초저전력 MCU의 변화를 주도하는 loT

  • 2017년 11월호
  • 글 | 스테판 샤우어/시스템 엔지니어, 푸냐 프라카쉬/마이크로컨트롤러 텍사스 인스트루먼트


초저전력 마이크로컨트롤러는 배터리 구동 애플리케이션과 무선 커넥티비티 기술이 기본 요건이 됐다. 이를 지원하는 TI SimpleLink MCU 포트폴리오를 통해 센서 기반 애플리케이션 제품을 차별화할 수 있다.

저전력(ULP) 마이크로컨트롤러(MCU) 시장은 커다란 변화를 겪어 왔다. 지난 25년 동안 이 산업은 에너지 절약을 위해 매우 헌신적인 노력을 했다. 배터리 구동 애플리케이션들과 무선 커넥티비티 기술을 넣은 옵션들이 점점 더 강조되면서, 이는 ULP MCU의 기본적인 요건이 됐다.

2014년 3월에 출시된 ULPBench 벤치마크는 ULP 파라미터들을 표준화해 MCU 에너지 효율을 믿을 수 있고 안정적으로 측정할 수 있는 방법을 제공했다. 그 전에는 ULP라고 주장하는 두개의 MCU를 비교할 방법이 전혀 없었다. EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) 기구 산하의 ULPBench 실무 그룹은 개발자들이 서로 다른 벤더들의 MCU들과 기능 세트들(CPU 전력 소비, 주변장치 구현 등)을 비교할 수 있는 표준화 벤치마크 툴 세트를 정의하고 발표하는 일에 나섰다.

ULP MCU의 벤치마크 툴인 ULPBench CoreProfile의 출시는 이 문제를 해결하는 첫 걸음이 됐다. 이 툴은 사전에 결정된 조건들을 기반으로 수치 점수를 제공하는데, 점수가 높을수록 전력 소비는 낮아지게 된다. 이 툴은 업계 ULP 리더들의 자격을 검정하는 중요한 수단이 됐다. 이 점수는 MCU 산업에서 ULP 전력 소비의 차이가 시간이 지나면서 얼마나 감소했는지를 보여준다.

MCU 벤더들 간의 ULP 점수 차이가 좁혀지긴 했지만, 저전력에 대한 필요성은 여전할 뿐만 아니라, 특히 애플리케이션들이 더 똑똑해지면서 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상된다. 이러한 툴들이 업계에서 효과적으로 기술 표준을 도입하긴 했지만, 사실 최종 애플리케이션이 차이점을 만들어 내는데 상당한 절전을 필요로 한다. 이번 기고에서는 TI SimpleLink MCU 포트폴리오의 주변장치 지능을 바탕으로, ULP 요건을 해치지 않으면서 향상된 지능을 이용해 어떻게 이 산업의 변화를 이끌고 센서 기반 애플리케이션의 제품을 차별화할 수 있는지에 대해 설명하고자 한다.

Big 3

MCU의 전력 프로파일에 영향을 주는 세 가지 주요 벡터는 다음과 같다:
- 성능
- 메모리
-누출

지금까지 저전력 MCU는 성능이 낮았다. 벤더들은 초기에 여러 전력 스테이지를 제공했는데, 이때의 누출 전류가 전체 시스템 전력에 큰 영향을 미쳤다. MCU가 여러 전력 스테이지를 제공해 작동 전류를 메가헤르츠 당 밀리와트(mW/MHz)로 평가하고 수면 모드 누출은 점점 어려운 일이 됐다. ULPBench 벤치마크가 생길 때까지 저전력 동작을 기술과 적시 또는 묘사할 표준 방식도 없었다.

ULPBench는 MCU의 전력 프로파일에 영향을 주는 세 가지 주요 벡터를 평가할 때 크게 CPU와 실시간 클록, 이 두 가지 수단을 이용한다. 이 벤치마크는 MCU로 하여금 유효 작업을 1초에 한 번씩 정의된 고정 작업으로 실행시키고, 나머지는 수면에 들게 한다. 각각의 프로세서는 같은 작업량을 수행한다. ULP 성능을 필요로 하는 대다수 애플리케이션들은 중단 시간이 길고, 여러 이벤트에 대해 짧은 간격으로 응답한다.

이러한 애플리케이션에서는 다음의 세 가지 주요 요소가 플랫폼 신뢰성에 영향을 미친다:
- 웨이크업 시간
- 웨이크업 에너지와 피크 전류
- 실행 시간

ULPBench 벤치마크는 주로 위의 파라미터들에 초점을 맞춰, 설계자가 적합한 플랫폼을 선택할 수 있도록 베이스라인을 만들어준다.
ULPBencn의 토대는 다음과 같다:

- 호환성: 디바이스들을 쉽게 비교할 수 있다.
- 투명성: 모든 측정과 설정 프로세스를 투명하게 한다.
- 재현성: 해당 벤치마크 점수를 누구나 쉽게 재현할 수 있다.

