자일링스 울트라스케일(UltraScale™) MPSoC 아키텍처

최적의 작업을 위한 완벽한 엔진
시스템이 보다 스마트해지면서 통신 및 연산 대역폭 규모는 갈수록 증가하고 있다. 스마트폰을 비롯해 스마트 네트워크, 스마트 데이터 센터, 스마트 팩토리, 스마트 카, 스마트 에너지 시스템 등 일상의 모든 분야에서 스마트 바람이 일고 있다. 컨수머에서 엔터프라이즈, 공장, 인프라에 이르기까지 더 많은 정보가 필요하고, 방대한 비전 및 위치확인 데이터 사용과 보장된 서비스 품질 및 향상된 보안 서비스, 그리고 다른 리소스들에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 이러한 ‘빅 데이터(Big-Data)’ (또는 Small-Data) 애플리케이션은 프로세싱 및 프로비저닝(Provisioning), 컨피규레이션, 그리고 전반적인 시스템 관리를 자동화하기 위해 더 많은 분석 작업이 필요하다. 

프로그램이 가능한 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하여 보다 스마트한 시스템을 개발하고 있는 기업들은 마켓 출시시기를 단축하고 최종 제품의 가치를 극대화할 수 있으며, 적응성, 재사용, 빠른 업그레이드 사이클 등의 부가적인 혜택 또한 얻을 수 있다. 자일링스는 이러한 새로운 스마트 시스템의 방대한 요건을 충족시키기 위해 사실상 업계 표준인 28nm 징크-7000(Zynq®-7000) 올 프로그래머블(All Programmable) SoC 및 울트라스케일 올 프로그래머블 FPGA 아키텍처에 기반한 울트라스케일(UltraScale™) MPSoC(Multi-Processing System on Chip) 아키텍처를 개발했다. 새로운 스마트 시스템의 사례는 다음과 같다:
• 무선 통신: 다중 스펙트럼 대역 지원, 스마트 안테나
• 유선 통신: 다중 무선 통신 표준, 상황인식 네트워크 서비스
• 데이터 센터: SDM(Software Defined Networks), 데이터 사전-프로세싱 및 분석
• 스마트 비전: 새로운 비디오-프로세싱 알고리즘, 객체 감지, 분석
• 커넥티드 컨트롤/M2M: 유연하고 조정 가능한 제조환경, 공장의 수율, 품질, 안전

울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 32bit에서 64bit까지 프로세서 확장이 가능하고, 가상화 및 실시간 제어를 위한 소프트/하드 엔진 통합, 그래픽/비디오 프로세싱과 파형 및 패킷 프로세싱, 차세대 인터커넥트 및 메모리와 첨단 전력관리를 비롯해 다중 레벨의 보안 및 안전, 신뢰성을 제공하는 향상된 기술 등을 지원한다. 이러한 새로운 아키텍처 측면의 요소들은 비바도(Vivado®) 디자인 수트와 프로그래밍을 획기적으로 간소화하고 생산성을 증대시키는 추상적 디자인(Abstract Design) 환경과 연계되어 있다. 

이 새로운 아키텍처는 더블-패턴 리소그래피에 기반한 세계 최초의 상용 공정기술인 TSMC의 20nm 공정기술을 이용해 자일링스가 최초로 구현, 제공하는 울트라스케일 올 프로그래머블 아키텍처를 수많은 ASIC-클래스 고유의 장점들로 확장시켜 준다.

징크 울트라스케일 MPSoC 디바이스 제품군은 차세대 고성능 온칩 인터커넥트와 적절한 온칩 메모리 서브시스템을 임베디드한 이종 프로세싱 엔진 간의 최적화된 조합을 통해 전례없는 프로세싱 및 I/O, 메모리 대역폭을 제공한다. 각각의 애플리케이션 작업에 최적화된 이종 프로세싱 및 프로그래머블 엔진은 징크 울트라스케일 MPSoC 디바이스가 차세대 스마트 시스템을 처리하는데 필요한 방대한 성능 및 효율을 제공할 수 있도록 해주며, 원래의 징크-7000 올 프로그래머블 SoC 제품군과의 백워드 호환성도 유지할 수 있다. 또한 새로운 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 차세대 스마트 시스템에서 중요하게 요구되는 다중 레벨의 보안 및 향상된 안전성, 첨단 전력관리 기능을 갖추고 있다. 자일링스 비바도 디자인 수트 및 웉트라패스트(UltraFast™) 디자인 방법론은 울트라스케일 MPSoC 아키텍처가 제공하는 ASIC-클래스의 기능을 완벽하게 활용할 수 있도록 해주며, 고속 시스템 개발을 지원한다. 

 
그림 1. 자일링스 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 최적의 작업을 위한 완벽한 엔진을 제공한다.

