휴대형 제품을 제조하는 업체들은 배터리 수명을 확보하기 위해 전력을 최저 수준으로 유지하려 하지만, 새로 추가된 기능들은 일반적으로 전력 소비를 증가시킨다. 일례로 휴대형 제품에 저장 장치와 백라이트 및 디스플레이용 LED, 키패드와 모터의 탑재가 많아지고 있으며, 이는 전력 소비 증가로 이어진다(그림 1).
휴대형 제품을 설계하는 엔지니어들은 다양한 기능과 부품의 제어를 위해 대부분 MCU와 ASSP(Application-Specific Standard Product), ASIC (Applications-Specific Integrated Circuit) 또는 CPLD(Complex Programmable Logic Device)에 의존해 왔다. 하지만 ASIC은 개발 시간이 길고 비용이 많이 들면서, 급변하는 시장 상황에 신속하게 대응할 수 있는 유연성이 부족하다. CPLD와 ASSP, MCU는 개발 기간과 비용은 조금 줄일 수 있지만, 전력 소모 측면에서 불리하다. 또한 휴대용 제품의 대부분 애플리케이션에서 필요한 수준의 집적도과 유연성 및 일부 특징까지 만족시키지는 못한다.
이 같은 상황에서 설계 엔지니어는 새로운 기술과 부품을 찾을 필요가 있다. 업계에서는 이러한 상황에 대응해 저장 장치와 디스플레이, HMI(Human Machine Interface) 및 소형 모터 제어 등과 같은 복합적인 과제를 수행할 수 있는 새로운 종류의 저전력 FPGA를 선택사양으로 제시하고 있다. FPGA는 재프로그램 가능성, 저전력, 통합성, 정교한 특성 및 신속한 시장 출시의 장점을 바탕으로 휴대형 시스템에서 활용도가 높아지고 있다.
기술 과제
지금까지 FPGA는 휴대형 애플리케이션에서 전력을 많이 소비하는 디바이스로 인식되어 왔지만, 새로운 저전력 FPGA의 등장으로 휴대형 시장에서의 가능성이 점쳐지고 있다. 이에 따라 FPGA는 배터리로 동작하는 휴대 제품에서 점점 더 많이 사용되고 있지만, 프로그래밍이 가능한 모든 제품들이 기술적 과제를 만족시키지는 못한다.
FPGA를 사용함에 있어서 비용의 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 최근 FPGA 업계의 기술 향상은 제품의 단가를 비약적으로 절감시켰다. 바로 이 같은 점이 최근 휴대형 애플리케이션에 FPGA의 채택이 커지게 된 가장 큰 요인이다. 하지만 대부분의 FPGA는 이 같은 기술 향상에도 불구하고 트랜지스터 누수로 인한 더욱 높은 전력 비용을 만들게 된다. FPGA는 다양한 전력 프로파일을 가지고 있으며, 일부 FPGA 디바이스들은 전체 시스템 설계와 전력 예산에 심각한 영향을 미칠 수도 있다.
반면 비휘발성, 플래시 기반 FPGA는 기존 SRAM기반 FPGA에 비해 기본적으로 전력 소비가 낮다. SRAM 셀 구조는 상당한 전력 누수 현상을 일으키며, 정전류가 높은 전력 소비 구성을 요구한다. 이와 달리 플래시 기반 셀은 누수 경로가 전혀 없으며, SRAM과 비교해 셀당 1000분의 1 수준의 전력 누수 성능을 제공하며, 전력을 소비하는 컨피규레이션 셀이 필요 없다.
저장 장치
오늘날 대부분의 휴대형 제품은 사진, 음악, 주소록, 캘린더 등 다양한 기능을 위한 저장 장치를 필요로 한다. 따라서, 저장 장치를 비롯해 핸드헬드 시장의 다양한 제품에 사용되는 SD, SDIO, 마이크로SD, MMC 및 CE-ATA 등과 같은 저장 장치관련 인터페이스 분야에서 기술 향상이 빠르게 진행되고 있다.
저장 장치 시장이 확대되면서, 제품 설계팀은 다양한 프로토콜과 인터페이스 표준에 따라 설계 시간을 줄이면서 최신 표준을 지원하는 새로운 휴대형 제품을 개발해야 한다. 특히 휴대형 제품은 일반적으로 다양한 인터페이스간의 조합을 통해 여러 애플리케이션에 사용되는 다수의 인터페이스를 지원해야 한다.
재프로그램 가능한 저전력 FPGA와 같이 재구성 가능한 단일 하드웨어 플랫폼은 시스템이 다수의 하드 디스크 및 플래시 저장 표준을 지원할 수 있도록 해준다.
FPGA는 다양한 스토리지 인터페이스간의 브리지 또는 다른 애플리케이션 프로세서 버스와 프로토콜에 대한 인터페이스 기능 구현에 필요한 유연성을 제공한다. 또한 FPGA의 다른 장점으로는 마벨 또는 프리스케일 등의 프로세서용 포트 확장 기능이 포함되어 있는 것이다.
