[첨단 헬로티]

네트워크 엣지가 빠르게 AI 프로세싱 미래의 핵심 부분이 되고 있다. 5G의 본격적인 추진으로 수십억 개의 기기가 인터넷에 연결됨에 따라 커넥티비티는 더욱 광범위하게 확산될 전망이다. 다양한 시장에서 인공지능(AI)와 머신러닝(ML, Machine Learning)의 이용에 대한 관심이 증대하고 있으며, 네트워크 엣지(Edge)에서 동작하는 AI·ML 프로세싱 기능을 갖춘 저전력 하이테크 장치에 대한 요구가 커지고 있다. 

엣지에서 수행되는 첨단 프로세싱은 최종 지점과 최종 사용자에 대한 지연을 줄이고 보다 안전한 사용자 개인정보를 유지하는 데 중요하다. 또한 인텔리전트 엣지 기기는 클라우드로 가는 데이터 트래픽을 걸러 네트워크 비용과 대역폭을 줄여준다.

이러한 많은 인텔리전트 엣지 기기는 이미지 센서를 사용해 다양한 임베디드 비전 애플리케이션을 지원하며, 객체 카운팅 또는 존재 감지와 같은 AI·ML 기반 애플리케이션을 포함한다. 그러나 엣지에서 임베디드 비전 애플리케이션을 지원하려면 기기에서 저전력 소비, 고성능, 높은 신뢰성, 소형 폼팩터와 같은 특정한 설계 및 성능 특성을 제공해야 한다. 이러한 애플리케이션을 위해 래티스반도체(Lattice Semiconductor)는 Lattice CrossLink-NX 브랜드로 새로운 FPGA 제품군을 내놓았다. 래티스의 새로운 칩은 여러 개의 센서와 디스플레이, 고해상도 비디오, 다양한 인터페이스 및 엣지 AI 프로세싱을 결합하여 비디오 프로세싱의 최신 동향을 지원하도록 설계됐다.

크로스링크와 넥서스가 만나다

래티스는 개발자가 신규 및 기존 임베디드 비전 시스템을 지원할 수 있도록 CrossLinkPlus의 전문화된 소형 풋프린트, 저전력 FPGA 제품군을 개발했다.

프로세싱 요구를 처리하는 프로그래머블 로직 기능과 다양한 인터페이스 표준을 갖춘 CrossLinkPlus는 엣지 애플리케이션에서 비디오 신호 병합과 이미지 코프로세싱을 위한 매우 적합한 설계다. CrossLinkPlus FPGA는 40nm 벌크형 CMOS 기술을 사용하여 생산된다.

이를 시작으로 래티스는 더 높은 수준의 성능을 필요로 하는 임베디드 비전 시스템을 위해 CrossLink-NX FPGA 제품군을 출시했다. 이 제품군은 래티스의 새로운 FPGA 플랫폼인 래티스 넥서스(Lattice Nexus)를 기반으로 구현된 첫 번째 FPGA이며, 28nm FD-SOI(Fully Depleted silicon-on-insulator, 완전 공핍형 실리콘-온-인슐레이터) 평면 공정 기술을 적용한 저전력 주류 FPGA 플랫폼이다. 

28nm FD-SOI 공정 및 저전력과 새로운 소형 폼팩터 패키징 옵션에 최적화된 새로운 FPGA 아키텍처 덕분에 CrossLink-NX는 FPGA 제품군의 기능을 더욱 확장한다. CrossLink-NX는 개발자에게 더 낮은 전력, 더 소형화된 폼팩터 패키지, 더 높은 성능, 더 높은 신뢰성, 손쉬운 사용을 위한 새로운 툴을 제공함으로써 비디오 및 센서 프로세싱에 최적화 된 기능을 제공한다. 