자일링스 울트라스케일 MPSoC 아키텍처와 비바도 디자인 수트, 부가적인 디자인 추상화 툴은 여러 기술적 혁신을 통해 시스템 레벨의 프로세싱 병목현상을 제거하기 위해 결합되어 있다. 

징크 울트라스케일 MPSoC는 디자이너들에게 소프트웨어, 하드웨어, 인터커넥트, 파워, 보안, I/O 프로그래머빌리티를 제공하는 포괄적인 단일 칩, 올 프로그래머블, 이종 멀티프로세서 디바이스 제품군이다. 하지만 정확히 말하면, 이종 멀티프로세싱 처리는 말처럼 그리 쉬운 일이 아니다. 이종 멀티 프로세싱 요소에 기반한 디자인 접근법은 디자인 팀들에게 다음과 같은 과제를 제기한다:

• 특정 전력 요건 내에서 애플리케이션 성능 요건 달성
• 이종 프로세싱 조합에 적합한 최적화된 메모리 액세스 및 대역폭
• 수많은 하드 및 소프트 프로세싱 엔진 간의 낮은 지연 및 일관된 통신 제공
• 고속 시스템 개발 및 구축을 위해 프로그래밍 추상화 설정 확인 및 모든 이용 가능한 리소스로 시스템 레벨의 매핑 작업을 최적화
• 모든 동작 모드에서 최적화된 시스템 전력소모 관리
• 네트워크 연결에 따른 보안위험 및 까다로운 환경조건에서도 시스템 무결성 유지

이러한 과제 중 어느 것 하나라도 예산 한도 내에서 적기에 해결하지 못한다면, 프로젝트는 비운의 결과를 피하지 못할 것이다. 

울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 핵심 요소들
• 최적의 작업을 위한 완벽한 엔진
• 64bit로 확장 가능
• 차세대 인터커넥트 및 메모리
• FPGA ASIC- 클래스 확장성 및 성능
• 다중 레벨의 보안 및 안전성, 신뢰성
• 첨단 전력관리
• 16nm FinFET 성능/와트
• 하이-레벨 디자인 추상화
• 사실상 업계 표준인 징크-7000 올 프로그래머블 SoC, 소프트웨어, 에코시스템과 호환 가능

최적의 작업을 위한 완벽한 엔진: 새로운 차세대 프로세싱 및 프로그래머블 엔진의 조합 및 최적화된 서로 다른 애플리케이션 작업.
5가지의 프로세싱 병목현상(DSP, 그래픽, 네트워크 프로세싱, 실시간 프로세싱, 범용 연산 성능)은 하나의 프로세싱 아키텍처로는 극복할 수 없다. 많은 사람들이 널리 적용이 가능한 하나의 아키텍처로 이러한 모든 프로세싱 작업을 충분히 수용할 수 있는지 시도하고 있지만, 이러한 접근법을 시도한 모든 사람들은 실패했다. 특정 작업영역에 맞춰 조정 가능한 프로그래머블 프로세싱 엔진을 이용하는 이종 멀티프로세싱은 복잡 시스템 디자인을 성공할 수 있는 유일한 방법이다. 최적의 작업을 위한 완벽한 엔진을 이용함으로써 마켓에서 요구하는 보다 효율적이고 효과적인 스마트 시스템에 적합한 성능 및 전력, 비용 혜택을 제공할 수 있다. 

64bit로 확장가능: 가상화 지원으로 32bit에서 64bit로 확장 가능. 확장성은 단순히 CPU에만 해당되는 것이 아니라 온칩 인터커넥트, 주변기기, 프로세싱 엔진, 테라바이트 어드레스 공간도 포함된다.
더 크고 뛰어난 CPU 및 이종 프로세싱 엔진은 칩 전반에 걸쳐 향상된 프로세싱 성능으로 확장될 수 있어야 한다. 새로운 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 미래의 시스템 요건 및 성능을 위해 수많은 주요 게이팅 요인들을 극복할 수 있도록 필요한 주변기기 세트 및 방대한 대역폭의 온칩 인터커넥트와 엄청난 어드레스 공간을 제공한다.

차세대 인터커넥트 및 메모리: 시스템 성능 및 메모리 대역폭, 그리고 작업 가속을 극대화하는 차세대의 일관된 인터커넥트 및 메모리 서브 시스템.
모든 프로세싱 요건에 부합하는 소프트웨어 및 하드웨어 프로그래머블 엔진은 만약 I/O 및 메모리 서브시스템이 프로세싱 처리량 요건에 부합할 수 없다면, 여전히 무용지물이 될 수 있다. 방대한 I/O 및 메모리 대역폭 성능을 갖춘 울트라스케일 올 프로그래머블의 로직 아키텍처의 향상과 울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 확장 가능한 일관된 첨단 인터커넥트는 울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 온칩 이종 프로세싱 엔진에서 요구하는 데이터 처리량에 최적화되어 있다. 이러한 기능은 탁월한 MPSoC 성능 및 대역폭을 제공하기 위해 프로세싱 및 프로그래머블 로직 도메인에 걸쳐 공유된다. 

