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차량용 컴퓨팅의 미래를 이끌다

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글/톰 콘웨이(Tom Conway) 자동차 부문 제품 관리 부문 수석 이사, Arm

오늘날 자동차 산업은 대대적인 지각 변동을 겪고 있다. 자동차로 전자 시스템이 갈수록 더 큰 비중을 차지하고 있으며, 자동차가 “바퀴 달린 컴퓨터”이자 이제껏 사람들이 소유했던 것 중에서 가장 복잡한 테크놀로지 디바이스가 되고 있다.

AI의 도입과 소프트웨어 정의 자동차(SDV)의 가속화로 이러한 복잡성은 한층 더 높아지게 되었다. 이것은 새로운 차원의 성능, 효율, 안전, 보안을 요구하는 것으로 이어지고 있다.

자동차 시장의 컴퓨팅 요구

Arm은 이러한 요구를 충족하고 자동차 발전을 뒷받침하기 위해서 계속해서 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 제공하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 차량용으로 AI 가속화에 최적화된 새로운 프로세서 스위트를 제공한다. 이로써 Arm AE(Automotive Enhanced) IP 포트폴리오를 어느 때보다 다양화하게 되었으며, 전세계의 차량용 시스템온칩(SoC) 디자이너들을 위해서 누구도 따라올 수 없는 성능, 저전력, 안전, 보안, 확장성, 유연성을 제공하게 되었다.

Arm AE IP 포트폴리오로 새롭게 추가된 것들로는 전적으로 차량용 시장을 위한 기능들을 탑재한 서버급 Neoverse CPU, 2개의 새로운 Armv9 A 계열 CPU, 새로운 R 계열 CPU, 새로운 ISP(Image Signal Processor)를 포함한다. 또한 이 포트폴리오는 다양한 SoC 솔루션 용으로 인터커넥트, 범용 인터럽트 컨트롤러(GIC), 메모리 관리 유닛(MMU) 같은 주요 시스템 IP들을 제공한다. 이러한 제품들이 모여서 Marvell, MediaTek, NVIDIA, NXP, Renesas, Telechips, Texas Instruments 같은 파트너사들이, 존 컨트롤러에서부터 디지털 콕핏과 차내 인포테인먼트(IVI) 시스템에 이르기까지, 그리고 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에서부터 AI 혁신을 통해서 실현되고 있는 자율 운전에 이르기까지, 새로운 차원의 컴퓨팅 시스템, 기술, 디바이스를 개발할 수 있도록 한다. 여기로 들어가면 Arm의 실리콘 파트너사들이 어떻게 혁신을 이뤄가고 있는지 볼 수 있다.

이들 새로운 프로세서와 함께, Arm은 자동차로 갈수록 높아지는 컴퓨팅 요구를 충족하도록 차량용으로 Arm Compute Subsystem(CSS) 로드맵에 투자하고 있다. 이것은 고객들이 누구보다 앞서 시장에 진출하고 총 소유비용(TCO)을 절감하도록 할 것이다.

새로운 Arm AE IP를 지원하기 위해서 Arm과 이의 파트너사들이 전적으로 차량용으로 적합하도록 설계된 일련의 가상 플랫폼을 제공한다고 발표했다(이 중의 일부를 이미 제공하고 있다). 가상 프로토타입 개발 용으로 사전에 설계된 이러한 디자인들을 사용해서 파트너사들이 개발 작업을 손쉽게 할 수 있으며 또는 각자의 필요에 따라서 맞춤화를 할 수 있다. 뿐만 아니라, 다양한 SDV 애플리케이션 용으로 여러 차량용 파트너사들로부터 포괄적인 소프트웨어 솔루션 스택을 지원한다. 이 포괄적인 지원 패키지는 차량용 엔지니어와 개발자들이 실리콘이 나오기를 기다릴 필요 없이 Arm AE IP 포트폴리오를 사용해서 쉽고 빠르게 혁신적인 컴퓨팅 솔루션을 개발할 수 있도록 한다. 그럼으로써 차량용 개발 일정을 최대 2년까지 단축하도록 한다.

