군용 시스템을 설계할 때의 중요한 고려 사항 - 부품 단종 문제

  • 2018-02-06
  • 글 | Steve Munns, Aerospace & Defence Marketing, 아나로그 디바이스 (Analog Devices)



급속한 기술 발전과 IC의 일반화 및 그에 따른 반도체 사업 모델은 방위 분야가 따라가기에 쉽지 않았다. 그러면 설계 관점에서 미래의 부품 단종 문제를 최소화하기 위해서는 어떻게 해야 할 것인가?


군용 장비는 작동 수명이 수십 년에 달할 수 있다. 그러므로 제품 수명을 극대화하기 위해서는 새로운 시스템을 설계할 때 되도록 첨단 IC기술을 사용해야 한다. 하지만 또 한편으로 뒤집어 보면, 최대 30년까지 오래된 기존 제품을 지원하고 유지보수해야 한다는 뜻이기도 하다. 이러한 디자인은 반도체 산업의 초기 시대까지 거슬러 올라간다.

당시 항공우주 및 방위 분야는 반도체 수요의 견인차 역할을 했으며 상당한 영향력을 행사했다. 하지만 급속한 기술 발전과 IC의 일반화 및 그에 따른 반도체 사업 모델은 방위 분야가 따라가기에 쉽지 않았다. 그러면 설계 관점에서 미래의 부품 단종 문제를 최소화하기 위해서는 어떻게 해야 할 것인가?



라이프사이클 모델


군용 제품과 컨슈머 제품 라이프사이클이 어떻게 다른지에 대해서는 많은 논의들이 되어 왔다. 많은 컨슈머 제품 수명이 고작 2년인 것에 비해서, 방위, 산업용, 교통, 에너지 분야에 사용되는 시스템의 수명은 30년 이상에 달한다. 제품 설계와 지원에 있어서 중요하게 고려해야 하는 측면들도 다르다. 군용 시스템은 외관이나 가격대보다는 효용성과 신뢰성을 더 중요하게 따진다. 그러므로 설계 단계에서부터 신뢰할 수 있는 사업 전략과 원칙을 갖춘 업체를 선택해야 한다.

그래야 설계부터 예비 부품 및 지원 계약에 이르는 라이프사이클 전반에 걸쳐서 신뢰있는 부품을 공급할 것으로 확신할 수 있다. 스타트업 IC 회사들은 성능이나 기능 통합 면에서 유리한 일부 매력적인 제품이나 기술을 제공할 수 있으나, 부품 공급 연속성 문제의 위험성 또한 잘 고려해야 한다. 새로 등장한 업체들은 인수합병의 가능성이 높으며 최악의 경우에는 사업 초기에 회사가 문을 닫을 수도 있다. 그러므로 이러한 회사들의 제품은 계속해서 공급될지에 대한 불확실성을 포함한다.

디자인 보호

디자인은 귀중한 상품이며, 제품의 성공 여부는 설계 작업의 품질에 따라서 크게 좌우된다. 하지만 문제는 적합한 부품을 선택하는 것이 단지 사양만 잘 맞으면 되는 것이 아니라는 것이다.

대부분 회사들은 자사 설계 팀들에게 “우선 부품 목록”이나 “승인 업체”를 사용하도록 지침을 내리고 있다. 그러기 위해서는 복잡한 시스템으로 설계 자유와 승인된 품목들만을 사용하도록 한정하는 것 사이에 적절한 균형점을 찾아야 한다. 설계 작업이 지나치게 제약적이면 경쟁력이 떨어지는 제품을 남보다 뒤쳐져서 시장에 출시하는 위험성이 있을 수 있다. 그러므로 부품 선택을 책임지고 있는 관리자들은 의도치 않게 디자이너와 업체의 기술 또는 제품 전문가들 사이에 아이디어 구상이나 논의를 필터링하는 역할을 하지 않도록 해야 한다.

우선 업체를 선택하는 것은 개별 회사의 전략일 수 있으나, 대개의 경우 위에서와 같은 라이프사이클 모델에 따라서 4가지 요소를 중요하게 고려해야 한다. 설계 단계는 혁신을 위한 아이디어를 포착하는 단계로서, 부품 또는 서브시스템의 경쟁력, 기본적인 기술 로드맵, 업체가 설계 작업을 지원하고자 하는 의지 같은 것들을 고려해야 한다. 실제로 방위 예산이 갈수록 축소되고 설계 팀이 활용할 수 있는 자원이 줄어들고 개발 일정이 짧아지고 설계 복잡성이 높아짐에 따라서 업체의 지원이 점점 더 중요해지고 있다. 이와 관련해서 흔히 비공개 계약을 사용해서 업체들이 민감한 애플리케이션에 심도있게 관여할 수 있도록 한다.

