을 더 작게 만들면서 동시에 비용을 낮춰야 하는 숙제를 가지고 있다.

▲ 미래 자동차는 ADAS나 인포테인먼트 같은 애플리케이션을 작동하기

위해 후방 카메라를 포함한 10여 개에 달하는 카메라를 탑재할 것이다.

인포테인먼트 : 풍부한 운전 경험을 제공하다

ADAS가 안전성과 편의성을 높이기 위한 것이라면 인포테인먼트 시스템은 멀티미디어 콘텐츠, 내비게이션, 통신, 터치 스크린으로 편의성을 제공하고 음성 제어까지 사용해 운전자와 탑승자의 경험을 풍부하게 해주는 시스템이다. 이 시스템은 매우 복잡하고 분산되어 있으며 자동차 내 다양한 제어 유닛에 접근하고 각각의 여러 유닛은 필요한 정보들을 동시에 병렬로 처리해야 한다. 이런 숙제를 해결하기 위해 현재 자동차 시스템은 다양한 버스 형태의 통신 프로토콜을 사용하고 있다. 

예를 들어 MOST(Media Oriented System Transport)기술은 인포테인먼트 시스템을 다양한 오디오 증폭기, 튜너, CD/DVD 체인저 등과 연결하는 데 사용된다. CAN(Controller Area Network) 기술은 편의성을 필요로 하는 통신에 사용된다. 또한 내비게이션, 클러스터 등에 압축되지 않은 비디오 데이터의 암호화 및 비암호화 전송을 위해 별도로 포인트 투 포인트(Point to Point) 연결이 필요한데, 여기에는 시리얼라이징(serializing) 및 디시리얼라이징(de-serializing) 기술이 요구된다. 이전의 단순한 고속 비디오 전송 기술이 비디오 및 오디오 신호 제어에 필요한 통신 채널까지 지원할 수 있는 기술로 진화하고 있다. 

V2V(Vehicle-to-Vehicle) 및 V2X(Vehicle-to-Everything) 통신: 안전성과 효율성 향상

사물인터넷(IoT)은 다양한 제품을 스마트하게 만들며 넓은 범위의 연결을 가능하게 한다. 물론 자동차도 예외는 아니다. IoT의 한 줄기로 해석되는 무선 V2V(Vehicle-to-Vehicle)와 V2X(Vehicle-to-Everything) 통신 기술은 자동차가 다른 자동차나 교통 신호등 같은 도로 상 정지된 물체들과 통신 할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 자동차는 다른 자동차에게 자신의 위치·속도·제동 상태 같은 유용한 데이터를 알려줄 수 있다. 이 기술은 단순하게 차량 간 충돌을 방지하는 차원을 넘어 차량 관리, 연료 사용 정도, 교통 흐름, 주차 등 전체 교통망 시스템을 관리할 수 있는 데이터를 제공하고 효율성을 제고한다. 

2016년 봄에는 ‘유러피언 트럭 플래툰 챌린지’ 행사의 일환으로 유럽 지역에서 완전 자율에 가까운 트럭 10여 대를 와이파이로 연결하고 자율주행 시스템을 시연했다. 이 행사에서 트럭을 서로 1초 미만의 간격으로 편대를 지어서 운전하도록 했다. 이는 편대 운행이 교통의 안전성과 흐름을 향상시키고 연료 소모와 탄소 배출을 낮추는 장점을 증명했다. TNO(네덜란드 응용 과학 연구 기관) 연구에 따르면 이러한 편대 운행 기술은 평균 연료 소모를 10% 줄이고 사람의 실수에 의한 사고를 예방할 수 있다고 한다(교통 사고의 90% 이상이 사람의 실수에서 비롯된다).  편대 운행의 핵심 기술은 V2V와 V2X 시스템이다. ADAS 및 인포테인먼트 시스템과 마찬가지로 V2V와 V2X 시스템을 구현하기 위해서는 높은 주파수 처리 대역폭과 신뢰성 있는 데이터를 전송하는 기술이 필요하다. 

