■ ADSA 도입, 차량 설계시 핵심적 요소

첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)의 도입은 이제 차량의 안전성과 이용 편의성을 향상시키기 위한 차량 설계에서 핵심적인 요소가 됐다.

자동차 제조사들은 더 높은 수준의 자율 주행 차량을 만들기 위해 노력하고 있으며 궁극적으로 완전한 자율 주행(autonomous driving, AD)을 구현하려는 방법을 모색 중에 있다.

ADAS 및 AD, 그리고 인포테인먼트와 개인 서비스 맞춤화(personalization)에 대한 사용자의 기대가 높아짐에 따라 자동차는 움직이는 데이터 센터(Mobile Data Centers)로 진화하고 있다.

따라서 소프트웨어 정의 자동차(SDV, software-defined vehicle)에 필요한 집적 회로(IC), 회로 기판, 모듈 등의 핵심 하드웨어 요소들 간의 통신은 성공적인 자율 주행 운영을 위해 필수적이다.

실제로 일부 자동차에 이미 1억 줄 이상의 코드가 사용되고 있는 현 상황에서 시장조사 전문기관인 스트레이츠 리서치(Straits Research)에 따르면, 차량용 소프트웨어 시장의 규모가 2030년까지 연평균 성장률(CAGR)  14.8%로 약 580억 달러에 육박할 것으로 예상된다고 한다.

자율주행 소프트웨어의 복잡성과 카메라, 레이더(Radar: Radio Detection and Ranging)와LiDAR(라이다, Light Detection and Ranging), 초음파 등과 같은 다양한 비전 시스템 센서에서 발생하는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리하는 작업에는 상당한 어려움이 따른다.

예를 들어, 그림1은 자동차 산업에서 현재 사용되는 전통적인 통신 인프라와 표준들이 한계에 도달했음을 보여 준다.

이더넷과 CAN(컨트롤러 영역 네트워크, Controller Area Network) 버스는 미래 자동차 아키텍처에서도 여전히 중요한 역할을 하겠지만, ADAS 및 AD에 인공지능(AI)과 머신러닝(ML)을 통합하기 위해 필요한 고성능 컴퓨팅 플랫폼(HPC, High-Performance Computing Platform)의 요구사항을 충족하려면 보완이 필요하다.
 

■ 하위 호환성을 제공하는 자동차용 PCIe® 기술

PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 기술은 지난 2003년 컴퓨팅 산업의 필요를 충족시키기 위해 개발됐다.

현재 PCIe는 항공우주 및 자동차 산업에서도 사용되고 있으며, 특히 DO-254라는 규격을 준수하는 펌웨어에 구현된 안전이 중요한 애플리케이션에서 활용되고 있다.

PCIe는 두 장치가 직접 연결되어 데이터를 주고받는 점대점 양방향 버스(point-to-point bidirectional bus)로 직렬 버스 방식이지만, 단일 레인 또는 병렬 레인(2, 4, 8, 16개)을 사용해 더 큰 대역폭을 구현할 수 있는 하이브리드 방식이다.

또한 PCIe 성능은 매 세대가 발전할 때마다 향상되고 있다. 그림2는 PCIe의 기술의 진화 과정을 보여준다.
 

PCIe은 약 4.0 세대부터 서비스에 들어가 이미 일부 자동차 애플리케이션에서 사용 중이다.

하지만 6.0 세대의 데이터 전송 속도가 64 GT/s에 이르고, 16개의 레인을 사용할 경우 총 대역폭이 128 GB/s에 이르는 등, 성능이 향상되었기 때문에 지금이 PCIe를 도입하기에 그 어느 때보다 좋은 시점이다.

여기서 주목할 점은 PCIe가 이전 버전과의 하위 호환성을 제공한다는 점이다.

자동차가 ‘바퀴 달린 데이터 센터’로 진화하고 있다는 전제를 바탕으로, 일반 데이터 센터에서 PCIe 기술을 왜 사용하는지에 대해 살펴보자.

■ PCIe 고성능·저전력 이상적 버스

데이터 센터는 클라우드에서 고성능 컴퓨팅(HPC)을 지원하기 위해 하나 이상의 서버와 더불어 스토리지 장치, 네트워크 구성요소, 입출력(I/O)을 포함한 주변장치로 구성된다.