방위 분야와 그 밖에 수명이 긴 산업용 분야에서는 오래된 제품의 부품 단종으로 인해서 디자인 변경을 하기 위한 설계 자원이 소모되는 것에 대해 갈수록 더 중요하게 인식하고 있다. 어떤 고객들은 이러한 활동에 설계 자원의 40~50%까지도 소모하는 것으로 나타난다. 그럴 바엔 새 제품을 개발하는 편이 더 나을 것이라는 것을 잘 알면서도 말이다.



전문적인 지원


Linear Technology(Now Part of Analog Devices)의 핵심 제품인 전원 및 고성능 아날로그 IC 분야에서는 고객들이 기술을 따라잡지 못한다는 것이 갈수록 중요한 문제가 되고 있다. 예를 들어서 대형 FPGA를 사용하는 시스템의 경우에 구동의 어려움은 차치하고라도 디지털 측면에서의 어려움들을 생각해 볼 수 있다. 1V 이하의 코어로 10~20A를 소모하면서도 모든 조건들에 걸쳐서 50mV 미만의 우수한 트랜션트 응답을 필요로 한다.

그러므로 루프 응답, 레이아웃, 전압 레퍼런스 정확도, 부하 모니터링이 중요하다. 여기에 더해서 갈수록 높아지는 PCB 밀도, 높은 클록 속도, 전도 복사로 인한 문제들, 동작 온도 같은 것들까지 합쳐지면 갖가지의 아날로그 및 RF 문제에 직면하게 될 것이다. 이러한 것들을 다룰 줄 아는 전문적인 디자이너 수는 갈수록 줄어드는데, 고성능 솔루션에 대한 수요는 점점 늘어나고 있다. 이러는 사이에 기술적인 틈새가 존재한다. 그러므로 우수한 업체로 불리기 위해서는 우수한 제품은 물론이고 이러한 문제들을 해결할 수 있도록 애플리케이션 지원, 평가 보드, 회로 분석 모델을 제공해야 할 것이다.

이러한 기술 격차를 해소하고 성능과 장기적 공급에 대한 요구를 충족하는 것이 바로 모듈 기술의 사용이다.



Analog Devices의 mModule 전압 레귤레이터 및 신호 체인 제품은 표면실장 IC와 같은 형태로 포괄적인 SiP(system-in-package) 솔루션을 제공한다. 그러므로 디자인을 간소화하고 필요한 외부 소자를 최소화한다. 이들 제품들 간에 풋프린트 및 핀아웃 호환이 가능하므로 회로 보드 레이아웃을 대대적으로 변경하지 않고서 손쉽게 전력대나 성능을 확장하거나 축소할 수 있다. 이들 mModule 제품은 서브스트레이트상에 각기 다른 기술의 다중 IC 다이와 수동 소자들을 통합하고 그 위로 몰딩을 하였다.

전기적 성능과 열 효율을 극대화하도록 레이아웃과 디자인을 최적화하였으며, 다수의 부품을 사용한 이산적 솔루션과 비교해서 훨씬 더 작은 솔루션 크기를 달성할 수 있다. 그러면서도 이들 모듈 제품은 업계의 가장 높은 수준의 규격들을 충족함으로써 표준 IC에 맞먹는 뛰어난 신뢰성을 제공한다.

비용적 고려

부품을 선택할 때 또 다른 고려사항은 비용이다. 우선 부품 가격과 솔루션 비용을 구분해야 한다. 위에서와 같은 mModule 전압 레귤레이터를 사용하면 부품 가격이 곧 솔루션 비용이다. 하지만 DC-DC 컨트롤러와 MOSFET을 사용하는 경우에는 부품 가격만 따진다면 수동 소자, 자기 소자, 설계 시간, 고효율 스위칭 레귤레이터 개발의 기술적 어려움 같은 요인들은 반영되지 않을 것이다.

뿐만 아니라 특정한 솔루션으로 수명 전반에 걸친 비용은 부품의 장기적 공급과도 크게 상관이 있을 것이다. 만약에 중간에 디자인 변경이 필요하다면 아래 표에서 보듯이 비용이 크게 증가할 것이기 때문이다. 부품 1은 디자인 변경을 두 번 해야 하는데, 부품 2는 제품 수명 동안 계속해서 공급되고 있다.



