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정밀 타이밍 기술, 어디까지 왔는가?

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MEMS OCXO 인터뷰

인터뷰/Jeff Gao, Executive leading product marketing & management, SiTime

글/이공흠 기자(leekh@seminet.co.kr)

SiTime은 전략적으로 굉장히 중요한 한국시장에 새로운 타이밍 솔루션 신제품인 에포크 플랫폼 MEMS OCXO를 출시를 한 것과 관련해서 인터뷰를 통해 상세하게 설명하였다. MEMS 에포크 플랫폼 같은 경우에는 특히 네트워크 인프라 장비 부분에 있어서 정밀 타이밍 기술이 어떤 판도를 바꾸어 놓을 그런 기술이라고 SiTime은 생각을 하고 있고, 이 부분에 대해서 조금 더 자세하게 설명을 들었다. 

타이밍 기술이란?

전자산업에서 전자부품이라고 하면 대부분의 사람들이 프로세서, 메모리, 이더넷 이런 정도를 생각하는데 사실 이런 모든 전자 장치들이 제대로 작동하기 위해서는 타이밍이 없어서는 안된다. 타이밍이 없으면 어떠한 장치들도 작동이 되지 않기 떄문에 타이밍이야 말로 이런 전자부품, 전자산업의 심장박동이다 이렇게 비유를 하고 있다. 

기존의 쿼츠에 비해 MEMS OCXO의 장점은?

이 그림은 기존의 쿼츠 OCXO하고 SiTime의 MEMS OCXO를 비교하는 그림이다. 먼저 기존의 레거시 쿼츠 OCXO에 대해 먼저 말씀을 드리면 사실 두개 다 OCXO 라는 거 자체가 오븐 컨트롤즈 오실레이터라는 약자이다. 두개 다 보면 오븐 안에 오실레이터가 들어가 있다라고 보면 되는데 오븐이라고 한거는 그 안에 히팅이 되어 있어서 열이 높은 온도가 유지가 되도록 오븐이랑 비슷하게 되기 때문이다. 이렇게 높은 온도가 유지되어 있어야지 정확성과 안정성을 확보를 할 수 있기 때문에 이런 오븐 제어 방식의 오실레이터가 사용이 되기 시작했다. 

그런데 사실 이 개념이 새로운 개념은 아니다. 1929년에 개발되어서 그 당시에는 쿼츠 베이스로 했겠지만 OCXO가 이미 계속해서 사용이 되고 있었고 사실은 1929년에 처음 도입이 됐을 떄에는 엄청나게 크기가 컸다. 그러나 요즘에는 굉장히 소형화되어서 크기가 많이 줄었지만 그럼에도 불구하고 25 x 25mm 정도로 여전히 크다. 그리고 말씀드린 대로 이게 새로운 기술도 아니고 오랫동안 지금 시장에 있어 왔고 애플리케이션도 굉장히 다양하게 많이 있다. 그런데 구조 자체 때문에 여러가지 컨디션 하에서, 환경적인 요인 하에서 전체적인 성능이 일관성을 유지하지 못한다는 문제가 있다. 그리고 굉장히 민감해서 쿼츠 베이스 같은 경우에는, 기류나 진동 아니면 급격한 온도변화에 안정적인 성능을 기대할 수가 없는 문제점이 있다. 그래서 우리의 고객들 같은 경우에도 “쿼츠를 OCXO를 보드 안에 잘 숨겨놔야지 기류의 영향을 받지 않고 제대로 동작을 할 수가 있다”고 이야기 했다. 

이렇게 사용성이 떨어지고 오븐이라는 굉장히 높은 열을 유지하기 때문에 당연히 전력이 많이 소비가 된다. OCXO는 기계장치인데 높은 온도에 지속적으로 노출되면 장애 발생률이 굉장히 높다. 예를 들면 기지국 같은 경우에는 보통 10 ~ 20년 장기적으로 안정적인 작동을 해야 하는데 장애가 발생할 경우에 문제가 생길 수 있다. 그래서 고객들의 문제점에 원활하게 대처할 수 있는 대안이 나와야 한다.

