New AURIX TC3xx Microcontroller Generation Delivers All The Ingredients Needed for High-Performance Automotive and Industrial Applications
차세대 AURIX TC3xx MCU
2020년 05월호 지면기사  /  글|랄프 쾨델(Ralf Kodel) 이사, 인피니언 테크놀로지스



새로운 멀티코어 AURIX TC3xx 마이크로컨트롤러는 광범위한 자동차 및 산업용 애플리케이션을 위한 최적화된 솔루션 및 에코시스템을 제공하고 있다. 안전 개념, 하드웨어 및 소프트웨어의 이전 세대와의 호환성은 물론, 코어, 메모리, 주변장치 및 패키지 확장성은 기존 제품군에 대한 효율적인 업그레이드 경로를 제공하고 미래의 소프트웨어와 안전 아키텍처에 대한 투자 편의를 제공한다. 개발과 혁신은 멈추지 않는다. AI 기능을 위한 액셀러레이터 유닛이 개발 중에 있으며 미래 세대의 컨트롤러에 통합돼 더욱 향상된 기능을 구현하게 될 것이다.

글|랄프 쾨델(Ralf Kodel) 이사, Automotive & Industrial Microcontroller, 인피니언 테크놀로지스 



인피니언은 1999년 AUDO 제품군을 출시하면서 32비트 TriCore 개념을 선보였다. 실시간 성능과 안전 및 보안 기능을 통합함으로써 TriCore 제품군은 빠르게 다양한 자동차 애플리케이션에 이상적인 플랫폼이 됐다. 이어 멀티코어 아키텍처로 전환을 알린 AURIX TC2xx 제품군(65nm)의 출시로 성공적인 행보를 이어나갔다. AURIX 시스템은 안전 기능을 강화하여 최고 ASIL-D/SIL-3의 기능안전성을 달성할 수 있으며, HSM(하드웨어 보안 모듈)을 통합하여 보안을 위한 OEM 요구사항을 만족한다.

AURIX 제품군은 초기에 특히 파워트레인 애플리케이션에서 매우 성공적이었다. 파워트레인은 온도 요구가 높고 강한 진동 조건을 갖는 매우 혹독한 환경이다. 이는 컨트롤러가 제품의 신뢰성과 품질을 어떻게 입증하는지를 보여준다. AURIX의 실시간 기능이 성공적인 엔진 관리에 기여했다면, AURIX 마이크로컨트롤러는 처음부터 다른 영역인, 특히 안전 부문에도 대처할 수 있게 설계됐다. 예를 들어 AURIX 마이크로컨트롤러는 섀시 및 전통적인 안전 환경인 브레이크, 에어백, 스티어링, 서스펜션과 같은 애플리케이션에 매우 성공적으로 사용된다.

현재 최신 AURIX TC3xx 세대 제품(40nm, 임베디드 플래시)이 생산 중이며, 높은 성능과 효율적인 설계를 위한 모든 요소를 제공한다. 설계자는 확장 가능한 메모리 크기, 주변장치 기능, 주파수, 온도 및 패키지 옵션을 갖춘 광범위한 포트폴리오에서 선택할 수 있다. 이러한 폭넓은 선택으로 포괄적인 생태계의 지원을 받으면서 산업용 전자장치뿐 아니라 자동차에서 다양한 애플리케이션을 구현할 수 있다.



그림 1|AURIX TC3xx 제품군의 멀티코어 아키텍처는 최대 6개의 독립적으로 동작하는 32비트 TriCore 프로세서 코어로 현저한 성능 향상을 제공하면서 이전 세대와 높은 수준의 호환성을 갖는다. 


최신 AURIX TC3xx 제품군의 멀티코어 아키텍처는 TC2xx 디바이스와 비교해 상당한 성능 향상을 제공하고(그림 1) 이전 세대와 높은 수준의 호환성을 갖는다. TC3xx 디바이스는 최대 6개의 독립적으로 동작하는 32비트 TriCore 프로세서 코어 뿐 아니라 차량 통신, 데이터 보안, 기능안전성을 위한 더욱 향상된 기능을 제공한다. 

