USB Type-C의 주요 특징과 현재는 물론 미래 시장에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 사례들을 다룰 것이다. 또한 USB Type-C 구현에 필요한 하드웨어 아키텍처를 살펴보고, 아울러 래티스 반도체의 솔루션 포트폴리오를 소개한다.

USB Type-C™ 커넥터는 가전시장에서 게임의 판도를 바꿀 잠재력을 가졌다. 소비자들에게 어필할 수 있는 강력한 특징들을 갖췄기 때문인데, 몇 가지 예를 들어보면 다음과 같다.

우선, 마이크로USB 커넥터만큼 작지만 삽입 방향에 관계없이 연결할 수 있는 무방향성을 지원한다. 이는 레거시 USB 커넥터와 관련한 사용자들의 가장 큰 불만사항을 해소한 것이다. 충전 및 데이터 전송속도도 매우 빠르다. 또한 유연하고, 어댑터 케이블을 통해 USB 구 버전과 호환되며, 비디오 지원을 포함한 새로운 알트 모드(Alternate Modes, Alt Modes)를 지원한다.

사실 데이터, 비디오, 전원을 하나로 아우른 통합 커넥터는 전에도 시도됐지만 그때마다 항상 해결해야 할 과제들이 남아 있었다. USB Type-C는 USB 표준화 기구인 USB-IF가 개발한 이후, 다양한 업계의 폭넓은 지지 속에 기업들의 참여가 계속 이어지고 있는데, 과거 초대형 가전 기업들이 표준을 구축했을 때보다 훨씬 큰 규모로 발전하고 있다.

많은 문제점들을 해결하고 광범위한 시장에 통용될 수 있는 커넥터를 만들면 시장에 혼란을 막고 막대한 기회를 새로 열어주기도 한다. USB Type-C를 이해하려면, 우선 USB Type-C가 기존 USB 3.1 규격 하에서 발표됐음에도 왜 그것과는 다른 규격을 갖게 됐는지를 알 필요가 있다. 다음으로 알아야 할 것은, USB Type-C 규격은 의무적으로 갖춰야 할 필수 기능과 출시된 각각의 USB Type-C 포트에서 활용될 수도, 그렇지 않을 수도 있는 옵션 기능을 따로 규정하고 있다는 점이다.

핵심적인 필수 기능과 다양한 옵션 기능을 결합하는 전략은 오늘날 파편화된 커넥터 시장에서 보편화된 추세다. 이러한 조치는 커넥터 관련 표준화 기구들이 소비자에게 일관적이고 신뢰할 수 있는 경험을 제공하는 것과 가능한 많은 사용자에게 유용한 커넥터를 만드는 것 사이에서 균형을 찾고자 하는 노력에서 비롯한 것이다. USB Type-C의 경우, 최소한의 전력 및 데이터 전송 기능은 필수인 반면, 비디오 전송 같은 다른 기능들은 옵션 사항이다.

비디오 I/O 분야는 USB 만큼 보편적인 표준을 갖고 있지 않기 때문에, 이 같은 전천후 접근방식은 의미가 있다. 비디오 전송은 전 세계적으로 몇 개의 표준이 서로 다른 애플리케이션을 각각 주도하는 모양새다. 예컨대 컴퓨팅 분야에서는 디스플레이포트(DisplayPort)가 대중적이다. 다양한 모니터 해상도를 지원할 뿐 아니라 데이지체인 모니터 연결 기능 같이, 업무용으로 편리한 기능 등을 제공하기 때문이다.

한편, 홈시어터 시장에서는 HDMI짋가 이를 지원하는 수십 억대의 제품과 홈시어터 분야를 위해 설계된 수많은 기능들을 발판 삼아 오래 전부터 자신의 영역을 구축해 왔다. 하지만, 최근에는 HDMI 포트에서 MHL 기능을 지원하는 TV로 매끄러운 연결을 지원하는 모바일 비디오 출력 기술로서 MHL짋 기술이 관심을 모으고 있다.

USB Type-C의 기본 특징

USB Type-C는 USB-IF가 개발한 최신 커넥터이다. 규격은 2014년 8월에 공표됐으며 최초의 제품은 그 해 4사분기에 소개됐다.
USB Type-C 커넥터는 마이크로USB 커넥터와 크기가 거의 같다. 이 규격은 USB Type-C 커넥터의 유연성과 확장성을 위한 다섯 개의 핵심 특징을 정의하고 있다.