SiTime이 내놓은 해결책이 MEMS 기반의 EPOCH OCXO이다. 이 제품은 100년 정도 지속된 OCXO 산업의 판도를 변화시킬 것이라고 우리는 믿고 있고, 여러 점에서 굉장히 우수한 성능을 보이고 있는데 일관성의 측면에서 8배, 그리고 환경 요인에 대해서도 영향을 받지 않고 지속적으로 안정적인 성능을 낸다는 점에서 2배 정도 성능 향상이 있었고, 소비 전력 같은 경우에도 3배 정도로 낮고 전체적인 안정성은 거의 30배가량 향상되었으며, 크기도 25배 정도 소형화됐다. 

전체적으로 MEMS 기반의 실리콘 기반이기 때문에 확장성과 안정성이 굉장히 뛰어나고 리드타임도 빨라서 제품을 빠르게 공급할 수 있다는 장점들이 있다. 

MEMS OCXO의 기술적 특징은? 

에포크 플랫폼 MEMS OCXO의 기술사양을 보면, 전체적으로 10 ~ 220메가헤르쯔까지 어떠한 주파수 아웃풋으로도 낼 수가 있게 지원하고 있고 HOLDOVER 같은 경우에는 1.5㎲에서 8시간 ~ 12시간 동안 홀드오버가 될 수 있다. 그 다음에 전체적으로 온도에 따라서 안정성 수준을 ±1, 3, 5ppb로 다양하게 지원을 할 수 있다. 그 다음에 ±0.01ppb 안정성을 제공하고 있고 쇼텀에이징 같은 경우에도 1일에 0.1ppb만 가지고 있고, 작동 온도 같은 경우에도 상당히 고온까지 지원을 하고 있다. 

소비전력도 굉장히 많이 낮췄고 작동 전압 같은 경우에도 2.5, 2.8, 3.3V로 다양하다. 패키지 사이즈가 전체적으로 작아져서 9 x 7 x 4mm에 불과하다. 그리고 중요한 점은 전체적으로 디지털로 주파수를 튜닝할 수 있는데 그 수준 레인지가 ±800ppm, 첫 번째 펄스가 나오기까지 걸리는 시간은 8ms이다. 

홀드오버란? 

홀드오버란 앞에서 설명했듯이 인프라의 모든 노드들은 시간적으로 동기화된다. 노드가 5G DU에 있을 수도 있고 아니면 데이터센터 스위치에 있을 수도 있고, 또는 코어 라우터라든가 다양한 곳에 있을 수가 있는데 이 노드의 경우에 세군데서 시간에 대한 정보를 받게 된다. 

첫 번째는 GNSS 타임이라 해서 GPS랑 비슷하다. GPS는 GNSS가 위치 정보도 주지만 시간 정보도 같이 제공한다. 두 번째 네트워크 타임 같은 경우는 통신사가 그랜드마스터라는게 있어서 그랜드마스터에서 시간을 IP 네트워크를 통해서 각각의 노드로 뿌려준다. 세 번째로는 이 장치 내에서 시간에 대한 기본적인 레퍼런스가 제공된다. 

그러면 시간을 왜 세 군데서 받아야하느냐? 이런 의문이 생길 수 있는데 그렇게 해야 되는게 시간 데이터가 하나만 있을 경우 그 하나가 장애가 되면 네트웍이 더 이상 구동을 하지 않기 때문에 여분의 개념으로 가져가는 건데, 첫 번째 GNSS 같은 경우 굉장히 정확할 수 있지만 어떤 외부적인 환경 요인에 굉장히 민감할 수 있다. 특히 기상악화가 있을 때, 폭우나 강풍이 있을 때 GNSS가 다운이 되어서 시간 정보가 제공이 안될 수가 있다. 두 번째는 통신사 같은 경우 노드가 굉장히 많기 때문에 갑자기 트래픽이 급증했을 때 혼잡도가 늘어나면 어떤 딜레이가 이루어지면서 시간에 대한 정보 레퍼런스가 나오지 않을 경우가 있다. 그렇게 이 두 가지 소스에서 시간이 동작을 하지 않을 때 그때 로컬타임이 중요하게 된다. 그래서 이 두 가지가 다운 됐을 때 로컬타임 OCXO가 하는 일은 계속해서 우리가 원하는 시간에 정확한 보장을 해준다.