다양한 활용 사례로 최적화되고 확장이 용이한 차량용 컴퓨팅 제공

2020년에 Arm은 Cortex-A78AE와 Cortex-A65AE를 출시했다. 이 둘은 자동차 업계에서 현재 진행되고 있는 25개 이상의 디자인에 걸쳐서 폭넓게 채택되고 있다. 파트너사들이 Cortex-A78AE를 다양한 차량용 컴퓨팅 활용 사례에 채택하고 있는 것을 볼 수 있으며, 첫 번째 디자인이 곧 양산에 들어갈 예정이다. 이러한 성공을 바탕으로 Arm은 주요 파트너사들과 접촉하면서 이들이 다음 번 CPU 디자인으로 무엇을 원하는지 이해하게 되었다.

파트너사들은 자동차로 갈수록 더 높은 컴퓨팅 성능을 요구한다는 것이 확실했다. 이와 더불어, 개발 시간을 단축하고, TCO를 개선하고, 자신들의 소프트웨어 투자를 재사용할 수 있도록 유연성을 높이기를 원했다. Arm Neoverse 기술은 서버 시장으로 이러한 요구들을 충족하는 것으로서, Arm은 Arm AE IP 제품 라인으로 Neoverse CPU를 적용해서 차량용으로 최적화된 새로운 CPU를 제공하기로 결정했다.

Arm Neoverse V3AE는 하이엔드 ADAS와 자율 운전 같이 최고 수준의 단일 쓰레드 성능을 요구하는 활용 사례 용으로 설계되었다. Arm의 엔지니어링 팀이 Neoverse V3 디자인으로 주요 AE 기능들을 추가했다. 기능 안전(functional safety)을 요구하는 애플리케이션에 사용하기 위한 트랜션트 결함 보호(TFP) 같은 기능을 들 수 있다. Neoverse V3AE는 최신 클라우드 및 데이터 센터 디자인에 사용되는 것과 근본적으로 동일한 CPU 성능과 ISA를 적용해서 자동차로 갈수록 높아지는 컴퓨팅 요구를 충족한다. 그러므로 자동차 파트너사들이 자신들의 전반적인 소프트웨어 검증의 일환으로 클라우드 컴퓨팅 자원을 활용할 수 있으며, 차세대 SDV로 오늘날 클라우드에 사용되는 것과 동일한 ISA를 활용할 수 있다.

Arm은 또한 다양한 SDV 활용 사례 용으로 각기 다른 성능과 전력 수준으로 2개의 새로운 Arm AE A 계열 CPU를 제공한다. A 계열 CPU와 Neoverse V3AE는 차량용으로 또 다른 최초로서 Armv9-A 아키텍처를 근간으로 한다. 그러므로 AI로 발생되는 다양한 데이터 타입들에 대해서 보안 기능들과 향상된 컴퓨팅 성능을 제공한다.

Arm Cortex-A720AE는 ADAS, 디지털 콕핏, IVI 같이 높은 성능과 높은 전력 효율을 둘 다 요구하는 활용 사례에 적합하다. Arm의 엔지니어링 팀이 “형님(Big)” 코어 Cortex-A720 CPU로 향상된 스플릿 록(split-lock), 선택적 TFP, 향상된 소프트웨어 테스트 라이브러리(STL) 같은 주요 AE 기능들을 추가했다. Cortex-A720은 스마트폰 같이 널리 사용되는 컨슈머 디바이스로 많은 SoC의 “핵심 역군”으로서, 이전 세대 Cortex-A78AE에 비해서 훨씬 더 높은 성능을 제공한다(동일한 전력 예산으로 더 높은 수준의 성능). 점군 변환이나 버즈아이 생성 같은 인지 벤치마크로 차량용 워크로드를 Cortex-A78AE에서 Cortex-A720AE로 이전했을 때 30퍼센트의 성능 향상을 이루는 것으로 나타난다. 앞서서는 파트너사들과 협의를 통해서 파트너사들의 주요 차량용 워크로드로 성능이 무엇을 뜻하는지 정하기 위한 노력이 있었다.