대칭형 연결

USB Type-C 커넥터는 대칭형이다. 즉 플러그 방향이나 케이블 방향과 관계없는 완벽한 ‘무방향성’을 구현함으로써 이전 커넥터들의 커다란 불편사항을 없앴다. 또한 이 커넥터는 양방향성이다. 과거에는 커넥터의 유형이 해당 기기의 속성을 규정하기도 했다(Type-A는 호스트, Type-B는 디바이스). USB Type-C 커넥터는 포트 하드웨어 자체가 규정하는 기능성에 맞게 각각의 포트를 결합할 수 있다. USB Type-C 케이블 양쪽이 동일한 플러그를 갖기 때문에 케이블 결합도 더욱 간편하다.

데이터 표준은 기본 지원

USB Type-C는 USB SuperSpeed 5 Gbps 또는 USB SuperSpeed 10 Gbps와 함께 최소한으로 USB 2.0을 지원한다. SuperSpeed USB 차동 신호쌍은 이 커넥터의 보다 바깥쪽에 할당되기 때문에, USB 모드에서 각각의 삽입 방향에 대해 1개의 SuperSpeed USB 시그널링 연결이 사용될 것이다.

전력

USB Type-C 커넥터는 기본으로 5 V 전력을 지원하며, 어댑터 케이블을 통해 이전 USB 커넥터와 호환된다. 하지만 이전 USB 커넥터가 전력과 접지에 각각 1개씩의 핀을 할당했던 것에 반해, USB Type-C 커넥터는 전력과 접지 각각에 특화된 전용 핀을 총 4개 제공한다. 이는 USB PD(Power Delivery) 규격을 사용하면 최대 20 V의 전압과 최대 5 A의 전류를 확보할 수 있다는 뜻이다.

채널 구성

USB Type-C 커넥터에는 협상을 위한 2개의 채널 구성 신호(CC1 및 CC2)가 존재한다. 이들 신호는 커넥터 결합 방향을 정의하며, 커넥터 상에서 제공되는 전력은 물론, 알트 모드와 액세서리 모드(Accessory Modes)를 협상하는 데 사용된다.

비-USB 시그널링

USB Type-C 커넥터는 디바이스가 지원하는 기능을 확장할 수 있도록 다양한 OEM 제품 차별화 모드를 제공한다. 핀 서브셋은 제품 유형에 따라 부가 기능을 구현할 수 있도록 용도 변경이 가능하다. 10개의 핀은 완전하게 기능을 갖춘 USB Type-C 케이블에 대해 재설정이 가능하며, 추가적으로 3개의 핀은 직접 연결 애플리케이션용으로 재설정 할 수 있다.

이 같은 신호의 재할당은 CC 회선 상의 협상을 통해 이뤄진다. 2개의 모드로 들어갈 수 있는데, 각각 액세서리 모드와 알트 모드라 불린다. 액세서리 모드로 들어가기 위해, CC 회선은 어떤 액세서리 모드가 필요한지를 결정하기 위한 간단한 논리 확인용으로 사용된다. 알트 모드로 들어갈 때에는, 링크를 적절히 설정하기 위해 CC 회선에 BMC(Biphase Mark Code)를 사용하는 양방향 통신이 요구된다. 이 같은 협상에서, 양쪽 포트 디바이스 모두 어떠한 변화에 앞서 재할당에 대한 합의가 필요하다. 모든 USB Type-C 포트는 알트 모드나 액세서리 모드로 동작하지 않을 때에는 호환 가능한 USB 포트로 동작한다.

비-USB 시그널링 사용

비-USB 시그널링을 사용하는 방식은 두 가지다. 액세서리 모드와 알트 모드인데, 이들은 옵션 모드이기 때문에 반드시 지원될 필요는 없다.

액세서리 모드

액세서리 모드는 아날로그 오디오 또는 디버그 신호가 USB Type-C 포트로 라우팅 되도록 해준다. 오디오 모드에서, 하나의 오디오 소스(예컨대 휴대전화나 노트북)는 USB 2.0(D+/D-) 핀을 통해 아날로그 오디오 신호(우/좌)를 구동할 수 있고, 동시에 측대역 신호(SBU1 또는 SBU2) 중 1개를 통해 외부 소스로부터 마이크 신호를 받을 수 있다. 액세서리 모드를 지원하려면, 어떤 액세서리 모드가 링크에 요구되는지를 탐지하기 위해 단순한 DC 레벨 전압 비교기가 필요하다. 이러한 탐지 블록은 오디오 소스에 의해 실행될 때 필요하다.

일단 적절하게 탐지되면, 오디오 소스는 오디오 신호를 지원하고, 그림 3에 예시한 것처럼 동일한 핀 상에 오디오를 라우팅 하는 동안 USB 2.0 신호를 절연할 수 있는 아날로그 스위치를 사용할 필요가 있을 것이다.

액세서리 모드는 휴대전화나 노트북의 필수 지원 기능이 아니다. 따라서 특정 제품이 액세서리 모드를 지원할 경우, 이를 소비자에게 공지할지 여부는 해당 전자기기 제조사에 달렸다.

