ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)는 자동차 산업의 핵심 성장 동력 중 하나로 자율주행의 근간을 만들어가고 있다. 완벽한 자율주행은 몇 년 안에 결실을 맺기는 어렵겠지만, 자동차 OEM 업체들은 이미 고도로 정교한 ADAS를 지원하고, 운전의 편리성 및 안전성을 증대시킴으로써 고객들에게 상당한 혜택을 제공하고 있다.

글/스테판 야누흐(Stephan Janouch), 제품 마케팅 매니저


자동차 업계에서 일고 있는 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)의 최근 성장률은 정부의 도로교통 안전성 향상에 대한 강력한 추진은 물론, 교통사고 사망률을 제거하거나 최소한 감소시키고자 하는 시도 등 여러 다양한 요인들을 통해 견인되고 있다.

또한 자동차 업계 내부에서도 다른 자동차 OEM(Original Equipment Manufacturer) 업체와의 차별화를 이루고, 안전에 민감한 고객들을 유인하기 위해 보다 정교한 시스템 개발에 박차를 가하고 있다. 

이러한 OEM 업체들은 경쟁사와의 차별화는 물론, 차량의 하이-엔드 시스템(고급차량의 교통정체 보조시스템과 같은)에서 미드-레인지 및 로우-엔드 시스템(간단한 백업 카메라)에 이르기까지 자사의 제품라인을 향상시키기 위해 안전 기능을 이용하고 있다.

한편 최종 소비자들 또한 다양한 교통 상황에서 ADAS의 장점을 이미 인지하고 있다. 물론 구매자들이 차량의 주변을 모니터링할 수 있는 이러한 시스템을 위해 상당한 규모의 비용을 지불하기까지는 시간이 좀 걸리겠지만, 현재 이들은 주차지원 시스템이나 자동 비상제동장치와 같은 기술들이 생명을 구할 뿐만 아니라 저속 충돌사고를 방지함으로써 비용 또한 절감하는데 도움이 될 수 있음을 인지하고 있다. 

또 다른 견인 요인은 자율주행이 강력하게 추동되고 있다는 점이다. 처음에 이 문제는 자동차 업계 내부의 기술 전문가들의 기술적 논쟁에 머물렀지만, 구글(Google)과 같은 업체들은 현재 이를 뛰어넘고 있으며, ‘로보카(Robocas)’라고 불리는 무인자동차의 확산이 임박할 것이라는 기대를 불러일으키고 있다.

구글은 상당한 압박을 받으며, ADAS 기술을 추진하고 있지만, 소비자들이 새로운 자동차를 구매할 때 비용 및 미적 취향 또한 중요하게 고려해야 하는 OEM 자동차 제조업체의 생산체계에 이를 어떻게 적용할 것인지는 여전히 문제로 남아있다.

하지만 공공연하게 드러나고 있는 이러한 모든 기술은 기존 자동차 업체들이 뒤쳐지지 않고 자사의 차량에 이러한 기술들을 구현한 단기적인 로드맵을 제공하도록 압력을 가함으로써 영향을 미치고 있다. 

ADAS 마켓 동향

자동차 업계의 공급망에는 어떠한 영향을 미치게 될까? 대부분의 OEM들은 이미 완전 자율주행으로 나아가기 위한 개괄적인 로드맵을 구축한 상태다. 즉, 현재부터 2025년까지 자사의 최종 고객들에게 제공하고자 하는 일련의 애플리케이션들을 정의한 상태이며, 앞으로 ADAS 특성 및 기능 세트를 진화시켜 나갈 것이다. 자일링스(Xilinx Inc.)는 차량 내 일부 ADAS 기술들이 진화하고 있음을 확인했다.

예를 들어, 주차지원 시스템을 살펴보자. 이는 운전자가 주차하거나 후진하는 동안 차의 물리적 치수를 예측하는데 도움을 주는 범퍼 코너에 통합된 기계식 계량봉으로 출발했다. 이러한 계량봉은 차량의 근접한 곳에 있는 장애물에 대한 오디오(이후 비디오) 피드백을 주는 초음파 센서로 곧 대체되었다. 

이후 차량 후방의 초음파 센서는 후진 주차나 후진하는 경우 초음파 센서보다 안전편의를 제공하는 후방 카메라로 대체되거나 향상되었다. 이러한 초음파 센서는 사라질 것으로 생각되었지만, 자동 주차지원 시스템에서 다시 부활했다. 

주차공간의 크기를 측정하기 위해 최고 12개의 초음파 센서가 사용되고 있으며, ECU(Electronic Control Unit)가 핸들을 처리하는 동안 운전자는 브레이크 패달 및 가속장치 만을 조작하여 주차공간으로 차를 유도할 수 있다. 