FPGA ASIC-클래스의 확장성 및 성능: ASIC과 같은 기능들과 매우 빠른 실시간 FPGA 성능에 최적화된 울트라스케일 ASIC-클래스의 로직 패브릭.
프로그램이 가능한 소프트웨어는 여러 프로세싱 병목현상을 극복하는데 매우 탁월하지만, 모두 그런 것은 아니다. 간혹 필요한 시스템 성능 레벨을 달성하기 위해 프로세싱 솔루션을 하드웨어에 구현해야 할 때가 있다. 울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 첨단 ASIC-클래스의 성능은 최신 20nm 기반의 업계 선도적인 자일링스의 울트라스케일 프로그래머블 로직 아키텍처로 구현되었다. 수많은 아키텍처 상의 장점은 비바도 디자인 수트의 첨단 개발 툴을 통해 현실화되며, 커스텀-디자인의 하드웨어로만 해결이 가능한 가장 까다로운 프로세싱 과제를 수용할 수 있는 첨단 프로그래머블 로직의 완벽한 성능 혜택을 제공한다. 

다중 레벨의 보안 및 안전, 신뢰성: 주요 산업 표준에 부합하는 위조방지 기능과 보안 및 정보보증, 동작 안전 및 신뢰성 향상.
사물 인터넷(Internet of Things) 및 M2M(Machine-to-Machine) 통신, 스마트 커넥티드 컨트롤(Smarter Connected Control)의 폭발적인 성장으로 안전하지 못한 통신 및 제품은 절대 용인될 수 없게 되었다. 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 징크-7000 올 프로그래머블 SoC의 우수성을 기반으로 구현되었으며, 어떠한 승인되지 않은 액세스라도 방지할 수 있도록 군사용 레벨의 다중 보안 프로토콜을 포함하고 있다. 또한 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 안전에 민감한 애플리케이션을 안정적으로 구동할 수 있는 기능들을 갖추고 있으며, 사용자 및 디자이너에게 시스템에 대한 확신을 극대화시켜 준다. 새로운 아키텍처는 인터넷에 연결된 수많은 머신들이 존재하는 까다로운 환경에서도 구동이 가능하고, 이러한 환경에서 동작하는 스마트 시스템의 요구에 부합하도록 설계되었다.

첨단 전력관리: 소프트웨어 및 런타임 최적화로 세밀하게 시스템 레벨 전력을 감소시킬 수 있는 전력 최적화 및 전력관리 기능.
울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 다양한 이종 프로세싱 엔진은 디자인 팀이 어떠한 특정 작업에도 부합하는 가장 효율적인 엔진을 선택할 수 있도록 해주며, 작업 기반의 시스템 레벨 전력 최적화가 가능하다. 울트라스케일 MPSoC 아키텍처의 프로그래머블 로직 전력관리는 광범위한 기능적 요소들 전반에 걸쳐 상당한 추가 전력절감을 가능하게 하는 정적 및 동적 전력관리 기능을 제공한다. 전력관리 기능은 시스템이 동작하는 동안 이러한 작업을 관리하는 가장 적절한 엔진을 선택함으로써 소프트웨어-프로그래머블 프로세싱 요소들을 확장할 수 있다. 

16nm FinFET 성능/와트: FinFET 공정기술을 온전히 활용하여 울트라스케일 MPSoC 프로세싱 요소들 및 로직 패브릭 전반에 걸쳐 성능/와트를 60% 개선.
디자인 팀은 FinFET이 제공하는 혜택을 통해 전력 및 성능, 공간을 충분히 이용하는 것은 물론, 전략적으로 차별화된 제품 디자인으로 편리하고 빠르게 마켓에 출시할 수 있다. 다른 이용 가능한 대안들보다 자일링스 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 고객이 SoC 혹은 ASIC 디자인에서 요구되는 물리적인 디자인 위험요소 및 비용, 혹은 긴 개발 스케쥴 없이도 FinFET 기술의 모든 성능 및 전력 특성을 제공하기 때문에 가능하다. 사실상 업계 표준인 28nm 징크-7000 올 프로그래머블 SoC 및 업계 선도적인 20nm 울트라스케일 FPGA의 통합을 활용한, TSMC의 16nm FinFET 공정에 기반한 징크 울트라스케일 MPSoC는 28nm 공정 기술 대비 디자이너들이 최고 60%까지 성능/와트를 개선할 수 있도록 해준다. 