미래 자동차를 위한 고속 시리얼 링크

미래 자동차에 사용되는 시리얼라이저와 디시리얼라이저(SerDes)는 대량의 데이터를 고속으로 전송해 자동차 내에서 비디오, 오디오, 통신을 가능하게 한다. 다양한 형태로 이루어진 대량의 데이터를 처리하기 위해서는 높은 대역폭, 성능, 신뢰성을 가진 통신망이 요구된다. 오늘날 자동차는 일반적으로 이더넷 백본을 사용하고 있으므로 많은 OEM 회사는 새로운 카메라를 추가 할 때 기존에 구축되어 있는 이더넷 백본을 활용한다. 

이더넷은 양방향이며 패킷 구조의 시스템을 갖추고 있어 링크를 통해 CAN 버스 대비 100배 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있는 장점을 가지고 있다. 빠른 데이터 처리 속도로 이더넷은 내비게이션 시스템이나 제어용 통신 같이 중간 정도 대역폭이 필요한 통신 시스템에 널리 사용되고 있다. 연장선상에서 이더넷은 백업 카메라와 엔터테인먼트 시스템을 지원하는 것에도 사용된다. 하지만 중간 정도의 대역폭만을 처리할 수 있는 한계 때문에 고해상도 영상을 전송하기 위해서는 필수적으로 압축과 이를 푸는 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 

낮은 대역폭 통신에는 CAN 버스가 중요한 역할을 한다. CAN 버스는 1Mbps 미만의 속도로 동작하기 때문이다. CAN 버스를 활용할 수 있는 애플리케이션은 트랜스미션, 창문, 파워 스티어링, 제동, 기타 기계 시스템에 관해 통신과 같이 제한적인 데이터 양을 사용하는 애플리케이션이다.

자동차 시장이 고해상도를 넘어 점점 더 초고해상도를 요구하면서 이를 전송할 수 있는 초고속 링크에 대한 요구가 높아졌다. 이와 함께 자동차 회사는 혁신의 일환으로 헤드 유닛에 점점 더 많은 전자 장비들을 통합해 전체 시스템에 필요한 공간과 전력을 최소화 하고 있다. 그러나 아쉽게도 현재 시장에 출시된 대부분의 시리얼 링크 기술은 이러한 요구를 100% 만족시키지 못한다.

GMSL : 더 낮은 비용으로 더 높은 데이터 속도를 달성하다

맥심 인터그레이티드는 10억 개 이상의 자동차용 IC를 판매한 회사로서 차내 여러 통신 애플리케이션이 요구하는 높은 대역폭을 실현해 다양한 데이터 타입을 지원할 수 있는 초고속 링크 기술을 제공한다. 맥심의 기가비트 멀티미디어 시리얼 링크(GMSL) 병렬-직렬 송신회로(SerDes) 기술은 엄격한 자동차 전자파(EMC) 규격을 충족하면서 15m의 단일 동축 케이블이나 10m~15m의 STP(Shielded-Twisted Pair) 케이블을 통해서 HD 비디오, 오디오, 제어 정보, 취합된 센서 데이터, 기가비트 이더넷을 동시에 전송할 수 있다. 동축 및 STP 케이블을 사용해 복잡한 인터커넥트 백본을 완화할 수 있으며 더 낮은 시스템 비용으로 비디오 멀티 스트리밍을 지원한다. 이더넷 기술과 달리 GMSL 기술은 압축 없이 멀티 메가픽셀 이미지를 전송할 수 있기 때문에 물체나 보행자 감지 같은 안전 관련 기능에 필요한 머신 비전(기계 시각 인식) 기술을 지원하는 데 최적화된 솔루션을 제공한다(압축 시 발생하는 데이터의 왜곡 및 손실로 인해 머신 비전의 지원이 어려워진다).

맥심의 모든 GMSL SerDes IC는 대역 확산(Spread Spectrum)이라 불리는 전자파 방사 회피 기술 기능을 제공해 방사를 최소화함으로써 자동차 전자파 규격을 쉽게 충족시킨다. IC는 PoC(Power-over-Coax, 신호 전송용 동축 케이블을 통한 전원 공급) 기술 및 아키텍쳐를 제공해 추가적인 전력 배선이나 접지 와이어가 필요 하지 않아 비용과 공간, 무게까지 세 마리 토끼를 잡을 수 있다. 