오늘날 OEM 및 선도 공급업체들은 운전자가 버튼만 누르고, 차량 밖에 있어도 자동으로 주차가 되는 주차 시스템을 이미 선보이고 있다. 또한 멀지 않은 미래에 무인 차량이 주차장에서 주차공간을 자율적으로 찾게 되는 다른 컨셉들도 개발 중에 있다.





[표 1] 자일링스의 XA 징크-7000 올 프로그래머블 SoC는 3개의 다른 크기로 제공된다. PS는 3개의 디바이스에서 모두 동일한 반면, PL은 리소스 수가 각기 다르다. (로직 셀 등) 또한 XA7Z030은 약간 다른 생산 공정을 사용해 보다 높은 성능의 로직 패브릭을 구현했다. (자료제공 : 자일링스)

[참조] 1. CLG225의 Z-7010은 PS 주변기기, 메모리 인터페이스, I/O에 제한이 따른다. 보다 상세한 내용은 기술 레퍼런스 매뉴얼을 참조하면 된다.
2. 보안 블록은 프로세싱 시스템과 프로그래머블 로직에 의해 공유된다.
3. 동등한 ASIC 게이트 수는 구현된 기능에 따라 다르다. 추정치로는 1 로직셀 = ~15 ASIC 게이트이다.
4. 동일한 패키지의 디바이스는 핀-투-핀 호환된다.
5. 여러 주변기기 사용과 결부된 고정된 메모리 인터페이스는 54개 이상의 I/O가 필요할 수 있다. 이 경우 디자이너는 프로그래머블 로직 SelectIO 인터페이스를 사용할 수 있다.
6. 예비 제품 정보는 변경될 수 있으며, 최신 정보에 대한 문의는 자일링스 코리아나 대리점을 통해 확인할 수 있다.

프라이스워터하우스쿠퍼스(PricewaterhouseCoopers)의 글로벌 오토모티브 리더인 리차드 한나(Richard Hanna)에 따르면, 선도 자동차 업체들 또한 새로운 과제에 직면하게 될 것이며, OEM 업체들은 보다 많은 통합 전자 서브 시스템이 필요하게 될 것이라고 밝혔다.[1]

관련 업계에 미치는 영향은 독일의 ZF 프리드리히스하펜(ZF Friedrichshafen)이 TRW 오토모티브(TRW Automotive)를 124억 달러에 합병함으로써 세계에서 두 번째로 큰 오토모티브 공급업체로 부상한 사례를 통해서도 분명히 확인할 수 있다.

TRW 글로벌 일렉트로닉스(TRW Global Electronics)의 톨가 올(Tolga Oal) 부사장은 “자동화 기능은 업계에서 가장 중요한 의제가 되었다. 이는 센서, 컨트롤러, 액추에이터 간의 통합 레벨 증대는 물론, 중복 전략이 필요하다.”고 설명했다.[2] 

전통적으로 ADAS에 주력해 왔던 반도체 기업들 또한 새로운 역풍에 직면해 있다. 시스템 ‘브레인’에 대한 기술적 요건은 모든 세대의 제품을 통해 부합하기가 갈수록 어려워지고 있으며, 더 낮은 디바이스 및 시스템 BoM(Bill of Material) 비용과 보다 높은 수준의 시스템 통합에 대한 OEM 및 선도업체들의 기대는 갈수록 높아지고 있다.
일부 비-자동차 마켓에서의 취약함을 극복하기 위해 여러 반도체 기업들이 인포테인먼트/커넥티비티, ADAS, 전기/하이브리드 파워트레인과 같은 오토모티브 애플리케이션에서 새로운 비즈니스 기회를 창출하기 위해 노력하고 있으며, 향후 2년 동안 폭발적인 성장이 지속될 것으로 보인다. 

하지만 이러한 각 서브 세그먼트는 고유의 속성을 가지고 있는데, 인포테인먼트 제품에는 컨수머 디바이스 디자인이 타당할 수 있지만, 이와 유사한 디바이스를 파워트레인 애플리케이션에는 적용이 불가능하다.

ADAS의 경우, 디바이스가 적합한지 아닌지에 대한 평가는 컴퓨팅 성능이나 전력손실, 기능 안전성 요건처럼 그리 간단하지 않으며, 대부분의 컨수머 전자기기 레벨의 반도체 디바이스로는 부합할 수 없고, 모두 재고려가 필요하다. 

카메라 기반 ADAS를 위한 자일링스 징크 올 프로그래머블 SoC 

자일링스는 XA 징크-7000(Zynq-7000) 올 프로그래머블(All Programmable) SoC를 통해 ARM Cortex-A9 코어 기반 시리얼 프로세싱 및 프로그래머블 로직 패브릭 상의 하드웨어 가속 병렬 프로세싱이 모두 가능한 제품라인을 개발했으며, 완벽한 AEC-Q100 인증을 받았다.