Arm Cortex-A520AE는 컴퓨트 워크로드를 되도록 효율적으로 처리하고자 하는 다양한 차량용 활용 사례에 적합하다. 특히 ADAS 활용 사례 같은 경우는 비전 프로세싱 요구와 함께 전력을 낮추도록 하는 최적화가 요구된다. “아우(Little)” 코어 Cortex-A520AE는 이종 SoC(형님 코어와 아우 코어를 조합)로나 또는 메인 프로세서로서 중요한 역할을 한다. 이전 CPU 디자인의 형님 코어 워크로드를 달성할 수 있기 때문이다.

새로운 AE 버전의 DynamIQ Shared Unit(DSU-120AE)을 통해서 CPU 클러스터 구성으로 Cortex-A720AE와 Cortex-A520AE를 조합함으로써 더 다양하고 더 유연하고 확장이 용이한 이종 SoC 디자인을 달성할 수 있다. DSU-120AE는 한 클러스터로 최대 14개 코어를 가능하게 하며 Cortex-A720AE와 Cortex-A520AE 쌍들을 조합할 수 있다.

차량용 실시간 컴퓨팅

차량용 SoC로는 애플리케이션 프로세서가 흔히 중요한 대접을 받으나, 차량용 시장은 안전과 실시간 컴퓨팅 요구를 충족하는 것이 아주 중요하다.

수년 전부터 Arm의 파트너사들은 애플리케이션 프로세서와 실시간 코어를 조합해서 SoC를 설계하고 있다. 이러한 실시간 코어는 대체로 별도의 안전 영역에서 이용할 수 있으며, 이들 코어를 사용해서 애플리케이션 프로세서를 모니터링하고 SoC가 통신, 시스템 관리, 자동차 작동 같은 실시간 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있도록 한다. Arm Cortex-R52와 Cortex-R52+가 20개 이상의 디자인에 채택되면서 안전 영역에서 자동차 업계의 산업 표준으로 자리잡고 있다. 

Arm은 또 차세대 Arm Cortex-R82AE를 발표했다. 이것은 사상 처음으로 실시간 안전 프로세싱으로 64비트 컴퓨팅을 적용한 것이다. Cortex-R82AE는 성능 기준에 더 잘 맞는 안전 영역 디자인을 가능하게 하고 애플리케이션 프로세서 코어와 매끄럽게 통합하고 상호작용한다. 이러한 모든 것이 64비트 메모리 공간에서 이루어진다. 전통적인 실시간 컴퓨팅 활용 사례와 일부 리치(Rich) 운영체제(OS) 워크로드를 지원한다.

차량용 비전의 미래 선도

자동차 제조사들이 카메라 기반 ADAS 시스템을 널리 도입하고 있다. 단일 카메라 AEB에서부터 다중카메라 L2+ ADAS에 이르기까지 비전 시스템을 사용한 자율 운전 기능들이 갈수록 늘어남으로써 차를 더 안전하게 만들고 있다. Arm은 꾸준히 ISP를 개발해 온 이력을 가지고 있으며, 오늘날 도로를 달리는 수백만 대의 차들이 Arm의 ISP(Arm Mali-C71AE와 Mali-C78AE)를 사용하고 있다. 최신의 새로운 ISP로서 Arm Mali-C720AE는 비전 시스템의 다양한 활용 사례에 대한 장기간에 걸친 연구 프로젝트의 성과이다. 비전 시스템은 크게 인간 비전(human vision)과 컴퓨터 비전(computer vision)으로 구분된다. “인간 비전”은 사람의 시각 요구에 적합하게 이미지를 처리하는 카메라 시스템을 말한다. 그러므로 생생하고 사실적인 색감, 선명한 외곽선, 픽셀 오류 교정이 중요하다. 하지만 컴퓨터 비전 알고리즘은 입력 데이터를 전혀 다르게 처리한다. 다시 말해서 다른 ISP를 사용하거나 또는 ISP를 직렬로 재프로그래밍하는 것을 통해서 별도로 이미지를 처리한다.