이는 TC3xx 마이크로컨트롤러가 기존 애플리케이션 외에도 ADAS/AD 설계, 즉 첨단 운전자 지원 시스템과 자율주행에도 적합하게 설계됐다는 것을 의미한다. 인피니언은 레이더 신호 처리를 위해 특화된 액셀러레이터를 탑재한 TC3xx 마이크로컨트롤러 포트폴리오를 제공한다. TC3xx 제품군은 또한 데이터/센서 융합을 위한 모든 기능을 갖췄다. 최고 SAE 자동화 레벨 2까지, 2세대 AURIX(TC3xx)의 하이엔드 컨트롤러는 센서 융합 컴퓨팅 요구사항을 완벽하게 만족한다. 이들 제품은 광범위한 주변장치 포트폴리오를 갖추고 있어 도메인/영역 ECU에 사용하기에도 적합하다. 이 분야는 자율주행차 및 미래 경쟁력을 갖춘 자동차 네트워크 아키텍처를 위한 중요한 선결 조건이다. 

TC3xx 마이크로컨트롤러는 최고 ASIL-D/IEC 61508 또는 SIL-3까지 ISO 26262 시스템 요구사항을 위한 실시간 기능, 데이터 보안, 기능안전성의 이상적인 조합을 제공한다. TC3xx 제품군 인증은 TuV Saarland에서 수행했으며, ECU 인증에 사용할 수 있기 때문에 상당한 시간과 노력을 절약할 수 있다. 새로운 AURIX 세대는 또한 자동차를 넘어 안전 기능이 중요시되는 산업용 드라이브 및 인버터(태양광 인버터, 로봇, 엘리베이터 등) 뿐 아니라 운송(트럭, 농업 및 상업용 차량, 항공, 드론, 버스, 기차, 자재 운반, 크레인 등)과 같은 안전이 중요한 다른 분야에도 이상적이다.


폭넓은 기반, 높은 확장성  

TC3xx 제품군은 패키지와 리소스 모두 확장성이 뛰어나다(그림 2). 높은 수준의 통합과 다양한 패키지 옵션은 유연하고 작은 설계를 가능하게 한다. 컨트롤러는 TQFP-80/BGA180(12×12 mm)에서부터 최대 LFBGA-516(25×25 mm) 패키지로 제공된다. 제품은 1개 TriCore 코어(160 MHz)에서 최대 6개 TriCore 코어(각각 300 MHz), 1 MB에서 최대 16 MB 임베디드 플래시 메모리, 6 MB 이상의 내장 RAM의 광범위한 구성을 제공한다. 6개 TriCore 코어 중 4개가 록스텝 코어와 결합돼 있다. 이는 칩에 통합된 컴퓨팅 성능과 안전에 대한 새로운 표준을 제시한 것으로, 이전 세대 TC2xx에는 약 2000 DMIPS였던 것에 반해, 이제 최대 약 4000 DMIPS 컴퓨팅 성능을 최고 수준의 ASIL-D 안전 레벨로 시스템을 설계하는 데 사용할 수 있다.


그림 2|차세대 AURIX TC3xx는 컴퓨팅 성능, 주변장치, 메모리 및 패키지 모두에서 높은 확장성을 제공한다.


새로운 기능과 향상된 업데이트가 도입됐다. 1세대 AURIX에 비교해 새로운 기능으로 신호 처리 장치, 추가된 메모리, 최적화된 데이터 경로로 레이더 신호 처리를 위한 서브시스템이 확장됐다. 또한 다른 전통적인 통신 주변장치 외에도 최대 2개의 기가비트 이더넷 인터페이스와 외부 플래시 메모리를 위한 eMMC 인터페이스로 연결성이 크게 향상됐다. HSM 및 AD 컨버터를 포함한 다른 많은 주변장치도 확장되고 향상됐다.
뿐만 아니라 AURIX에 통합된 전압 레귤레이터는 로우엔드 버전에서 스위치 CAP DC/DC 토폴로지를 지원하므로 최대 2개의 외부 MOSFET 및 코일의 공간과 비용을 절약할 수 있다. 이 토폴로지는 동작 중 전력 소모를 절반으로 줄여준다. 


아키텍처의 진화  

높은 수준의 역호환성을 갖는 새로운 TC3xx AURIX 세대는 TC2xx 세대에 진화 경로를 제공한다. 이러한 경로는 이전 세대에 기반한 설계를 더 높은 성능과 새로운 기능을 갖는 제품군으로 빠르고 효율적으로 업그레이드할 수 있게 한다(그림 3). 