기능 가속을 위해 최적의 하드웨어 및 소프트웨어 파티셔닝을 모두 갖춘 동종의 소프트웨어-중심의 아키텍처를 지원함으로써 징크는 기존 멀티칩 솔루션에 비해 시스템 전반의 성능을 130%까지 향상시켰다. 자일링스는 징크를 출시함으로써 ADAS 시스템을 생산하는 모든 프로그래머블 SoC 제조업체 중에서 유일하게 28nm 디바이스를 공급하는 업체가 되었다. 

징크 디바이스가 ADAS 플랫폼에 매우 적합한 몇 가지 이유가 있다. 징크는 두 개의 서로 다른 영역의 장점, 즉 듀얼 ARM Cortex-A9 코어(최고 667MHz로 동작)의 소프트웨어 프로세싱 파워와 PL(Programmable Logic) 패브릭에서 확인할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array)의 유연성을 모두 겸비하고 있는 단일 모놀리식 디바이스이다. 

PS(Processing System)는 ASSP(Application Specific Standard Product)와 유사한 방법으로 실시간 이미지 분석과 같은 호스트 소프트에어 알고리즘을 처리할 수 있으며, PL은 객체 검출, 인식, 분류 및 추적과 관련된 특히 연산집약적 기능을 위해 커스텀 하드웨어 가속기로 기능할 수 있다.

또한 탁월한 유연성은 개발자들이 소프트웨어와 하드웨어 가속기 간의 최적의 파티셔닝을 구현할 수 있도록 해주며, 이는 다른 종류의 디바이스로는 불가능하다. 한편 PL은 그래픽 및 오버레이 생성과 함께 비디오 프레임 캡처, 디와프(De-Warp), 스티칭(Stitching)을 위해 사용이 가능하다. PL을 통해 개발자는 예측하지 못한 이벤트를 처리할 수 있는 유용한 리소스를 얻을 수 있다. 프로그래머블 로직 내의 병렬화된 하드웨어로 작업을 분담으로써 프로세스의 부하 및 전력손실을 줄일 수 있다. 

또한 XA 징크는 단일 디바이스가 아닌 디바이스 제품군이라는 점도 유의미하다.(표 1 참조) XA 징크는 3개의 디바이스로 구성되는데, 28k(XA7Z010), 85k(XA7Z020), 최고 125k(XA7Z030)의 로직 셀 범주에 걸쳐 모두 동일한 프로세싱 시스템을 갖추고 있으며, 오직 프로그래머블 로직 용량만 각기 다르기 때문에 고객들은 디자인 및 BoM 비용에 맞게 빠르고, 효율적으로 확장이 가능하다. 

자일링스는 자동차 업계의 품질 및 안정성 요건을 완벽하게 인지하고 있으며, 자사의 오토모티브 품질인증의 기초로서 AEC-Q100 품질 인증 표준을 사용하고 있다.

90nm XA 스파르탄-3A(Spartan-3A) 제품군을 시작으로, 자일링스는 내부적으로 개발한 ‘AEC-Q100 그 이상’의 프로그램에 따라 테스트를 수행하고 있으며, 업계에서 가장 엄격한 오토모티브 선도업체 및 OEM의 요건을 준수하고, 수많은 AEC-Q100 테스트 요건을 효과적으로 배가시켰다.

이를 통해 잠재된 결함 메커니즘을 완벽하게 이해할 수 있게 되었으며, 고품질 및 견고한 XA 제품 선적이 가능하게 되었다. 

기능 안전성(Functional Safety) 측면에서도 자일링스는 TUV SUD 인증을 받은 툴 체인을 갖추고 있으며, 이미 XA 징크 디바이스는 대량생산되고 있는 ASIL-B 카메라 시스템에 통합되어 있다. 

logiADAK를 이용한 빠른 시작

하드웨어 개발자나 시스템 설계자가 징크와 같은 디바이스가 첨단 운전자 지원 시스템을 개발하는데 많은 혜택을 줄 수 있다는 사실을 이해했다고 하더라도, 언뜻 보기에 ASSP 및 FPGA의 복합체처럼 보이는 이러한 새로운 종류의 디바이스를 이용하는데 따른 불편함은 여전히 존재할 것이다.

이러한 대부분의 심리적인 장벽을 극복하기 위해, 자일링스는 프리미어 얼라이언스 파트너(Premier Alliance Partner)인 자이론(Xylon)을 통해 logiADAK(Automotive Driver Assistance Kit)라고 불리는 레퍼런스 개발 플랫폼을 출시했다.(그림 1 참조; www.logicbricks.com) 최신 logiADAK 3.0 플랫폼은 자일링스의 징크-7000 올 프로그래머블 SoC ZC706 개발 보드에 기반하고 있으며, 모든 기본적인 하드웨어 컴포넌트 및 디자인 툴, IP, 사전 검증된 레퍼런스 디자인이 포함되어 있다. 