그래서 그 홀드오버라는거는 얼마 동안 정확성을 보장을 해주느냐 이런 개념이라고 보면 되는데 그렇기 때문에 일단은 그 보장을 한다라는거는 다른 두 개의 소스가 다시 동작을 할 떄 까지 홀드오버를 해줘야 네트워크가 항상 동작을 할 수 있다는 개념이다. 그래서 설명한것처럼 이 OCXO는 세 가지 소스 중에 하나로 작동을 하면서 결국은 인프라 시스템이 정확하게 동기화되고, 그렇게 함으로써 서비스를 연속적으로 제공할 수 있게 하는 매우 크리티컬한 역할을 하고 있다.

정리를 해보면, 첫 번째가 설명한 것처럼 인프라 노드가 있는데 다른 타임 레퍼런스가 동작이 안될 때, GNSS, PTP 그리고 동기식 이더넷 이런 것들에서 타임 정보를 못 받을 때 그때 백업인 로컬 OCXO가 들어와서 시간을 제공하고 다른 네트워크가 작동할 수 있도록 도와준다.

두 번째를 보면 주어진 어떤 로컬 파일이 있는데 기존에 정의된 시간 정확성을 계속 유지할 수 있는 시간이 얼마나 되느냐이다. 그런데 그 시간을 유지하는데 환경 변화 조건이 있다. 최소한 8시간 동안에는 적어도 1.5㎲ 이상의 변화가 있으면 안된다. 홀드 오버에 대한 업체의 요구가 다양하지만 홀드오버를 결정하는 요인들이 있다. 

그 요인이 3가지가 있는데, 첫 번째가 온도 변화에 따른 주파수의 변화율(ΔF/ΔT), 두 번째는 하루 동안에 얼마나 변화하는지 보여주는 원데이에이징이 되겠고, 세 번째 완더라고 하는건 HDEV라고 해서 굉장히 짧은 시간에 랜덤하게 얼마나 변화하는지를 나타낸다. 이 3가지가 홀드오버를 결정짓는 요인이 된다. 

에포크 OCXO의 홀드오버가 어느 정도 좋은가? 

홀드오버와 관련해서 우리가 실험실에서 측정을 해봤는데 실험실에서는 실제 우리가 구동하는, 예를 들어서 5G 기지국에서 영향을 미칠 수 있는 환경요인들을 재현해서 실험을 했다. 그 결과값을 보면 일단 오렌지가 기존의 쿼츠베이스고 파란색이 에포크 제품의 결과값이다. 그래프를 보면 X축의 시간이 흐름에 따라 왼쪽 Y축의 시간 정밀도가 얼마나 되는지 측정해 보았다. 오렌지색을 보면 위쪽에 +1.5㎲는 시간이 1.5㎲ 더 빨리 가는 값, -1.5㎲는 더 느리게 가는 값이다. 위쪽 오렌지 선 1.5㎲가 가는걸 보면 3시간 정도 되면 이미 정점을 찍고 그 범위를 넘어섰다. 이러면 아웃스코프가 되는거다. 그리고 -를 보면 약간의 격차는 있지만 4시간 정도에서 벗어나고 있다. 그러다가 8시간이 지나면 거의 3㎲ 정도 수준까지 오차가 난다. 

그런데 이제 파란색인 에포크 같은 경우에는 훨씬 더 좁은 범위에서 타임 에러가 나타나기 때문에 8시간까지 홀드오버가 가능하다고 그래프는 보여주고 있다. 홀드오버의 영향을 미친 두 번째 요인은 ΔF/ΔT라고 설명했다. 그래서 우리가 쿼츠 제품 두개, 그리고 에포크 두개를 가지고 실험을 해보았다. 눈여겨 볼 두 가지 포인트가 있다. 첫 번째는 전체적인 선이 편평한 거, 완만하고 플랫하게 나오는게 더 우수한 성능이다. 그리고 울퉁불퉁하면 성능이 안좋게 나온다는 의미이며 주파수가 매우 크게 변한다는 것이다. 

두 번째 포인트는 쿼츠도 2개를 비교해봤는데 오렌지 선이 두개가 비슷하게 나와야 하는데 좀 다르게 나왔다. 에포크 제품인 파란색은 그래프가 비슷하게 나타나는 반면 아래 오렌지 색은 차이가 심하다는 것을 볼 수 있다. 