그림 3|C3xx 세대의 이전 TC2xx 아키텍처와 비교한 주요 향상과 확장 


동일한 패키지 내에서 다른 성능 레벨을 갖는 버전은 높은 확장성과 유연성을 제공한다. 예를 들어 모든 TC3xx 제품군은 폭넓게 이용되는 BGA-292 패키지로 제공되므로 설계자는 프로그램의 리소스 필요에 따라 성능을 높이거나 낮출 수 있다. 전체 TC3xx 제품군에 걸쳐 높은 핀-투-핀 패키지 호환과 완벽한 소프트웨어 호환이 보장된다.

검증된 AURIX 안전 개념은 원칙적으로 유지돼 왔다. 따라서 TC2xx 제품군의 안전 기능은 재사용할 수 있으며, TC3xx 제품군에는 LBIST/MBIST 하드웨어 기능이 추가돼 안전 소프트웨어가 필요 없다. 이제 하드웨어에 내장된 자체 테스트를 통해 다양한 안전 메커니즘을 실행할 수 있다.
컴퓨팅 성능은 새로운 TriCore 세대(1.62)에서 새로운 명령어, 300 MHz에서 동작하는 최대 6개 CPU, 플래시 액세스에 직접 경로를 통한 지연 감소로 더욱 향상됐다. 메모리 측면에서는 용량이 증가됐을 뿐 아니라 메모리 보호 장치(MPU)도 한층 향상됐다.

TC3xx 제품군은 다양한 고성능 AD 컨버터를 통합했다. 1차 SAR(12비트), 2차 SAR(12비트), 고속 비교(10비트) 및 델타 시그마의 4종류 컨버터가 통합돼 있다. 이들 컨버터는 1 ~ 40 MSamples/s의 변환속도를 제공한다.

AURIX TC3xx 제품군의 최적화된 ADAS 기능은 사각지대 탐지에서부터 전방 및 코너 레이더 시스템에 이르기까지 특히 레이더 시스템에 유용하다(그림 4). TC3xx는 최대 2개의 신호 처리 장치(SPU)와 함께 앞서 언급한 레이더 처리 장치를 제공함으로써 최고 수준의 안전 요구사항을 지원한다. SPU는 300 MHz 클록 주파수에서 동작하고 단일 칩으로 최신 레이더 알고리즘을 계산하지만, 기존 GPU/DSP에 비해 전력 소비는 매우 낮다. HF 레이더 칩은 고속 디지털 레이더 인터페이스를 통해 직접 연결할 수 있다.




그림4|차세대 AURIX는 자동차에서 많은 고성능 애플리케이션을 구현할 수 있다(예: 완벽한 77 GHz 레이더용 칩셋).


향상된 HSM 암호화 기능은 온보드 통신을 더욱 안전하게 만들고 하드웨어 조작을 더욱 어렵게 한다. 이 암호화 기능은 EVITA “전체” 요구사항에 따라 비대칭 암호화 방식을 지원하는 새로운 기능을 통합한다.

게이트웨이 및 텔레매틱스 애플리케이션의 호스트 컨트롤러로서 AURIX TC3xx 컨트롤러는 최신 통신 인터페이스를 지원한다. 여기에는 최대 2개의 기가비트 이더넷 인터페이스, ISO 11898-1에 따른 최대 20개 CAN-FD 채널, 그리고 최대 24개 LIN 채널이 포함된다. 외부 플래시 인터페이스를 위한 추가적인 eMMC 인터페이스는 무선 소프트웨어 업데이트(SOTA) 아키텍처를 위한 로컬 데이터 저장을 가능하게 한다.
인피니언은 또한 최초로 Autosar 4.x 멀티코어 아키텍처를 제공하는 업체의 하나이다. 이를 위해 CMM3 레벨 및 ASPICE 레벨(최고 1)에 따라 MCAL 드라이버(최고 ASIL-D 레벨)가 제공된다.


안전 및 높은 가용성 

운전자 지원 시스템이 점점 더 정교해지고 자동차의 자동화 수준이 갈수록 높아짐에 따라 사용되는 시스템에 대한 견고성, 가용성 및 기능안전성에 새로운 과제가 요구되고 있다. 즉, 전자장치 시스템은 결함이 발생하더라도 기능을 유지해야 한다(페일 오퍼레이셔널). ISO 26262는 자동차 전자장치에 적용되는 안전 표준이다.