ULPBench 점수는 TI의 ULP 주도권을 부각시키기 위해, 최근 제품 발표에서 마케팅 용도로 활용되고 있다. 예를 들어, 텍사스 인스트루먼트 MSP432 플랫폼은 출시 당시, 시중에서 가장 전력이 낮은 ARM Cortex-M3 또는 -M4 솔루션이었다.


센서-투-클라우드 애플리케이션

이 Big 3가 ULP 애플리케이션들 중에서 여전히 가장 큰 부분을 차지하지만, 애플리케이션에서 센싱 및 측정에 대한 필요성이 커지면서 설계자는 전체 시스템 전력도 무시할 수 없게 됐다. EEMBC 그룹은 주변장치(주변장치 프로파일)에 초점을 맞춘 다음 차원의 벤치마킹에 착수하고 있으며, 지금까지 이번 글에서 요약한 것과 같은 차이들을 확인하고 있다.

주변장치 프로파일 벤치마크를 정의할 때, 가장 큰 문제점 중 하나는 가장 공통된 기능 세트를 파악하는 것이다. 예를 들어, 14bit ADC는 8bit 컨버터보다 더 많은 에너지가 필요로 하거나, 훨씬 더 높은 분해능과 정밀도를 제공하면서 전력 효율이 더 높아질 수 있다. 반면에 고정된 ADC 분해능으로 벤치마크를 한정하면, 이 분해능이 없는 수많은 디바이스들이 제외될 것이다.

그런 다음 분해능과 유효한 bit 수를 비교한다. 예를 들어, ADC는 12bit 결과를 내놓을 수 있지만, 10bit만 가치가 있을 수도 있다. 가치 명제가 서로 다른 두 개의 디바이스를 비교하면, 벤치마크의 품질이 저하되고, 그러면 설계자가 벤더 결정을 내릴 때 얻을 수 있는 점수도 저하된다. 이 방식은 항상 절충으로 이어지게 될 것이다.

ULP에서 벤치마크의 미래는 무엇일까? ULP는 현재 기술 중심적이며, 대부분의 반도체 벤더들은 이제 비교 가능한 결과들로 디바이스를 제작하고 있다. 프로세스 구조의 크기가 유효 전류를 결정하는데, 잘 설계된 CPU 코어와 결합된다면 구조가 작을수록 유효 전류도 작아지게 된다.

또 다른 문제는 대기 전류로, 실리콘의 구조 크기에 부정적인 영향을 미치며, 구조의 크기가 작을수록 누출 전류도 커진다. 특수한 저누출 프로세스가 대부분의 칩 제조 파운더리에서 누출 전류를 잘 제어해줄 것이다(설계 툴에 의해 지원). 또한 전력 게이팅을 구현하면 누출 전류가 제어된다.


TI SimpleLink 마이크로컨트롤러?ULP 센싱 및 측정

ULP 센싱 및 측정에 대해 논의하기 위해, TI SimpleLink MCU 포트폴리오에서 사례 연구들을 살펴보고자 한다. (그림 2)는 센싱 및 측정 기술을 포함하는 여러 가지 빌딩 자동화 애플리케이션들을 설명하고 있다. 유무선 커넥티비티가 가능한 다양한 TI의 SimpleLink MCU 옵션들은 단일 개발 플랫폼을 활용해 ULP 애플리케이션 사용 사례들에 대한 논의를 활발하게 해준다.


고분해능 ADC를 이용해 센싱 기능이 있는 유선 기상 관측소의 개발

SimpleLink MSP432 MCU 제품군은 TI의 효율 ULP 혼합 신호 MCU 포트폴리오에 가장 최근에 추가된 제품이다. MSP432 MCU는 여러 가지 아날로그, 타이밍 및 통시 주변장치들의 세트를 포함한 다양한 디바이스 옵션으로 ARM Cortex-M4 프로세서(그림 3)를 갖추고 있어, 효율적인 데이터 처리와 강화된 저전력 동작이 모두 가능한 많은 애플리케이션 시나리오에 적합하다.