Mali-C720AE는 바로 이러한 문제를 해결하는 것으로서, 다중 병렬 파이프라인을 인간 비전과 컴퓨터 비전 활용 사례에 걸쳐서 각기 다르게 튜닝할 수 있다. 그러므로 이미지를 처리하기 위해서 소요되는 시간을 단축하고 컴퓨팅 시스템의 전반적인 응답 시간을 빠르게 한다. 이러한 다중 ISP 파이프라인은 또한 메모리 사용을 줄임으로써 SoC의 전력과 면적을 줄이도록 한다.

뿐만 아니라 Mali-C720AE는 프로세싱 블록들을 더하거나 뺄 수 있는 유연성을 제공함으로써, 기능 안전을 해치지 않으면서 특정한 활용 사례의 특정한 프로세싱 요구에 따라서 면적을 최적화할 수 있도록 한다. 끝으로, 차별화된 ISP 모델은 Arm의 차량용 파트너사들이 컴퓨터 비전 기반 애플리케이션으로 이미지 품질을 더 빠르게, 더 경제적으로, 더 높은 성능 수준으로 튜닝할 수 있도록 한다. 차별화된 가속화 ISP 모델을 단독적인 소프트웨어 제품으로 이용할 수 있으므로, 실리콘이 나오기 전에 소프트웨어 개발과 이미지 품질 튜닝을 가능하게 한다. 그러므로 개발자들이 개발 시간을 단축할 수 있다.

시스템 IP와 공개 표준을 사용한 SoC 솔루션 개발

Arm AE IP 포트폴리오로 새로운 CPU와 ISP를 추가한 것과 더불어, Arm은 파트너사들이 SoC를 빠르게 그리고 성공적으로 설계할 수 있도록 새로운 구성가능 시스템 IP들을 제공한다. 여기에는 안전 가능 버전의 새로운 인터커넥트와 GIC를 포함한다.

ADAS, 자율 운전, 디지털 콕핏 활용 사례로는 새로운 차원의 높은 코어 수(high core count) 차량용 컴퓨팅 시스템을 필요로 한다. 이러한 요구를 충족하기 위해서 Arm은 Neoverse S3 용의 Coherent Mesh Network로 “AE” 기능을 추가했다(CMN S3AE). 그럼으로써 향상된 기능 안전을 가능하게 한다. CMN S3AE는 칩당 64개가 넘는 코어 수를 지원하며, 칩릿 형태로 일관된 다중칩 디자인을 구현할 수 있도록 한다.

다양한 차량용 컴퓨팅 시스템으로 안전 가능 NoC(Network on Chip)를 필요로 할 수 있다. Arm은 자사의 고도로 구성가능한 NoC 제품(NI-710AE)으로 일련의 안전 기능들을 추가했다. 그러므로 대형 SoC로 포괄적인 안전 마이크로컨트롤러(MCU)에서부터 안전상 중요한 서브시스템들과 안전 영역에 이르기까지 모든 것을 구현할 수 있다. 

다중 프로세서 시스템은 리치 운영 체제가 자원을 관리하고 가상화를 달성할 수 있도록 하기 위해서 코어들 사이에 인터럽트를 공유하는 것이 필요하다. GIC-720AE는 GIC IP로 앞서 언급한 안전 기능들을 제공하는 것으로서, 최근의 Arm AE CPU 제품들과 잘 맞는다.

Arm은 늘 공개 표준을 포용해 왔다. 공개 표준은 Arm AE IP 디자인을 사용할 때 파트너사들의 에코시스템을 풍부하게 하고 이식성과 소프트웨어 재사용을 용이하게 한다. 이러한 예로서 Arm이 Arteris와 파트너십을 체결한 것을 들 수 있다. Arteris가 Arm의 최신 CPU IP를 사용해서 자신들의 인터커넥트 제품(NCore와 FlexNoC)을 검증할 수 있도록 한 것이다. 좀더 최근에는 Arm과 Arteris가 AMBA5 CHI.E 표준을 중심으로 CPU와 Arteris NCore 조합을 검증하는 작업을 하고 있다. 이 검증 작업은 에코시스템 파트너사들이 특정한 SoC 솔루션을 개발할 때 Arm IP 조합을 사용하는 것에 확신을 가질 수 있도록 한다.