양방향 제어 채널을 이용하면 하나의 MCU만을 사용해서 시리얼라이저 및 SerDes와 주변에 연결된 모든 장치를 프로그래밍하고 제어할 수 있게 된다. 이런 컨셉을 적용하면 현재 시스템 주변부에 모든 시스템의 마이크로컨트롤러와 통신·제어·파워 및 이와 관련된 주변 기능을 구현하는 소자들을 제거할 수 있다. 뿐만 아니라 이로 인해 전체 시스템의 전력 소모가 감소되며 저렴하고 수급이 좋은 케이블로 교체할 수 있다. 이를 통해 전체 시스템은 가격이 저렴해지며 성능을 크게 개선할 수 있는 이점을 가지게 된다. 

▲ 표 1. 차세대 GMSL과 현재 GMSL의 카메라와 디스플레이 해상도 비교

또한 GMSL을 통해서 여러 개의 카메라 모듈을 데이지 체인으로 연결할 수 있는 것도 매우 효과적이다. 이 역시 시스템 비용을 낮추고 설계 시간을 단축하는 데 도움을 준다. 신뢰성 또한 포기할 수 없는 요소인데 IC는 여러 진단 기능을 제공함으로써 데이터 무결성을 향상시켜 시스템의 신뢰성을 높인다. 그림3과 같이 비디오 채널을 통합 및 분산할 수도 있다. 맥심의 새로운 라디오 튜너 솔루션 칩셋은 GMSL 기술이 어떻게 자동차 디자인을 간소화하고 공간과 전력을 절약하는지 보여주는 좋은 예다. 이 칩셋은 14비트 GMSL 시리얼라이저와 14비트 GMSL SerDes를 포함한다. 이 칩셋을 사용해 헤드 유닛 디자인을 혁신적으로 간소화하고 더 우수한 라디오 신호 품질을 보장함과 동시에 비용·무게·전력 소모를 낮출 수 있다. 

오늘날 고급 자동차는 제한적인 헤드 유닛 공간에서 최대 6개의 라디오 리시버를 사용해 설계, 레이아웃, 열 발생과 관련된 기술적 어려움이 발생한다. 하지만 GMSL 링크를 사용하면 튜너들의 출력을 단 한 개의 케이블로 고속 전송해 노이즈의 내성을 높여 시스템의 성능 개선과 함께 필요한 케이블의 양을 대폭 줄일 수 있다. 

자율 주행 기술이 출현하면서 전통적인 자동차 회사뿐 아니라 구글과 애플 같은 거대 IT 회사까지 앞다투어 자동차 기술 개발에 적극적으로 참여하고 투자하게 됐다. 하지만 완전한 의미의 자율 주행 자동차가 실제 도로에서 주행을 시작하기까지 아직 해결해야 할 과제가 많다. 이를 실현하기 위해 폭발적으로 증가하는 데이터를 획득하고 처리해야 하는데, 이를 위해 신뢰성 높은 고속 데이터 통신이 가능하고 실시간 처리 시스템을 구현하는 고속 시리얼 링크에 대한 수요가 증가할 수밖에 없다. 차세대 자동차는 ADAS, 인포테인먼트, V2V, V2X 같은 애플리케이션을 구현하기 위해 초고속 통신을 실현하는 높은 주파수 대역폭 처리 능력과 높은 신뢰성, 최소한의 지연 시간이 필요하기 때문이다.

GMSL 기술은 계속해서 진화하고 있다. 그리고 이 기술은 앞으로 개발될 다양한 차세대 자동차 통신 애플리케이션에서 고속 데이터 송수신 솔루션으로서 중요한 역할을 담당할 것이다. 오늘 이 순간에도 업계를 이끌어가고 있는 최첨단 자동차 회사는 이미 자사의 첨단 자동차에 GMSL 기술을 도입하고 있다. 이와 더불어 앞으로 다가올 미래를 위해, 즉 초고성능 카메라 및 초고해상도 디스플레이를 지원하고 다양한 인터페이스와 프로토콜, 대량의 데이터 구현의 지연시간을 최소한으로 개선하기 위해 오늘도 맥심의 엔지니어들은 계속해서 꿈의 속도의 주파수 처리 대역폭을 실현하고자 혁신적인 노력을 기울이고 있다. 

▲비디오 채널 통합 및 분산이 가능한 GMSL SerDes 기술

롤랜드 돈(Roland Dorn) 시리얼 링크 오토모티브 사업부 이사, 맥심 인터그레이티드