14bit ADC를 이용하는 SimpleLink MSP432 MUC는 높은 분해능과 샘플링 속도로 아날로그 신호들을 측정하기 위한 시스템의 센싱 요건을 충족한다. 1MSPS의 14bit ADC는 빌딩 자동화 기상 관측소에서 온도 및 산소 레벨을 감지할 수 있다. ADC를 ULP MCU에 통합시키면 센싱을 위한 저전력 ADC 솔루션이 가능해지며, 프로세스의 Cortex-M4F 코어를 이용해 센서들을 자유롭게 프로그래밍할 수 있다.

커넥티드 기상 관측소
와이파이(Wi-Fi)

어떤 애플리케이션이든 소비되는 시스템 전력은 그 동작 사용 사례에 좌우된다. 예를 들어, 와이파이 네트워크 프로세서는 항상 접속돼 있거나, 간헐적으로 접속돼 데이터를 전송하기도 한다. 또는 이벤트에 의해 트리거 될 수도 있는데, 이런 경우 대부분의 시간을 절전 모드로 보내기도 한다. 이렇게 다양한 저전력 모드에서 SimpleLink Wi-Fi CC3220 무선 MCU를 효율적으로 프로그래밍하면 저전력 동작 효율이 극대화된다(그림 4).

 

또한, SimpleLink CC3220 무선 MCU는 사용자 애플리케이션 전용 ARM Cortex-M4 MCU와 모든 와이파이와 논리 레이어를 실행하는 네트워크 프로세서 MCU, 두 개의 실행 환경을 갖고 있다. 기상 관측소 애플리케이션 사용 사례에서, 애플리케이션의 MCU는 기상 관측소 애플리케이션에서 100% 사용될 수 있지만, 네트워크 프로세서 코어는 저전력 용도로 구성된다(그림 5).

 

CC3220 MCU는 여러 가지 와이파이 네트워크 및 디바이스에서 에너지 소비를 최적화할 수 있는 통합 기술을 갖고 있다. SimpleLink 커넥션 매니저는 자율적이고 빠른 와이파이 접속을 가능하게 하므로, 애플리케이션 MCU가 활성 모드에 있을 필요가 없어 추가로 에너지가 소모된다.

또한, CC3220 무선 MCU에는 SmartConfig 기술이 적용된 탄력적인 와이파이, 최대 네 개의 기지국과 접속할 수 있는 액세스 포인트 모드, WPS2(Wi-Fi protected setup) 등의 옵션들이 포함돼 있다.


블루투스(Bluetooth) 저에너지

48MHz에서 실행되는 Cortex-M3 코어와 더불어 SimpleLink 블루투스 저에너지 CC2640R2F 디바이스(그림 6)에는 ULP 센서 컨트롤러가 있다. 이 16bit CPU는 ADC와 아날로그 비교기, SPI(Serial Peripheral Interface)/I2C, 커패시티브 터치 등과 같은 주변장치와 연결된다. 이것은 시스템의 나머지 부분들이 대기 모드에 있고 외부 아날로그 또는 디지털 센서들과 저전력 방식으로 접목될 때 자율적으로 실행된다. 이 센서 컨트롤러는 기상 관측소에서 시스템이 저전력 모드에 있을 때 센싱을 실행한다.

메인 Cortex-M3 코어와 무선 주파수(RF) 전송은 기상 관측소 애플리케이션 수요를 바탕으로 활성화되며, 궁극적으로는 ARM Cortex-M3가 모든 작업을 관리 및 완료하는 것과 대조적으로 시스템의 전력 소비를 낮춰준다.

CC2640R2F 무선 MCU는 2.4GHz 주파수 동작에 최적화돼 있고, 블루투스 저에너지 컨트롤러 및 롬(ROM)에 내장된 호스트 라이브러리와 통합돼 ARM Cortex-M0 프로세서에서 부분적으로 실행된다. 이 아키텍처는 전체 시스템의 성능과 전력 소비를 향상시키며, 애플리케이션 자체에 상당한 양의 플래시 메모리를 확보한다.

기존 무선 솔루션의 높은 송수신 전류가 일으키는 피크 드레인은 배터리에 제약을 주거나 배터리 수명에 큰 영향을 미친다. 6mA(0dBm 출력에서 송수신)에서 CC2640R2F 무선 MCU의 매우 낮은 피크 전류 덕분에 기존의 CR2032 배터리에서는 더 이상 어떠한 제약이 없으므로 설계자는 심지어 더 작은 배터리도 사용할 수 있다.