[그림 1] logiADAK 자동차 운전자 지원 키트는 방대한 실시간 비디오 프로세싱 및 복잡한 다중 알고리즘의 병렬 실행, 센서와 차량의 통신 백본과의 다목적 인터페이스가 요구되는 ADAS 애플리케이션을 위한 자일링스 징크-7000 올 프로그래머블 SoC에 기반한 개발 플랫폼이다. (자료제공 : 자이론 d.o.o.)

이 레퍼런스 디자인은 후방 크로스-패스 지시등 및 트레일러 히치(Trailer Hitch) 모드를 비롯해 커스터마이제이션이 가능한 다수의 뷰 모드를 갖춘 후방 카메라와 전방 카메라 충돌 방지용 추적 기능을 통한 보행자 감지 및 차선이탈 경보, 광학 플로우를 이용한 사각지대 감지, 또한 3D 및 버드아이(Bird's Eye) 뷰 모드를 갖춘 360도 서라운드 뷰와 같은 애플리케이션을 포함하고 있다.

360도 서라운드 뷰 애플리케이션과 관련해 이 플랫폼은 최고 6대의 카메라를 사용할 수 있도록 지원하며, 상용 트럭이나 버스를 비롯한 대형 차량을 위한 시스템 개발이 가능하다. 

logiADAK 플랫폼은 연구소의 테스트용으로도 적합할 뿐만 아니라 다중 카메라 시스템 및 알고리즘의 프로토타입 테스트를 위해 차량 내에 손쉽게 통합이 가능하다. 

ADAS 비전 시스템, 특히 서라운드 뷰 시스템에서 가장 일반적인 문제는 카메라가 차량에 탑재되었을 때 완벽하게 정렬되지 않을 수 있다는 것으로, 이러한 문제는 차량 생산 및 정비소의 서비스에서도 상당한 영향을 미치게 된다. 이 문제의 복잡성은 시스템에 탑재된 카메라 수에 따라 증가하고 있으며, 서라운드 뷰 시스템의 경우 4대 또는 심지어 6대의 카메라까지 고려해야 한다.

이는 여러 카메라 입력으로부터 하나의 근접한 이미지 출력을 구성하는데 더 많은 시간이 소요되고, 갈수록 어려움이 증대되고 있다. 하지만 적절한 정렬은 시스템 정밀도에 있어 매우 중요하기 때문에 자동화된 실시간 스티칭 보정 IP인 logiOWL이 logiADAK 3.0에 추가되었다.(그림 2 참조)

이 자동화된 보정 알고리즘은 시스템이 차량에 탑재되어 있어도 징크 디바이스 상에서 직접 실행되며, 깨끗하게 스티치된 서라운드 뷰 이미지를 생성하는데 10sec도 걸리지 않는다. 이는 특수 보정 사이트가 필요하지 않으며, 비전문가에 의해서도 실행이 가능하기 때문에 보정 프로세스는 간편하고 비용 부담이 적다. 



[그림 2] 자일링스의 파트너사인 자이론은 자동화된 스티칭 보정 프로세스 및 logiOWL IP를 개발했다. 서라운드 뷰 보정 소프트웨어의 프리뷰 옵션은 정확한 시각 확인 및 캡처된 비디오 입력 스티칭이 가능하다. (자료제공 : 자이론 d.o.o.)


요약

ADAS는 자동차 전자 시스템 분야에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야 중 하나다. 자일링스는 자사의 XA 징크-7000 올 프로그래머블 SoC를 통해 서라운드 뷰 카메라 시스템을 비롯한 다양한 애플리케이션을 구현하기 위한 매우 유연하고 고성능의 비용 효과적인 솔루션을 제공한다.

logiADAK 3.0 개발 플랫폼은 프로토타이핑 시스템을 신속하게 만드는데 필요한 개발 툴을 비롯해 모든 하드웨어 및 소프트웨어 빌딩 블록을 제공함으로써 디자인 시작을 용이하게 해준다. 또한 모든 새로운 logiOWL 자동화 스티칭 보정 IP는 자동차 OEM 및 선도 업체들이 시스템의 대량 생산을 추진하는데 따른 중대한 문제들을 해결할 수 있도록 해준다. 

 

참조목록

[1]  “Consolidation Heats Up In Chip Industry”, 2015년 2월 11일, http://electronics360.globalspec.com/article/4998/consolidation-heats-up-in-chip-industry
[2]  “TRW expands electronics business to meet growing demand for automated vehicles”, 2015년 1월 6일, http://trw.mediaroom.com/index.php?s=32950&item=128162