높은 가용성은 페일 오퍼레이셔널 시스템에서 핵심적인 역할을 한다. 인피니언은 마이크로컨트롤러와 안전 관련 지원 디바이스(TLF35584/TLF30684) - 이 경우 안전한 전원 - 를 결합한 칩셋 아키텍처를 개발했다. 안전 전원 디바이스와 AURIX 마이크로컨트롤러의 결합은 높은 가용성을 갖는 페일 오퍼레이셔널 시스템을 보장한다. SMU의 장점은 특히 이러한 접근 방법에서 발휘된다. SMU는 모든 안전에 중요한 경보에 대해 중앙 집중적인 수집 지점의 역할을 한다. 이러한 오류 처리는 결함이 있을 수 있는 장치(즉, 프로세싱 코어)에서 수행돼서는 안 되므로 SMU는 독립적인 장치로 설계된다. SMU를 사용해 각 오류 소스(인터럽트, NMI, CPU 코어 리셋, CPU 코어 아이들, SOC 리셋, 오류 신호 프로토콜)에 대한 내부 및 외부 반응을 개별적으로 구성할 수 있다.

모든 AURIX 마이크로컨트롤러는 기능안전성에 대한 동일한 개념을 적용하고 록스텝, ECC(Error Correction Code) 보호 메모리 및 위에서 언급한 SMU를 포함해 향상된 보호 메커니즘을 사용한다. 록스텝 기술은 자체 테스트 구성에서 2개의 코어를 사용한다. 동일한 소프트웨어 스레드를 두 코어에서 모두 실행하고, 두 코어의 출력을 서로 비교하여 오류를 검출한다. 이와 같이 하드웨어에 구현된 광범위한 내부 모니터링 안전 메커니즘으로 높은 기능안전성이 달성된다.

차세대 AURIX는 최적화된 아키텍처로 코어 간 독립성이 증가돼 가용성이 더욱 높아졌다. 이제 각 코어는 개별적으로 리셋, 실행 또는 아이들 상태로 설정할 수 있다. 이것은 안전 메커니즘이 하나 이상의 코어에서 리셋을 수행하는 동안 다른 코어가 정상적으로 동작을 계속할 수 있다는 것을 의미한다.

이 밖에 Hitex가 제공하는 SafeTpack은 2세대 AURIX 마이크로컨트롤러 제품군을 위한 포괄적인 안전 솔루션으로 안전 구현을 크게 단축시켜준다. AURIX의 복잡한 LBIST 기능과 기타 안전 기능들이 SafeTpack에 의해 관리된다. SafeTpack은 또한 주변장치에 대한 프로그램 흐름 모니터링과 사이클 제어와 같은 추가적인 안전 기능도 제공한다. SafeTpack 역시 CPU와 내부 버스의 정확한 동작을 보장하는 스타트업 및 사이클 테스트 실행을 조정한다.


보안  

자율주행을 포함해 오늘날의 자동차 아키텍처는 중앙 구동 컴퓨터와 스티어링 또는 제동 시스템과 같은 핵심적인 제어장치 간에 보다 빠르면서 고도로 안전한 연결성과 통신을 필요로 한다. 이러한 배경에서 새로운 AURIX 세대에서는 통신 및 보안 기능이 더욱 향상됐다. 예를 들어 컨트롤러는 CAN FD, 플렉스레이 및 옵션인 기가비트 이더넷을 위한 인터페이스를 제공한다. HSM(그림 5)은 ECC256 및 SHA256에 따른 대칭 및 비대칭 암호화를 모두 구현하고 서로 다른 ECU 간 메시지 인증, 멀웨어로부터 보호하기 위한 보안 부팅을 제공한다. HSM은 32비트 ARM CPU를 기반으로 하며 방화벽에 의해 AURIX 칩의 나머지 부분과 분리된다. HSM은 신뢰받는 실행 환경을 생성하고, 온보드 통신을 보다 안전하게 만들며, 모터 튜닝과 같은 하드웨어 조작을 더 어렵게 한다. 또한 TC3xx 마이크로컨트롤러는 효율적이고 안전한 무선 소프트웨어 업데이트(SOTA)를 지원하고 소프트웨어 가로채기를 방지할 수 있게 도와준다.



그림 5|향상된 하드웨어 보안 모듈(HSM)은 최고 수준의 사이버 보안을 보장한다.