PCIe는 오늘날의 고성능 프로세서에 포함돼 있으며, 서버와 주변장치 간의 저지연, 고속 연결을 구축하는데 이상적인 버스다.

예를 들어, 비휘발성 메모리 익스프레스(Non-Volatile Memory Express, NVMe)는 플래시 메모리와 PCIe 인터페이스를 사용하여 작동하도록 특별히 설계됐다.

PCIe 기반 NVMe SSD(Solid State Drives)의 읽기/쓰기 속도는 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 인터페이스를 사용하는 SSD보다 훨씬 더 빠른 읽기/쓰기 속도를 제공한다.

실제로 모든 스토리지 시스템, SSD, 하드디스크 드라이브(HDD)는 복잡한 AI 및 ML 애플리케이션이 필요로 하는 수준의 성능을 제공하지 못한다.

PCIe를 통한 저지연은 서버에서 실행 중인 애플리케이션 간의 성능 향상에 직접적인 영향을 미친다.

즉 PCIe가 프로세서나 NVMe SSD 이외 다른 구성요소에도 포함되고 있다는 것을 의미한다.

또한 PCIe는 클라우드와 이를 액세스하는 시스템 간 게이트웨이 역할을 제공하는 여러 부품에도 포함되어 있다.

그리고 자동차가 자체적으로 이동하는 데이터 센터인 동시에 ‘스마트 시티’ 사이를 오가며 노드 역할을 할 것이라는 잊지 말아야 한다.

NVMe의 데이터 센터 내 사용은 전력 소비 측면에서도 인기를 끌고 있다.

예를 들어 미국 에너지부 는 디바이스 수만 개를 보유한 대규모 데이터 센터 한 개가 8만 가구에 전력을 공급할 수 있는 100 MW 이상의 전력을 소비한다고 추산했다.

NVMe SSD는 비슷한 크기의 SATA SSD 대비 3분의 1 미만의 전력을 소비한다.

자동차 산업 부문에서도 전력 소비는 중요한 문제다. 특히, 전기차(EV)에서는 전력소비가 주행 거리에 직접적인 영향을 미친다.

자동차 엔지니어 특히 전기차 개발자들은 크기, 무게 및 전력(size, weight, power, SWaP) 문제에 더욱 집중한다.

미래 ADAS 구현 시 전력 소모가 최대 1 kW까지 상승하고 열 관리를 위한 액체 냉각 시스템이 필요할 수 있다는 점을 고려하면 당연하다.

하지만 다른 산업 분야에서 시사점을 찾을 수 있다.

항공우주산업은 SWaP(크기, 무게, 전력)과 비용(SwaP-C) 요구사항을 충족시키기 위해 수십 년 동안 설계를 해왔고, 전원 공급 장치 같은 액체 냉각 시스템이 적용된 교체 가능한 부품(LRU, line replaceable unit)은 일부 군사용 플랫폼에서 10년 이상 사용되어 왔다.

■ 최적화된 ADAS·AD 구현 PCIe 필요

데이터 센터는 PCIe 하드웨어를 오랫동안 활용해 왔으며, 다양한 작업 부하(Workloads)에 맞춰 시스템을 최적화하기 위해 PCIe를 적극적으로 활용해 왔다.

또한 데이터 센터는 다양한 프로토콜을 사용하는 인터커넥트(Interconnect, 상호연결) 시스템 개발에도 능숙하다.

예를 들어 PCle는 즉각적인 응답이 필요한 작업에 사용되는 반면, 이더넷(Ethernet) 같은 속도가 덜 중요한 통신 방식과 함께 사용되어 지리적으로 분산된 시스템 간의 연결을 지원할 수 있다.

오토모티브 환경에서 이러한 ‘속도가 덜 중요한’ 통신으로는 센서 간 데이터 전송이나 차량용 조명 제어 기능 같은 원격 측정 기술(telemetry)이 있다.

이러한 기능들은 PCIe가 필요하지 않지만 거리가 몇 센티미터 밖에 되지 않는데 실시간 처리를 수행하는 IC 간의 단거리 대용량 데이터 통신에는 PCIe가 필요하다.

따라서 최적화된 ADAS(첨단 운전자 시스템) 및 AD(자율주행 시스템)을 구현하려면 이더넷, CAN, SerDes(직렬/병렬 변환기, Serializer/Deserializer)와 함께 PCIe도 필요하다.