표 1을 보면, 부품 1은 유닛 가격은 더 낮으나 중간에 디자인 변경을 위한 비용이 더 크다는 것을 알 수 있다. 그런데 현실에서는 이 비용이 여기서보다 훨씬 클 것이다. 특히나 소프트웨어를 수반하는 복잡한 부품의 경우에는 더 그럴 것이다.

부품 단종 문제를 고려한 설계

새로운 디자인에 사용할 부품을 선택할 때는 전문적인 엔지니어링 전문가들이 자신의 경험으로부터 업체들의 이력에 대한 유용한 정보들을 제공할 수 있다. 하지만 이 문제는 단지 온라인 상에서 상업적으로 제공되는 다양한 부품 데이터베이스들을 살펴보는 것만의 문제가 아니다. 이러한 것들은 단종이 임박한 것에 대한 수학적 예측은 제공하나 개별 업체들의 정책은 보여주지 못한다.

Analog Devices는 비단종(non-obsolescence) 정책을 펴고 있으며, LT1001 같이 30년 전에 출시된 제품들을 아직까지도 판매하고 있다. 부품 업체들의 긴밀한 관계는 부품에 대한 품평, 제조 용이성, 새로운 프로세스 기술의 내부 정보들에 접근함으로써 새로운 디자인에 대해 좀 더 많은 정보를 가지고 선택을 할 수 있다. 그러므로 시간을 들여서 이러한 관계를 형성하기 위해서 애써야 한다.

개조/위조 부품의 위험성

미국의 반도체 산업 협회에 따르면, 미국 반도체 회사들의 위조 부품으로 인한 피해액이 연간 75억 달러 이상에 달한다고 한다. 항공우주 및 방위 분야에서는 공급 사슬의 여러 단계에서 많은 위조 부품들이 사용되는 것을 발견할 수 있다. 이로 인해서 장비 결함이나 심한 경우에는 인명적 상해까지도 일으킬 수 있다. YouTube를 잠깐만 검색해 보아도 다양한 개조 부품들과 이러한 잘못된 부품들을 판매하는 판매자들을 쉽게 찾아볼 수 있다.

이러한 불법적인 활동을 억제하기 위한 노력들이 펼쳐지고 있는 한편으로, 가장 간단한 해결책은 허가되지 않은 출처나 판매자로부터 구입하지 않는 것이다. 또한 중요한 것은, 이러한 조달 정책을 하청 업체들로까지 확대하는 것이다. 하청 업체들의 관리 및 조달 정책과 또 다른 고객 용으로 조달한 부품들을 혼합하지 않도록 해야 한다. 업체를 신중하게 선택하고 긴밀한 관계를 형성함으로써 다루기 어려운 단종 문제의 짐을 덜 수 있다. Analog Devices는 패키지 부품이 단종된 경우에 그 부품을 다이 형태로 제공하므로 고객이 써드파티 업체를 통해서 패키징 할 수 있다. 그러므로 어떤 변경이나 PCB 재설계를 하지 않아도 되는 유용한 대안을 제공한다.

맺음말

설계 관리자는 업체 선택과 개발 작업을 책임지는 중요한 당사자이며, 디자이너들이 설계 목표를 좀더 수월하게 달성할 수 있게 업체와 긴밀한 관계를 형성하도록 장려해야 한다.

선도적인 혁신성, 안정적인 부품 공급, 높은 품질, 우주항공 및 방위 분야에서 축적된 경험이 믿고 의지할 수 있는 부품 업체를 선택하기 위한 중요한 지표가 될 것이다.

부품 선택은 단지 성능 요구에 잘 맞는 부품을 찾기만 하면 되는 것이 아니다. 부품 업체로부터의 전문적인 설계 지원은 제품 출시 시간을 단축하고, 전문 기술을 이해해야 하는 필요성을 줄이며, 충분한 정보를 가지고 부품 선택을 할 수 있도록 한다. 그럼으로써 경쟁력 뛰어난 솔루션을 설계할 수 있으며 장기적으로 부품 단종으로 인한 위험성을 낮출 수 있다.

또한 잘못된 정보에 주의해야 한다. 인터넷에서는 즉각적인 대답과 무수한 정보들이 주어지나, 부품 업체의 전문가들과 담당자로부터의 지식과 경험은 훨씬 더 고품질의 정보를 제공할 것이다.
 

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