산업용 애플리케이션에도 이상적 

AURIX 마이크로컨트롤러는 원래 광범위하게 사용되는 자동차 산업의 요구에 대처하도록 설계됐다. TriCore 아키텍처는 마이크로컨트롤러, RISC 코어, DSP의 장점을 단일 칩에 결합했다. 이러한 결합은 고성능 제어와 관련해 명백한 이점을 제공한다. 또한 장기적인 가용성과 무결함 품질은 산업에도 중요하다. 더욱이 AURIX 아키텍처는 높은 기능안전성을 갖춰 IEC 61508 및 철도기술(EN 50129), 농업공학(ISO 25119), 기계(IEC 62061) 등 대응하는 표준에 따라 적합성을 제공한다.

높은 동작 온도 또한 많은 산업 환경에 공통적이다. 따라서 차세대 AURIX 마이크로컨트롤러는 -40~+125°C의 넓은 온도 범위에서 동작할 뿐 아니라 최대 +150°C를 지원하는 “핫 패키지”로 제공된다. 이는 다양한 산업용 애플리케이션(그림 6) 중에서 UPS(무정전 전원장치), PLC, 인버터, 로봇과 같은 애플리케이션에 많은 이점을 준다. 이 밖에도 Xilinx와 협력해 고속 인터페이스(HSSL)를 통해 AURIX를 FPGA에 연결함으로써 시스템 유연성을 더욱 높였다.



그림 6|확장 가능한 TC3xx 마이크로컨트롤러는 풍력 터빈 또는 태양광 시스템을 위한 인버터와 같이 다양한 고성능 및 확장 가능한 산업용 애플리케이션을 구현한다.  

손쉬운 사용: 
빠르고 효율적인 설계 구현 
    

무료 툴키트 “AURIX 개발 스튜디오”를 AURIX에 기반한 소프트웨어 개발 및 테스트에 사용할 수 있다(www.infineon.com/aurixdevelopmentstudio). 이 소프트웨어 툴은 모든 AURIX 스타터 키트와 애플리케이션 보드에서 사용할 수 있다. 툴키트에는 Eclipse 기반 IDE, 디바이스 및 보드 지원을 위해 프로젝트 특성을 정의할 수 있는 프로젝트 위저드, 강력한 C 컴파일러, 통합된 소스 레벨 디버거, 플래시 프로그래밍을 위한 온칩 지원이 포함돼 있다. 인피니언은 또한 고객의 요구사항을 만족하기 위해 수년간에 걸쳐 개발된 DSP 라이브러리를 제공한다. 그 밖에 구성 및 핀 매핑, 드라이버 파일과 무료 플래시 로더를 위한 툴을 사용할 수 있다.

소프트웨어 툴 외에도 스타터와 애플리케이션 키트도 사용할 수 있다. 스타터 키트에는 키트와 함께 모든 아두이노 쉴드를 사용할 수 있게 설계된 아두이노 호환 보드가 포함돼 있다. 하드웨어 지원은 저가형 엔트리 레벨 키트와 데모 보드에서부터 전문가용 테스트와 소프트웨어 개발을 위한 확장 보드를 비롯한 모든 기능을 지원하는 평가 보드에 이르기까지 광범위하다. 뿐만 아니라 모터 제어, 레이더 또는 무선 충전과 같은 애플리케이션을 위한 “빠른 시작”을 지원하는 많은 애플리케이션들이 있다.

기술적인 질문은 AURIX 포럼 또는 AURIX 웹사이트에서 온라인으로 빠르고 효율적으로 답변 받을 수 있다. 이들 사이트에서는 많은 자세한 내용과 교육 자료를 볼 수 있다. 


결론과 전망 

새로운 멀티코어 AURIX TC3xx 마이크로컨트롤러는 광범위한 자동차 및 산업용 애플리케이션을 위한 최적화된 솔루션 및 에코시스템을 제공하고 있다. 안전 개념, 하드웨어 및 소프트웨어의 이전 세대와의 호환성은 물론, 코어, 메모리, 주변장치 및 패키지 확장성은 기존 제품군에 대한 효율적인 업그레이드 경로를 제공하고 미래의 소프트웨어와 안전 아키텍처에 대한 투자 편의를 제공한다. 개발과 혁신은 멈추지 않는다. AI 기능을 위한 액셀러레이터 유닛이 개발 중에 있으며 미래 세대의 컨트롤러에 통합돼 더욱 향상된 기능을 구현하게 될 것이다. <끝>

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