안전과 보안 향상

안전과 보안은 차량용 컴퓨팅 활용 사례에 꼭 필요한 것들이다. 이 둘은 서로 뗄래야 뗄 수 없는 관계이다. 디바이스 보안은 컴퓨팅 시스템의 안전에 영향을 미치고 결국에 자동차 안전에 영향을 미치기 때문이다. 점점 더 많은 자동차가 커넥티드 디바이스가 됨으로써, 위협 모델도 컨슈머 디바이스로 발생되는 것과 같이 진화하고 있다. 문제는, 이제 더 이상 악의적인 공격자가 차를 장악하고 해를 입히기 위해서 차에 물리적으로 접근할 필요가 없다는 것이다.

Arm은 이미 모바일 디바이스 보안에 있어서 앞서가고 있다. 디바이스 제조사와 주요 OS 벤더들과 긴밀한 협력을 통해서 Armv9-A 아키텍처로 메모리 안전 위반, 제어 흐름 하이재킹, 버퍼 오버플로우 공격을 방어하기 위한 기능들을 포함한다. 이러한 것들로서 포인터 인증 및 분기 대상 신원확인(Pointer Authentication and Branch Target Identification)과 메모리 태깅 확장을 들 수 있다. 새로운 Arm AE CPU들은 첨단 자동차들로 이러한 기능들을 제공한다.

자동차를 어떻게 개발하고 구현할지에 관해서 정의하는 새로운 산업 표준들이 등장하고 있다. 여기에는 보안 기능뿐만 아니라 전기/전자(E/E) 차량용 시스템을 개발하고, 생산하고, 작동하고, 유지관리하고, 디커미셔닝을 할 때의 보안 위험성 관리 요구도 포함된다. 이러한 요구는 공급 사슬 전반에 걸쳐서 영향을 미친다. 그러므로 자동차 제조사는 자신들과 자신들의 협력사가 사용하는 모든 제품의 보안 개발 프로세스를 이해할 필요가 있다. Arm은 IP 개발에 있어서 견고한 프로세스를 구축하고 있으며, 파트너사들이 자신들의 보안 심사에 활용할 수 있도록 관련된 도큐멘테이션을 제공한다. 

차량용으로 활용 사례들마다 각기 다른 수준의 기능 안전을 요구할 수 있다. Arm AE IP 포트폴리오는 다양하고도 풍부한 옵션들을 제공하므로, 고객들이 자신들이 개발하는 SoC로 각기 다른 프로세싱 요소로 ASIL B를 목표로 하는지 아니면 최고 수준의 ASIL D를 목표로 하는지에 따라서 선택할 수 있다. 뿐만 아니라 소프트웨어 테스트 라이브러리(STL)와 SystemReady 같은 무료 소프트웨어를 지원하므로, 차량용 컴퓨팅 시스템으로 원하는 안전 수준에 따라서 다양한 기능 안전(functional safety) 기능을 구현하고 성능, 전력, 면적(PPA)을 최적화할 수 있다. 

차량용 컴퓨팅의 미래를 이끌다

더욱 더 다양해진 Arm AE IP 포트폴리오는 차세대 자동차로 성능을 한층 끌어올릴 것이다. Arm은 모빌리티 서비스 회사, 신규 및 기존 OEM들, 일차 협력사, 실리콘 회사들을 비롯한 자동차 공급 사슬 전반에 걸쳐서 파트너사들과 긴밀하게 협력하고 있으며, 최신 기술 혁신을 활용해서 차량용 시장으로 진화하는 컴퓨팅 요구를 충족하는 최적화된 제품들을 제공하고자 한다. 

첨단 AI 기반 컴퓨트 워크로드와 하드웨어 및 소프트웨어 활용 사례에서부터 향상된 보안 및 안전 기능에 이르기까지, Arm은 자동차 산업으로 일어나고 있는 지각 변동에 발맞추기 위해서 필요로 하는 기술들을 제공한다. 앞선 지위, 파트너사들과 계속적인 협력, 장기적 시각에서의 방향 설정을 통해서 Arm은 차량용 컴퓨팅의 미래를 이끌어가고 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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