Sub-1GHz

블루투스 저에너지 CC2640R2F 무선 MCU와 동일한 플랫폼에 구축되는 SimpleLink Sub-1GHz CC1310 무선 MCU는 전력 성능을 최적화하기 위해 MCU 코어들 간에 작업을 효율적으로 분할하는 트리코어 아키텍처에 기반한다. 메인 ARM Cortex-M4F CPU는 프로토콜과 애플리케이션을 관리하고, ARM Cortex-M0 코어는 낮은 레벨의 라디오 인터페이스를 처리하며, 혁신적인 TI 초저전력 센서 컨트롤러 코어는 이 16bit 코어가 싱글-디지트-마이크로-암페어 전류 소비로 효율적으로 동작하는 동안 메인 CPU가 대기 상태를 유지하도록 한다. 이 독특한 아키텍처는 CC1310 무선 MCU가 수십 킬로미터 거리를 달성해 초저전력 소비를 할 수 있게 해주기 때문에, 시스템은 코인셀 배터리 하나로도 최대 10년 동안 동작할 수 있다.

Sub-1GHz 기술의 고유한 특성과 CC1310 무선 MCU의 초저전력 설계는, 예를 들어 이 디바이스가 기상 관측소를 비롯한 대다수 애플리케이션에서 고유한 자격을 갖추도록 한다. 기상 관측소의 경우, 건물이나 집 바깥에 있는 원격 센서 노드를 수 년 간 작동하고 폼팩터가 작아야 한다. 또한 SimpleLink CC13x0 SDK의 TI-15.4 스택은 보안 및 주파수 홉핑이 내장된 완전한 Sub-1GHz 스타 네트워킹 솔루션으로, 저전력 최적화를 염두에 두고 설계된 완전한 초저전력 Sub-1GHz 솔루션이다.

기상 관측소 애플리케이션에는 종종 사용자가 클라우드의 센서 데이터를 송수신할 수 있는 중앙 대시보드가 필요할 때가 있다. 이것은 Sub-1GHz-to-Wi-Fi 게이트웨이를 구현해야 하는 어려운 설계 과제를 만들어낸다. SimpleLink Sub-1GHz 센서 투 클라우드 레퍼런스 디자인은 엔드-투-엔드 솔루션으로 이 문제를 해결하고, 센서 데이터를 장거리 Sub-1GHz 스타 네트워크로 송수신할 수 있는 클라우드 커넥티비티를 가능하게 한다. 이 솔루션은 CC1310 무선 MCU, TI-15.4 스택 소프트웨어, CC3220 와이파이 디바이스 등을 포함해 SimpleLink 플랫폼 위에 구축된다.

 

TI의 SimpleLink MCU(그림 7)는 10개 이상의 차별화된 유무선 프로토콜을 지원하는 견고한 저전력 통합 보안 등 업계를 선도하는 기능들로 가장 광범위한 유무선 ARM 기반 MCU 포트폴리오를 제공한다. 이러한 디바이스들은 SimpleLink 소프트웨어 개발 키트(SDK)에서 100% 코드 재활용이 가능한 단일 소프트웨어를 기반으로 개발됐다.

설계자는 소프트웨어 개발에 한 번 투자하고 여러 SimpleLink 플랫폼 및 애플리케이션들에서 재활용할 수 있다. TI의 통합 툴 체인은 즉시 설계를 시작할 수 있는 무료 소프트웨어와 교육, 지원을 통해 보다 빠른 개발이 가능하다.

애플리케이션 요건들이 발전함에 따라, 누구나 와이파이 또는 블루투스 저에너지와 같은 기능을 적은 개발 노력으로도 나중에 손쉽게 제품에 추가하고, 애플리케이션 ULP 요건들을 절충할 필요도 없다.

TI는 주변장치 구성을 뛰어 넘는 종합적인 API(application programming interfaces) 세트로, 모든 기능을 사용하기 편리한 코드로 요약해 제공한다. 이러한 표준화된 POSIX(Portable Operating System Interface) 규격 API는 애플리케이션의 필수 빌딩 블록인 TI 드라이버와 접목돼, 쉽게 개발하고 모든 SimpleLink 제품들에서 완벽한 코드 이식성을 구현할 수 있다.

TI의 SimpleLink MCU 플랫폼과 소프트웨어 및 하드웨어 툴에 관한 정보는 해당 사이트(www.ti.com/simplelinkulp)를 참고하면 된다.
첨단 센싱 및 측정에 대한 필요성이 점점 커지면서, IoT 디바이스의 시스템 복잡도는 기하급수적으로 늘어나게 될 것이다. 에너지 절약 정책은 제품 개발자로 하여금 에너지 소비는 줄이면서 복잡도는 늘린다. ULP에 대한 필요성을 해결하려면 새로운 혁신의 물결이 필요할 것이다. TI SimpleLink MCU는 최종 애플리케이션을 기반으로 주변장치에 지능을 선택적으로 맞춤으로써 ULP의 환경을 변화시키고 있다.

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