▲CrossLink-NX와 CrossLinkPlus 비교

Crosslink-NX 시장: 자동차, 모바일, 산업 및 기타 

Crosslink-NX 제품군은 비디오 스위칭과 이미지 프로세싱 시장에서 여러 다른 분야에 적용할 수 있을 만큼 충분히 유연하다. 이들 중 많은 애플리케이션은 여러 개의 디스플레이, 카메라, 센서(이미지 센서 및 기타) 간에 데이터 스트림을 브리징하거나 병합하도록 지원해야 한다. 또한 이들 제품은 동시적인 비디오 프로세싱과 AI/ML 추론을 위해 사용할 수 있다. 이 FPGA는 매우 전력 효율적이므로 모바일, 배터리 구동 기기에 사용할 수 있으며, 동시에 여전히 컴퓨팅 및 산업 제어 애플리케이션에 사용할 수 있을 정도로 충분히 강력하다. 

비디오 감시 및 보안 애플리케이션에서 CrossLink-NX는 센서 병합과 브리징에 사용할 수 있을 뿐 아니라 AI 추론을 구동해 얼굴 인식이나 존재 감지와 같은 기능으로 센서 데이터를 전처리하는 데에도 사용할 수 있다.

칩은 임베디드 비전 코프로세서로 사용하여 최대 14개 센서를 병합할 수 있다. 또한 비디오 스케일링, 회전, 색 공간 변환에도 사용할 수 있다. 이 칩을 이용하면 하나의 센서 스트림을 여러 위치로 전송할 수 있기 때문에 카메라가 여러 대의 프로세싱 장치에 공급해야 하는 자동차와 같은 애플리케이션에 유용하다.

▲임베디드 비전 동향

엣지 AI를 위한 Crosslink-NX 성능

종종 AI 프로세싱이 클라우드에서 수행된다고 생각하지만, 보다 안전한 사용자 개인정보를 보장하고 클라우드로 가는 데이터 트래픽을 줄이고 데이터 지연을 낮춰 기기의 응답 시간을 향상시키기 위해 엣지에서 로컬 AI 기능의 사용이 점점 중요해지고 있다.

다수의 요인들이 하드웨어 개발자가 엣지 AI·ML을 지원하는 것을 어렵게 만들고 있다. 예를 들어 AI·ML 결과의 정확도를 높이거나 새로운 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 임베디드 비전 개발자는 시스템에 더 많은 센서나 더 높은 분해능과 더 빠른 프레임 속도의 카메라를 추가한다. 동시에 임베디드 비전 설계자는 MIPI 표준을 준수하는 부품을 사용하려고 한다. 원래 모바일 시장을 위해 개발되었지만, 점점 광범위한 애플리케이션에 걸친 개발자들은 애플리케이션 프로세서와 같은 MIPI 구성요소가 가져다주는 높은 성능과 규모의 경제를 이용하는 방법을 찾고 있다.

CrossLink-NX FPGA는 다중 비디오 스트림을 처리하고 AI 컴퓨팅 기능을 즉시 수행하는 데 필요한 자원을 가지고 있으며 기존 인터페이스도 지원할 수 있다. 비디오와 디스플레이 애플리케이션을 위해 제품군은 여러 MIPI D-PHY 인터페이스와 CSI-2 카메라 인터페이스를 포함한다. 2개의 하드 D-PHY 인터페이스가 제공되며, 각 D-PHY는 최대 2.5Gbps 속도로 4개 레인을 지원한다(총 10Gbps). 추가적인 소프트 MIPI D-PHY 구성은 1.5Gbps 속도로 또 다른 최대 12개 MIPI 데이터 스트림을 지원할 수 있다. 기타 I/O에는 하드 5Gbps PCIe Gen2 및 1,066Mbps의 LPDDR3 DRAM이 있다.

CrossLink-NX의 하드 DSP 블록은 신경망(NN)을 국지적으로 처리하는 데 사용할 수 있다. 이 제품군은 어느 동급 FPGA(로직 셀당 170비트)보다 로직 블록당 가장 많은 임베디드 메모리를 제공한다. FPGA의 대형 온칩 SRAM은 1~2.5MB 범위에서 NN 활성화·가중치를 저장할 수 있다.