FPGA의 재프로그램 특성을 활용하면 스토리지 인터페이스 컨트롤러의 기기 변경 없이도 변경된 표준에 맞춘 설계 구현이 가능하기 때문에 유연성을 높일 수 있다. 또한 FPGA는 초 저전력 대기 모드 또는 수면 모드를 구현할 수 있어 전력 소비를 획기적으로 줄여준다(그림 2). 그림 2의 회로 구성도는 초 저전력 플래시 기반 FPGA를 이용해 다양한 저장 장치 인터페이스 표준이 지원되는 방식을 제시한다.
디스플레이
제품 설계 엔지니어는 애플리케이션에 꼭 맞는 크기와 해상도를 발휘하면서, 표현 가능한 컬러 수가 많은 LCD 패널을 선택해야 한다.
특히, 엔지니어들은 설계 중에도 보다 향상된 성능과 저렴한 가격대의 새로운 디스플레이가 출시되면 부품 변경에 따른 난관에 부딪치게 된다. 따라서, 설계 엔지니어는 패널 선택, 디스플레이 컨트롤러 구성 및 시스템 재설계 등의 과제들을 떠안게 된다.
이처럼 가변적인 디스플레이 요구 사항 및 기술을 만족시키기 위해, 휴대형 디스플레이 지원 회로는 높은 유연성이 필요하다. 여기에 FPGA 기술을 사용하면, 모든 종류의 디스플레이가 모듈 방식의 단일 보드를 통해 지원된다. 또한, 타이밍 조절 및 이미지 조작 기능들도 동일한 FPGA에서 구현될 수 있다.
HMI 설계
디스플레이 및 저장 기능 이외에, 휴대형 제품은 사용자들이 애플리케이션과 상호작용할 수 있는 하나 이상의 HMI를 갖추고 있다. 휴대형 HMI 애플리케이션 설계 엔지니어는 급변하는 HMI 요구사항, 소형 폼팩터 및 배터리 수명 확장 등으로 귀결되는 제품 설계상의 어려운 문제에 부딪치게 된다.
키패드, 스위치, 버튼 및 스크롤 휠 등과 같은 다양한 종류의 입력 장치는 휴대형 제품과 사용자 간의 인터페이스 역할을 담당한다. 광범위한 영역의 인터페이스 지원 기능은 FPGA 기반 로직 및 IP의 조합을 통해 쉽게 구현될 수 있다. 이러한 접근 방식은 시장 출시 기간을 줄이는 한편 고객의 선호도에 부합할 수 있도록 최종 제품을 맞춤 설계할 수 있다(그림 3).
설계 엔지니어는 재프로그램 가능한 FPGA를 이용해 변화가 많은 HMI 규격 및 시스템 요구사항에 신속하게 적응할 수 있으며, 휴대형 인터페이스의 첨단 기술을 활용할 수 있다. 또한 모터 제어, 레벨 시프팅 등과 같은 다양한 기능은 단일 FPGA에서 구현될 수 있으며, 폼 팩터와 시스템 비용을 감소시킬 수 있다. 휴대형 시스템에서 HMI가 항상 실행되는 것은 아니며, 제품이 사용되지 않는 동안에 전력 절감 수면 모드 또는 대기 모드를 채용한 HMI 컨트롤러는 전력을 획기적으로 줄이는 한편 배터리 수명을 확장 시킬 수 있다.
소형 모터·서보 모터 제어
휴대형 제품에서의 소형 모터 활용도 증가하고 있다. 이처럼 모터가 일반화되면서, 휴대형 제품 설계 엔지니어는 MCU와 ASSP 또는 CPLD를 이용해 소형 모터 제어 기능을 제어한다. 하지만 MCU와 ASSP는 유연성이 낮으며, CPLD는 FPGA 수준의 집적도 또는 정교한 특성을 제공하지 못한다.
FPGA 기반 솔루션은 맞춤 알고리즘을 구현하는 플랫폼 기반의 설계 방식을 제공해, 디바이스의 재프로그램만으로도 설계를 쉽고 빠르게 변경할 수 있다. 특히 저전력FPGA는 추가 글루 로직과 다양한 기능을 하나의 칩에 통합할 수 있기 때문에, BOM(Bill of Materials), 보드 면적, 전력 소비와 비용을 감소시킬 수 있다(그림 4).
결론
초 저전력의 플래시 기반 FPGA 기술은 전력 절감 모드, IP 코어 및 첨단 애플리케이션 솔루션을 제공해, 설계 엔지니어는 급변하는 시장 상황에 적극 대응할 수 있는 유연성 및 기민성을 확보하게 됐다. FPGA는 혁신적인 설계를 통해 배터리 수명을 최적으로 활용할 수 있는 성능을 바탕으로, 산업용 기기, 의료 기기 및 일반 소비자용 휴대형 제품에 더욱 많이 사용될 것이다.
개리 수기타(Gary Sugita), 기업 애플리케이션 엔지니어링 부문 이사｜액텔
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