얼터네이트 모드/알트 모드

얼터네이트 모드(알트 모드)는 USB Type-C 커넥터를 통해 비-USB 데이터를 협상하고 라우팅하는 데 사용되는 또 다른 옵션 기술이다. 알트 모드 전용 핀은 USB Type-C 커넥터의 필수 기능을 지원하는데 필요한 것이 아니기 때문에, 알트 모드는 다른 USB Type-C 기능들과 동시에 사용될 수 있다. 지금까지 2개의 표준 그룹, 즉 디스플레이포트(DisplayPort)와 MHL이 알트 모드 규격을 공표했는데, 둘 다 USB Type-C 커넥터에 비디오 지원 기능을 추가했다. 이 외에 인텔은 독자적인 알트 모드인 썬더볼트 3(Thunderbolt 3)을 개발했다.

디스플레이포트는 하나의 USB Type-C 포트를 통해 8K 해상도를 구동하는 방향으로 나아감으로써 비디오 해상도에 보다 주력하는 모습이다. VESA FAQ 페이지에 따르면, DP1.3은 비압축 비디오 데이터를 32.4 Gbps로 구동할 수 있는데, 이는 8K 60fps 4:2:0을 전송하도록 요구된다.

MHL 또한 비디오 해상도에 주력하고 있는데, 압축 및 비압축 비디오 신호 모두를 지원한다. 비압축일 때, MHL은 최대 24 Gbps까지 지원할 수 있는데, 이는 4K 60fps, 12bit 색심도를 전송하는데 충분한 성능이다. DSC(Display Stream Compression)를 활용하면, MHL은 최대 72 Gbps까지 지원이 가능해 오늘날 USB Type-C 상에서 가능한 가장 높은 유효 해상도인 8k 60fps 4:4:4까지 전송할 수 있다. DSC는 시각적으로 손실 없는 솔루션을 제공하면서, 동시에 압축 기법을 사용할 때 전형적으로 발견되는 지연 문제를 최소화할 수 있는 회선 기반 압축 알고리즘이다. 그림 4는 DSC 사용 전과 후의 이미지를 나타낸다.

썬더볼트 알트 모드는 PCI Express Gen 3, USB 3.1 Gen 2, 디스플레이포트 1.2를 기본적으로 지원한다. 썬더볼트 40 Gbps도 지원하는데, 이는 듀얼 4K 60fps 디스플레이나 단일 5K 60fps 디스플레이를 구동하는데 필요한 대역폭이다.

앞서 언급한 표준화된 알트 모드 중 하나를 사용하려면 시스템 아키텍트는 우선 요구되는 표준을 지원하는 칩셋부터 선택해야 한다. 썬더볼트를 지원하는 칩셋 제조회사는 인텔밖에 없지만, MHL이나 디스플레이포트를 지원하는 제조사들은 많다. 알트 모드 네고시에이터 칩 역시 적합한 모드를 관리하기 위해 필요할 것이다. 액세서리 모드처럼 알트 모드용 로고 역시 의무사항이 아니기 때문에, 전자기기 제조사 스스로가 자사 제품이 알트 모드를 지원한다는 것을 소비자들에게 알릴 필요가 있다.

USB Type-C 포트 컨트롤러 솔루션

차별화된 USB Type-C 제품을 가지고 시장에 참여하려는 수많은 전자기기 제조회사들의 요구에 부응하여, 래티스 반도체(Lattice Semiconductor)는 유연하면서 맞춤화 가능한 포트 컨트롤러 솔루션을 광범위하게 선보여 왔다. 이러한 포트 컨트롤러들은 전류 방향 흐름, 전류 수준, 전압 수준을 협상함으로써, 그리고 USB Type-C 커넥터를 통해 어떤 신호가 흘러갈 것인지를 결정함으로써 완벽한 링크 설정을 관리하는 데 사용될 수 있다.

최적화된 충전 수준은 시스템마다 서로 다를 수 있기 때문에, 유연성은 이상적인 전압/전류 쌍을 선택하는 데 있어서 매우 중요한 요소다. 래티스 포트 컨트롤러는 0 V~20 V 사이에서 50 mV씩 증가하는 어떠한 전압이든, 그리고 0 A~5 A 사이에서 10 mA씩 증가하는 어떠한 전류든 협상이 가능하다. 또한 일부 래티스 포트 컨트롤러는 DP 또는 MHL 같은 표준 알트 모드뿐 아니라 제조사가 정의한 독자적인 알트 모드와도 협상할 수 있다.

