[기고] 고성능 MCU로 산업을 재편하는 5가지 방법
  • 2021-09-02
  • 글 / TI (Texas Instruments)


자동화 공장과 스마트 차량이 발전하려면 고급 네트워킹 기능, 실시간 프로세싱, 에지 분석, 더 선진화된 모터제어 토폴로지가 필요하다.

이러한 예시는 기존의 MCU를 능가하고 프로세서에 버금가는 기능을 제공할 수 있는 고성능 마이크로컨트롤러(MCU)에 대한 필요가 급속하게 증가하고 있음을 의미한다.



이 글에서는 그림 1과 같이 설계 엔지니어들이 고성능 Sitara™ AM2x MCU로 현재와 미래의 시스템 과제를 해결하는 5가지 방법에 대해 다룰 예정이다.

더 높은 성능 지원하기

MCU는 최근 메모리 크기와 아날로그 기능 통합, 낮은 전력 소비 등의 측면에서 발전을 보이고 있다. 하지만 다수의 애플리케이션에서는 그에 못지않게 대량의 실시간 제어 및 센서 데이터를 신속하게 처리하는 능력도 중요하다. 자동화 공장에서는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 및 로봇 모터 제어 시스템에 대한 처리 요구 사항이 코어당 약 100MHz에서 400MHz 이상으로 증가하고 있으며, 앞으로 3~5년 후 1GHz 이상까지 증가할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

또한, MCU가 다음과 같은 기능을 처리하려면 고성능 기능도 필요하다.

• 기계와 중앙 데이터 시스템이 다양한 프로토콜에서 대량의 데이터를 공유하기 때문에 산업 통신의 증가
• 공장을 계속 원활하게 가동하는 예측형 유지보수용 에지 분석

Sitara AM2x MCU는 각 MCU 코어의 클록 속도를 높이고 동일 칩에서 여러 개의 MCU 코어를 통합하여 더 높은 성능 요건을 충족시킨다. 4개의 코어가 코어당 800MHz로 돌아가는 AM2434는 작업 현장에서 기존 MCU에서 제공되는 것보다 더 빠르고 더 복잡한 데이터 프로세싱과 더 낮은 지연시간 제어, 고속 통신을 지원한다. 예를 들어, 로봇 팔의 더 빠르고 원활한 제어는 운전 안전성, 생산 효율성, 품질 및 처리량을 개선할 수 있다.



실시간 작동 및 분석 개선

현대식 공장의 자동화가 확대되면서 실시간 데이터 분석과 제어에 대한 필요성이 높아지고 있다. 기존의 많은 시스템에는 이러한 다양한 기능을 처리하는 여러 개의 MCU 가 있었다. 특히 멀티코어 아키텍처가 있는 고성능 MCU는 장치 하나로 데이터 프로세싱 및 실시간 제어 기능을 관리하여 더 통합된 시스템을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

Sitara AM2x MCU는 데이터를 고속으로 입력하고 처리하기 위해 데이터 수집 기능과 정밀한 실시간 제어 주변 장치를 통합한다. 예를 들어, 로봇 팔의 모터를 제어하는 단일 MCU로 오디오, 전류 및 위치 감지 인터페이스를 통합하여 MCU를 추가할 필요 없이 로봇과 인간의 협업 수준을 높일 수 있다. 또한, MCU로 오디오 입력 및 음향 인식과 분류를 통합하여 건물 보안 시스템의 에지 인텔리전스를 개선할 수도 있다. 고성능 MCU는 여러 개의 프로세싱 기능을 단일 칩에 구현하여 산업 시스템을 더 스마트하게 만들 뿐 아니라 설계 작업을 더 합리적인 가격으로 더 쉽게 수행할 수 있다.



설계 간소화 및 소프트웨어 재사용 지원

MCU를 정의하는 특성에는 간단한 시스템 설계와 소프트웨어 개발이 포함된다. 또한, MCU 성능과 통합 수준이 프로세서와 비슷해지더라도 사용이 간편한 하드웨어와 소프트웨어에 대한 기대는 바뀌지 않을 것이다.