하이-레벨 디자인 추상화: IP 서브시스템을 재사용할 수 있는 디자인 플로우를 갖춘 C, C++, OpenCL에 기반한 맞춤식 시스템 레벨 디자인 환경.
자일링스 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 기존 RTL 디자인 방법론을 훨씬 뛰어넘는 다중 추상화 레이어를 지원한다. 비바도 디자인 수트 및 C, C++, SystemC, OpenCL, OpenCV, MATLAB, LabView를 비롯한 부가적인 디자인 추상화는 모든 시스템 개발 측면을 자동화하는 업계에서 가장 포괄적인 혼합-추상화 시스템-디자인 환경을 만들어준다. 이러한 환경은 소프트웨어 호환 하드웨어 가속기 개발을 가속화하고, 생산성을 증대시키는 것은 물론, 울트라스케일 MPSoC 아키텍처 기반의 디바이스에 빠르게 알고리즘을 구축할 수 있도록 해주며, 디자인 팀이 타깃 애플리케이션에 가장 적합한 어떠한 디자인 추상화 세트라도 활용할 수 있도록 해준다. 

사실상의 표준인 징크-7000 SoC와 소프트웨어 및 에코시스템과 호환 가능: 소프트웨어 마이그레이션 능력은 오늘날의 사실상 표준인 자일링스 징크-7000 올 프로그래머블 SoC에서 구현된 애플리케이션 및 OS, 미들웨어, IP, 툴, 보드 에코시스템 등을 업그레이드할 수 있도록 해준다. 
징크-7000 올 프로그래머블 SoC는 세대를 뛰어넘는 실리콘으로 구성되어 있다. 이는 디자인 팀이 C, C++, OpenCL로 작성된 디스크립션으로 하드웨어를 구현할 수 있도록 함으로써 디자인 생산성을 획기적으로 증대시킨 업계 선도적인 비바도 HLS 하이-레벨 합성 툴과 더불어, 방대한 소프트웨어 솔루션 에코시스템 및 툴, IP, 보드를 갖춘 포괄적인 플랫폼을 제공함으로써 올 프로그래머블 SoC 분야의 사실상 표준이 되었다. 매스웍스(The MathWorks)의 MATLAB이나 시뮬링크(Simulink), 그리고 NI(National Instruments)의 그래픽 LabView 디자인 환경과 같은 다른 명망있는 첨단 디자인 툴들 또한 디자이너의 생산성을 획기적으로 향상시키는 다차원의 하이-레벨 시스템 디자인이 가능하도록 이미 징크-7000 플랫폼에 적용되어 있다. 

다른 주요 운영 시스템들도 징크-7000 올 프로그래머블 SoC에서 사용할 수 있도록 제공된다. 또한 시스템 디자인 팀은 현재 징크 SoC가 사용되고 있는 여러 애플리케이션의 다양한 요구에 부합할 수 있도록 여러 SOM(System on Modules)은 물론, 다양한 애플리케이션에 특화된 미들웨어 및 프로그래머블 IP 에코시스템을 선택할 수 있다. 이러한 다양한 에코시스템은 자일링스의 울트라스케일 MPSoC 아키텍처로 이미 확장되고 있다.

이러한 모든 요소들을 함께 정리하여 도출한 그림이다:


 
그림 2. 자일링스 울트라스케일 MPSoC 아키텍처는 최적의 작업을 위한 완벽한 엔진을 제공한다.

자일링스 만이 완벽한 조합의 올 프로그래머블 및 울트라스케일 아키텍처의 혁신과 실행, 품질을 달성했으며, 징크 울트라스케일 MPSoC 제품군과 같은 ASIC-클래스 디바이스를 구현하는데 필요한 다른 핵심적인 기술들을 실현했다. 이러한 핵심 기술은 다음과 같다:

• 입증된 울트라스케일 올 프로그래머블 아키텍처는 최첨단 TSMC의 16nm FinFET 공정기술에 기반하여 구현되었다.
• 수상 경력이 있는 징크 SoC 아키텍처는 사실상 업계의 표준이 되었으며, 이제는 이종 울트라스케일 MPSoC 아키텍처로 확장되고 있다. 
• 2세대 SSI(Stacked Silicon Interconnect) 3D IC 기술은 경쟁사의 프로그래머블 로직 제품에 비해 두 배 이상의 용량과 50% 이상의 대역폭 혜택을 달성함으로써 ‘무어의 법칙 그 이상’의 시스템 확장성을 달성한다. 
• 업계에서 유일한 ASIC-클래스의 SoC-기반 개발환경은 C, C++, OpenCL 사양 및 여러 부가적인 디자인 추상화를 위해 MPSoC로 확장이 가능한 비바도 디자인 수트에 기반하고 있다. 

보다 자세한 자일링스의 징크 울트라스케일 MPSoC에 기반한 세대를 뛰어넘는 시스템 디자인 정보는 자일링스 코리아나 대리점을 통해 확인할 수 있다.