래티스 기술의 핵심 가치는 일단 링크 요건이 확인되기만 하면 래티스는 각각의 개별 제조회사의 요구를 지원하기 위해 간단한 펌웨어 프로그래밍을 통해 어떠한 디바이스로든 목표를 수정할 수 있다는 것이다. 래티스는 또한 BOM을 절감할 수 있도록 몇몇 추가 기능을 통합하고 있는데, 여기에는 DP, MHL, USB 3.1 및 디버그 신호를 지원하기 위한 아날로그 MUX와, 외부 전원 기기를 제어/관리하는 데 사용될 수 있는 많은 GPIO가 포함된다.

포트 컨트롤러

SiI7013:  PD/CC PHY
SiI7014:  디스플레이 포트 구현이 가능한 USB Type-C 시스템을 위해 AUX 스위치 및 HPD 발생기를 통합한 PD/CC PHY
Sii7023:  비디오 스위치를 통합한 PD/CC PHY
Sii7033:  디버그, 비디오, USB 3.1 데이터 스위치를 통합한 PD/CC PHY
LIF-UC110:  PD(Power Delivery)를 능가하는 충전 협상 지원 기능의 전용 충전기에 최적화된 풀 PD 스택. 퀵 차지(Quick Charge™)와 배터리 차징 스펙 리비전 1.2.(Battery Charging spec Revision 1.2.) 지원

파급 효과

지금까지 USB Type-C에 대한 시장의 반응은 우호적이다. USB Type-C를 지원하는 컴퓨터와 스마트폰은 이미 출시됐고, 지원 예정인 신제품들도 줄을 잇고 있다.

USB는 한 때 많은 인기를 끌었지만, 관련 커넥터 업계는 늘 여러 갈래로 나뉘어져, USB 3.1이 발표되기 전까지 무려 8종의 USB 지원 커넥터가 존재할 정도였다. USB Type-C가 시장에서 널리 채택된다면 과거 초창기와 달리 컴퓨터와 스마트폰, 하드 드라이브, 자동차, 그리고 더 많은 기기들이 모두 하나의 동일한 커넥터를 사용할 수도 있을 것이다.

만약 시장이 모든 USB 요구에 대해 하나의 기본 사양으로 USB Type-C를 채택하는 방향으로 움직인다면, 액세서리 모드를 오디오용 표준으로, 알트 모드를 비디오용 표준으로 삼는 변화를 보게 될 수도 있을 것이다. 이는 USB Type-C가 데이터 케이블 분야에 엄청난 통합을 가져다 줄 수 있는 잠재력을 갖고 있다는 것을 뜻한다.

디스플레이포트나 HDMI 같은 전용 비디오 표준은 앞으로도 계속해서 소비자들에게 최첨단 가치를 제공할 것이지만, 데이터, 전력, 그리고 데이터와 전력이 모두 요구되는 상황에서는 앞으로 점점 더 USB Type-C가 보다 선호되는 커넥터로 자리잡을 것이다.

이는 소비자들에게 도움이 될 뿐 아니라 가전 업계에도 전에 없던 상호운용성을 가져다 줄 것이다. 그렇게 되면 디바이스는 각각의 데이터, 비디오, 오디오, 전원 포트를 갖출 필요 없이 일련의 USB Type-C 소켓만 장착하면 될 것이다. TV나 컴퓨터 밑에 놓아 둔 케이블 정리용 수납함이 사라질 것이고, 하나의 표준을 다른 표준에 연결해야 할 ‘필요가 있을 경우를 대비하여’ 처박아 두었던 데이터나 비디오, 또는 전원의 서로 다른 연결 기술의 조합도 필요 없게 될 것이다.

이제는 고작 몇 개의 USB Type-C 케이블만으로 대부분의 일들을 처리할 수 있을 것이다. USB Type-C를 이용해 노트북을 모니터와 연결하면, 모니터는 단지 동영상을 보여주는 것 외에 노트북을 충전할 수도 있으며, 다른 모든 주변장치들을 위한 USB 허브로도 기능하게 될 것이다. 모니터에 노트북 대신 스마트폰을 연결할 경우, 앞서 노트북으로 했던 것과 똑같이 동영상 시청이나 충전, 주변장치용 USB 허브 기능을 경험할 수 있을 것이다.

플래시 드라이브를 컴퓨터에 연결하듯이, 이 케이블을 TV와 AVR을 연결하는 데 사용해 보라. USB Type-C는 책상 밑에 뒤죽박죽 엉켜 있는 케이블 뭉치를 없애는 대신, 필요한 모든 전원, 데이터 및 비디오를 각각의 디바이스에 연결하는 하나의 케이블로 대체해 줄 것이다. 

간단히 정리하면, USB Type-C가 소비자와 가전 업계에 제공할 수 있는 잠재적인 이점은 어마어마할 것이고, 커넥터 크기는 비록 작지만 그 영향력은 대단할 것이다.