Sitara AM2x MCU를 통해 엔지니어는 다음과 같은 이점을 누릴 수 있을 것으로 예상한다.

• 여러 플랫폼에서 재사용을 가능하게 하며 개발 시간과 비용을 줄여주는 간단한 소프트웨어 개발 환경 및 도구(실시간 운영체제 기반 소프트웨어 등)
• 효율적인 실시간 작업 관리와 비용 효과적인 전원 관리 솔루션을 위한 더 간단한 전원 관리 아키텍처
• 통합 랜덤 액세스 메모리(RAM)에 따른 최적화된 속도 및 낮은 지연시간 기능

PLC 등의 실시간 감지 및 반응 애플리케이션은 안전성과 지속적인 작동을 위해 타이밍 제약을 처리해야 한다. 따라서 예상치 못한 최악의 경우를 고려한 타이밍 설계가 시스템에 필요하다. 사용이 간편한 소프트웨어를 제공하면 이러한 시스템을 신속하고 효율적으로 설계하는 데 도움이 된다.

메모리 유연성을 통한 시스템 비용 최적화

기존 MCU에는 플래시 등의 비휘발성 메모리가 내장되어 있었다. 하지만 자동화된 공장부터 자율 주행에 이르는 애플리케이션에서 데이터 프로세싱 요구 사항이 증가하면서 메모리 크기 확장성이라는 과제가 생겼다. 또한 더 빠른 중앙 처리 장치(CPU) 요구 사항은 다음의 2가지 과제를 제시한다.

• 시스템에서 메모리에 실시간으로 기록하는 경우 플래시 속도와 성능 조절에 전적으로 의존
• 고급 프로세싱 노드(16nm 등)에 대한 비휘발성 메모리 지원이 제한되거나 없음

MCU 설계 엔지니어는 외부 비휘발성 메모리의 유연성이라는 이점을 얻을 수 있다. Sitara AM2x MCU를 사용하면 MCU를 변경하거나 보드를 재설계할 필요 없이 메모리 요구를 해소하여 설계 민첩성을 높이고 개발 비용을 절감할 수 있다. AM2x 장치의 대형 내장 RAM과 간단한 소프트웨어 아키텍처는 지연 시간과 성능 문제를 해결해 준다.

전력 효율 증가

기존의 MCU는 전력을 적게 소비하는 것으로 알려져 있다. 애플리케이션이 고성능 MCU로 옮겨가고 있어서 전력 소비 감소가 여전히 중요하다.

• 와트당 성능(활성 전력 소비 효율): 특히 히트싱크와 팬 등의 활성 냉각 조치가 필요한 기존 MCU 시스템에서는 열 방출이 2W를 넘어 3W까지 증가하여 비용, 중량 및 풋프린트 문제가 초래되는 경우가 많다. 따라서, 성능 향상과 전력 소비는 비례하지 않을 수 있다. 고성능 Sitara AM2x MCU는 5,000 DMIPS/W 이상의 성능을 지원할 수 있다.
• 저전력(전원 차단) 모드: MCU는 보통 더 낮은 듀티 사이클 환경에서 작동한다. 고성능 MCU를 고급 프로세스 노드에서 설계한다는 사실을 고려할 때 고성능 MCU의 누설 전류 영향은 기존의 MCU보다 높다. 설계자들은 파워 게이팅 기술과 저전력 모드(절전, 초절전, 셧다운, 실시간 클록 전용, 입력/출력 웨이크업 등)의 지속적인 혁신을 필요로 한다.

마무리

고성능 MCU는 프로세서 수준의 컴퓨팅에 대한 접근성을 높여서 설계자와 시스템에 새로운 가능성을 열어준다. 애플리케이션이 계속 진화하고 설계 엔지니어들이 고성능 MCU의 성능을 시스템에 최대한 활용함에 따라 MCU 혁신가, 제품 디자이너, 소비자 모두 새로 발견한 MCU 기능의 이점을 경험하게 될 것이다.


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