▲임베디드 비전 동향

FD-SOI 도입으로 혁신적이고 새로운 전력 모드 제공

FD-SOI를 사용하여 래티스는 개발자가 전력을 관리하는 혁신적인 방법을 개발할 수 있었다. 이 공정은 전압을 다이 뒷면에 인가할 수 있게 하므로(백-바이어스) 임계 전압을 변경할 수 있다. 이를 통해 래티스는 두 가지 동작 모드인 저전력 모드와 고성능 모드를 제공한다. 전력 최적화로 높은 주파수에서 동작 전력이 200mW 범위에 들어가며, 정적 누설은 수십 mW에 불과하다. CrossLink-NX FPGA의 전력 소모는 유사한 동급의 다른 경쟁 소자보다 최대 75% 더 낮다.

FD-SOI 공정은 소프트 오류에 더 강하다는 점에서 추가적인 이점을 제공한다. 소프트 오류는 고에너지 입자가 FPGA의 트랜지스터와 부딪치면서 동작을 방해하는 현상이다. FD-SOI를 사용하면 소프트 오류에 민감한 칩의 물리적 영역이 더 작다. SRAM 기반 LUT의 신뢰할 수 있는 동작을 보장하기 위해 추가로 메모리 블록 오류 교정 코드를 이용한 소프트웨어 오류 검사가 있다. 종합하면 FD-SOI을 적용한 CrossLink-NX의 소프트웨어 오류율(SER)은 벌크형 CMOS 공정으로 제조된 유사한 경쟁 FPGA 솔루션보다 최대 100배 더 낮다.

Crosslink-NX, 더 소형화된 풋프린트 

모바일 애플리케이션은 매우 조밀한 공간의 제약을 갖는다. 래티스는 서로 다른 수준의 로직 지원(17K 또는 40K 로직 셀)을 제공하는 제품군 제품 2종을 출시할 예정이다. CrossLink-NX 제품군의 이점은 3.7mm x 4.1mm 패키지 크기(17K 로직 셀 버전)까지 매우 작은 공간을 지원한다는 점이다. CrossLink-NX 제품군의 디바이스는 핀 호환 가능하므로 동일한 보드 설계를 다른 애플리케이션에 사용하거나 동일한 보드를 사용하는 디바이스의 미래 버전으로 성능 업그레이드를 제공할 수 있다.

인스턴트-온 성능

구성 파일을 위해 CrossLink-NX FPGA는 쿼드-SPI 플래시를 사용한다. I/O 핀은 먼저 3ms만에 구성할 수 있으며, 그런 다음 완전히 구성된 로직을 14ms 이내에 사용할 수 있다. 이러한 특성으로 인스턴트-온 성능은 많은 애플리케이션에서 발생할 수 있는 운영상의 문제를 줄여준다.

CrossLink-NX FPGA는 래티스 Radiant 디자인 툴(온칩 디버깅, 신호 무결성 분석, 설계 변경 주문 편집기 등 최근에 새로운 기능을 포함하도록 업데이트됨) 및 임베디드 비전 애플리케이션에 광범위하게 사용되는 다양한 IP 코어(MIPI D-PHY, 포맷 변환, PCIe, SGMII, OpenLDI)를 포함하여 확장하는 소프트웨어 라이브러리에 의해 지원된다. 또한 카메라 병합과 같은 일반적인 애플리케이션을 위한 개발 보드와 레퍼런스 디자인을 사용할 수 있으며, 향후 계속 출시될 예정이다.

결론

래티스 CrossLink-NX FPGA 제품군은 프로그래밍 기능과 고성능 프로세싱 및 고속 I/O 커넥티비티를 결합하고 있으며, 개발자에게 유연성, 전력 효율, 프로그래밍 기능, 소형 풋프린트 및 고속 비디오 인터페이스를 필요로 하는 인텔리전트 임베디드 비전 애플리케이션을 위한 광범위한 옵션을 제공한다. 이들 제품은 래티스 넥서스 FPGA 플랫폼에 기반해 시장에 본격 선보이는 첫 제품인 셈이다.

글: 래티스반도체(Lattice Semiconductor)