영역 기반 아키텍처: 차량 설계의 5가지 혁명
향상된 신뢰성, 기능, 확장성 제공
2022년 05월호 지면기사  /  윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr



자동차 제조업체들이 점점 더 복잡해지는 ADAS 및 자율주행 요구사항을 해결하기 위해 새로운 전기·전자 아키텍처를 도입하고 있다. 예를 들어, 2020년에 다임러는 엔비디아와 새로운 소프트웨어 정의 컴퓨팅 아키텍처(Software-defined architecture)를 공동 개발한다고 발표했다. 또한, 2021년 말에 BMW는 퀄컴과 차세대 자율주행 시스템 개발에 협력한다고 발표했다. 

이러한 전통적인 자동차 제조업체들이 깊은 관심을 보이는 아키텍처 중 하나가 영역 기반 아키텍처(Zonal architecture)이다. 이 방식은 단일 영역 컨트롤러 하에서 물리적으로 가까운 ECU를 결합하여 도메인 기반 아키텍처(Domain architecture)의 단점을 해결한다. 이점은 소프트웨어의 복잡성은 증가하는 대신에 차량의 배선 및 무게를 줄일 수 있다는 것이다. 이러한 새로운 접근방식은 차세대 차량에서 처리해야 할 데이터의 증가로 인해 높은 컴퓨팅 성능과 고속 통신 기술을 요구한다. 


도메인 자동차 아키텍처는 기능별로 제어 및 분할하는 반면, 영역 접근방식은 더 일반적인 네트워크 접근방식을 사용하여 구조를 소프트웨어에 배치한다.

커넥터 전문 제조회사인 몰렉스(molex)는 영역 기반 아키텍처가 어떻게 차량 설계의 혁명을 불러오는지, 다음과 같이 5가지를 제시했다. 
 
  • 차량 배선의 미래를 근본적으로 바꾼다 
차량의 기능은 조명과 센서, 모터 및 제어 장치를 포함하여 차량 내 위치별로 그룹화된다. 각 위치는 영역으로 설명되고 담당하는 부품에 가까이 배치된 게이트웨이에 의해 제어된다. 부품을 컨트롤러에 연결하는 개별 케이블은 짧게 유지되어 복잡성과 무게를 최소화한다. 각 영역 게이트웨이는 차량의 중앙에 있는 중앙 컴퓨팅 클러스터에 연결된다. 결과적으로 작고 고속의 네트워킹 케이블을 통해 영역 간 통신이 가능해져 차량 전체에 설치된 케이블의 양과 크기를 모두 크게 줄일 수 있다. 
 
  • 모듈 조립을 통한 차량 제조 및 설치의 간소화 
역사적으로 차량의 케이블 하네스는 제조 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 부품이었다. 새로운 기술의 채택으로 케이블 하네스는 부품의 정교함과 포화도(saturation)가 높아짐에 따라 복잡성이 증가했다. 이전에는 전력을 공급하고 차량의 길이를 늘이는 하나의 부품으로 설계되었으며, 데이터 및 제어 신호 요구사항은 하네스가 복잡한 형상을 가짐으로써 제조 및 설치에 비용이 많이 들었다는 것을 의미한다. 
영역 기반 아키텍처는 케이블 하네스의 복잡성을 줄이고 하네스 설치를 단순화한다. 차량의 전체 길이에 따라 늘어나는 하네스를 다루는 대신에, 각 구역을 모듈식으로 설치할 수 있다.
 
  • 하드웨어의 범용화
모듈식 조립은 또한 표준화의 새 시대를 열 것이다. 중앙 컴퓨팅 클러스터와 영역 게이트웨이 간의 연결은 서로 다른 모델과 차량 유형 간에 변경 없이 유지될 수 있으며, 장치를 각 게이트웨이에 모듈 방식으로 추가하여 변형할 수 있다. 즉, 영역 기반 아키텍처의 하드웨어를 범용화할 수 있어, 제조 시간과 자원을 크게 절약하는 동시에 생산 중인 다양한 차량을 좀 더 쉽게 맞춤화할 수 있다.
 
  • 플러그앤플레이 기능 사용
오늘날 차량에서 한 가지 기능을 수행하도록 설계된 기존의 ECU (Electric Control Units)와 달리, 소프트웨어 기반 기능을 사용하면 필요에 따라 새로운 기능을 수용할 수 있도록 영역 게이트웨이를 신속하게 조정하고 업데이트할 수 있다. 결과적으로 영역 기반 아키텍처는 센서나 모터와 같은 개별 부품을 더 효율적으로 통합할 수 있게 하여 플러그앤플레이(Plug-and-play) 기능을 사용하여 교체하거나 추가할 수 있다.
 
  • 업데이트와 수리의 용이
플러그앤플레이 기능을 통해 복잡한 공장이 아닌 딜러망 내에서 수리 또는 업데이트를 쉽게 할 수 있다. 차량을 5G 셀룰러 네트워크에 연결하면 소프트웨어를 원격으로 업데이트할 수 있으며, 일부 제조업체에서 이미 이 기능을 적용하고 있다. 시간을 내 공장에서 차량을 정비하고, 정비 기간 중 대차를 확보하는 등 많은 불편을 감수해야 하는 시대는 끝났다. 전화 한 통이면 네트워크를 통해 신속하게 수리할 수 있다.
영역 기반 아키텍처로의 전환은 소프트웨어가 주도하겠지만, 물리적 구조는 제조업체가 이 개념을 현실화하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 더 스마트한 배선, 더 용이한 조립, 범용 하드웨어 및 첨단 모듈은 영역 기반 아키텍처가 차량 설계를 혁신하는 몇 가지 방법일 뿐이다.


한편에서는 테슬라(Tesla), 웨이모(Waymo) 등이 대부분의 컴퓨팅 성능을 하나의 중앙 집중식 프로세서에 배치하는 중앙 처리 아키텍처(Central processing architecture)를 채택하고 있다. 레벨 5 자율주행을 목표로 할 때 활용하는 중앙 집중식 접근방식의 이점 중 하나는 소프트웨어 업데이트를 배포할 수 있다는 것이다. 이를 통해 새로운 기능을 신속하게 실험하고 도입할 수 있다. 또한, 중앙 집중식 접근방식은 보호해야 할 복잡한 영역 게이트웨이가 많지 않기 때문에 차량 보안에 유리하다. 

반면에 중앙 집중식 장치가 기능의 대부분을 처리하게 되면 그에 따른 문제가 발생한다. 그 중 하나가 단일 장애 지점(Single Point of Failure, SPOF)이다. 중앙 집중식 아키텍처를 선택하는 회사들이 자율주행을 위해 더 많은 센서를 사용하고 있다는 점을 감안할 때, 차량이 오류 없이 빠르게 전달하고 처리해야 할 데이터양도 엄청나다. 이것은 차량 소프트웨어에 높은 처리 성능을 요구한다. 
또한, CPU와 관련된 모든 문제는 대개 치명적이므로 중앙 장치에 영향을 미치는 문제의 가능성을 차단하기 위해 이중화(Redundancies) 접근방식을 도입해야 한다.



AEM_Automotive Electronics Magazine


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