이더넷과 달리 자동차용 PCIe 표준이 따로 없지만 최근 몇 년 간 차량용 애플리케이션 분야에서 PCIe가 활용되고 있다.

마찬가지로 항공우주 산업용 PCIe에 대한 특정 표준이 정립되지 않았지만 끊임없이 SWaP-C(크기, 무게, 전력, 비용) 최적화를 추구하는 대형 항공우주 및 방위산업 기업들은 안전이 필수적인 애플리케이션에서 PCIe 프로토콜을 적극적으로 활용하고 있다,

솔루션이 상호운영성(Interoperability)과 확장성(Scalability)에 최적화되어야 하기 때문에, PCIe는 자동차 산업에서도 선호되는 컴퓨터 인터커넥트(상호연결) 솔루션으로 떠오르고 있다.

PCIe는 초저지연(Ultra-low latency)과 저전력 대역폭 확장성(Low-power bandwidth scalability)을 제공하여 CPU와 특수 가속 디바이스(Accelerator devices) 간의 효율적인 데이터 전송을 가능하게 한다.

차량 전용 PCIe 표준이 아직 없지만 반도체 제조업체들은 혹독한 오토모티브 환경에서도 PCIe가 더욱 널리 활용될 수 있도록 기술을 발전시키고 있다.
 

예를 들어, 마이크로칩은 지난 2022년 업계 최초로 오토모티브 인증 4세대 PCIe 스위치를 출시했다.

Switchtec™ PFX, PSX 및 PAX 로 불리는 이 스위치들은 ADAS 아키텍처에서 분산형, 실시간 안전 필수적인 데이터 처리를 위해 필요한 고속 인터커넥트를 제공한다.

마이크로칩은 이러한 스위치 외에도 플래시 기반 FPGA와 SoC뿐만 아니라 NVMe 컨트롤러, NVRAM 드라이브, 리타이머(retimers), 리드라이버(redrivers) 및 타이밍 솔루션 등의 다양한 PCIe 기반 하드웨어를 제공한다.

마지막으로 자동차 산업이 고려해야 할 또 하나의 사항은 데이터 센터가 CapEx (자본지출, 혹은 설비투자비용)를 미래의 연금처럼 장기적 투자로 취급한다는 점이다.

지금까지 대부분의 자동차 OEM은 CapEx를 구매 시점에서 발생하는 일회성 수익으로 간주해 왔다.

이러한 시각은 하드웨어와 관련해서는 문제가 없다. 물론 대부분의 OEM은 때때로 소프트웨어 업데이트에 대해 요금을 부과하지만, SDV에서는 비즈니스 모델을 완전히 재고할 필요가 있다.

이제 더 이상 단순히 하드웨어만을 기준으로 비용을 산정하는 방식은 적절치 않다

■ 자동차용 솔루션, 처음 개발 대신 기존 HPC 아키텍처 솔루션 적용 효과적

자율 주행 수준을 향상시키려면 자동차는 고성능 컴퓨팅 역량을 갖추고 다양한 센서에서 생성되는 방대한 규모의 데이터를 처리할 수 있는 ‘바퀴 달린 데이터 센터’가 되어야 한다.

다행히 고성능 컴퓨팅(High-Performance Computing, HPC)는 이미 구축되어 고빈도 매매(High Frequency Trading, HFT) 시스템과 클라우드 기반 AI/ML 애플리케이션의 핵심 기술로 자리잡았다.

검증된 하드웨어 아키텍처와 PCIe와 같은 통신 프로토콜도 이미 존재하는 상태다.

이는 자동차 제조업체들이 데이터 센터에서 HPC가 어떻게 구현되는지를 통해 많은 것을 배울 수 있다는 것을 의미한다.

AWS, 구글과 같은 여러 클라우드 서비스 제공업체들도 마찬가지로 수년 간 HPC 플랫폼을 개발하고 최적화해 왔으며, 즉각적으로 사용할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 이미 존재한다.

자동차 제조업체들은 새로운 솔루션을 처음부터 개발하는 대신, 이러한 기존의 HPC 아키텍처를 적응시켜 사용하는 것이 더 효과적일 것이다.


※ 기고
다니엘 레이(Daniel Leih) 마이크로칩테크놀로지 USB 및 네트워킹 사업부 제품 마케팅 매니저