이 의미는 같은 쿼츠기반의 제품을 구매했지만 그 부품별로 성능차이가 너무 많이 난다는 의미이다. 안정성 변화율이 부품마다 굉장히 다르게 되면 설계를 하는 엔지니어 입장에선 이 부품으로 시스템 레벨에서 안정성을 어떻게 확보하냐 이런 문제가 생길 수 있다. 그래서 그래프를 보면 에포크 플랫폼 제품은 전체적으로 좀 더 편평하고 부품별로 편차가 거의 없는 일관성 있는 성능을 나타낸다. 

그리고 앞에서 설명한 짧은 시간 내에 주파수가 얼마나 변하는지를 보여주는 DHEV 편차를 우리가 측정을 해봤는데, 이 실험에서도 마찬가지로 각각 2개씩 성능 시험에 대한 그래프를 볼 수 있다. 오렌지선 같은 경우는 편차가 많이 나고 수치도 높게 나온다. 그러나 에포크 같은 경우엔 2개의 부품이 서로간 편차도 적었고 2개 다 안정적으로 낮은 편차를 보이고 있다. 편차가 낮다라는 건 결국 주파수 변화가 크지 않다는 의미다. 그래서 우리가 사양에 대해 그래프를 통해 숫자적으로 설명을 했는데 이 숫자가 실제적으로 어떤 이득을 전달하는지 이해하는게 중요하다. 

에포크 플랫폼의 성능이 어떤 이점을 제공하는가?

에포크 플랫폼의 성능을 나타내는 숫자가 네트워크 오퍼레이터나 장비 업체에게 어떤 이점들을 제공하는지 살펴보자. 예를 들어 애플리케이션에 어떤 고객이 일단은 전봇대 위에 DU/RU와 같은 기지국 박스, 스몰 기지국을 설치했는데 그런 경우엔 옥외 설치가 됐기 때문에 온도 변화가 갑자기 급격하게 나타날 수 있다. 텍사스의 예를 들면 화씨로 100도가 쉽게 넘어가게 되고 엄청난 돌풍이 불 수도 있고, 그런 경우에 기후나 이런 혹독한 조건에도 이걸 견디고 안정적으로 성능을 발휘를 할 수 있어야 하는데 그런 점에서 MEMS OCXO 같은 경우엔 서비스 연속성을 2배 정도 향상시켰다.

요즘에 통신과 관련해가지고 스마트 NIC의 베이스로 모든 것들이 이루어지는 경향이 있다. 이런 경우에 일단 우리가 NIC을 많이 쓰는 이유가 보안이라든가 여러가지 아웃플로우 측면에서 이점들이 많이 있는데, 문제는 데이터 센터에 차트 같은 걸 보면 굉장히 밀집도가 높고 소형이기 때문에 OCXO를 장착하는게 쉽지가 않다. 앞에서 보여드린 것처럼 기존의 쿼츠 OCXO같은 경우는 가로 x 세로 크기보다도 높이가 문제가 된다. 높이가 높아서 PCB 뒷면에 붙였을 때 옆에 있는 보드하고 맞닿을 수 있다. 그렇게 되면 안정성이 좀 떨어질 수 있는데 저희 MEMS OCXO 같은 경우에는 기존 크기의 절반 정도에 달해 8시간 정도의 홀드오버를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

소비전력 같은 경우에는 특히 요즘엔 이렇게 아까 말씀드린 대로 전봇대나 이런데 설치가 되었을 경우 이더넷을 통해 전력이 공급이 되는데 예전에는 OCXO가 전체 파워의 5 ~ 10%를 잡아먹어서 굉장히 소비전력이 많이 사용이 됐는데 에포크는 소비전력이 1/4 정도로 낮아졌다. 이 외에도 여러 고충을 우리가 굉장히 많이 들었다. 그런 고충들은 MEMS OCXO를 사용하면 디자인 측면에서 좀 더 용이하게 할 수 있을 것 같다. 

SiTime이 사실은 굉장히 많은 노력과 시간을 들여 이렇게 새로운 제품을 내놨다. SiTime이 내놓은 MEMS 기반의 EPOCH OCXO를 고객들이 구매해서 네트워크 장비를 구동을 하는데 신제품의 이점들이 실제로 좀 활용이 되고 고객들이 이점을 최대한 누릴 수 있도록 바람을 가져 본다. 

leekh@seminet.co.kr
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