Zonal Control Architectures are Helping Drive Improved Real-Time Capabilities in Automotive Design
영역 아키텍처가 가져온 차량 설계의 실시간 기능 향상
2023년 03월호 지면기사  / 

글 | 버나드 릴(Bernhard Rill), EMEA 지역 오토모티브 파트너십 부문 디렉터, ARM





차량 제어를 담당하는 컴퓨터의 반응 속도가 중요하다. 시속 50 km로 주행 중인 차량이 13 m 앞 지점의 위험물까지 도달하는데 걸리는 시간은 단 1초도 걸리지 않는다. 인간 운전자의 경우, 위험을 감지하고 회피하는데 약 0.5초의 시간이 소요된다고 한다. 컴퓨팅 시스템 반응이 단순히 빠른 것만으로는 충분하지 않다. 이제 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이 도입되면서 실시간 워크로드의 수와 이의 정교함이 증가하고 있기 때문이다. 이 글은 ‘영역 기반 아키텍처’가 차량 설계에서 향상된 실시간 기능을 구동하는 방법에 대해 설명한다.

 
글 | 버나드 릴(Bernhard Rill), EMEA 지역 오토모티브 파트너십 부문 디렉터, ARM








시속 50 km로 주행 중인 차량이 13 m 앞 지점의 위험물까지 도달하는데 소요되는 시간은 단 1초도 걸리지 않는다. 말 그대로 ‘눈 깜짝하는 사이’ 차량은 4 m 이상을 주행할 수 있는 셈이다. 

인간 운전자가 위험을 감지하고 회피 조치를 취하는 데에 걸리는 반응 시간은 약 0.5초, 300에서 600밀리초(millisecond) 사이다. 하지만 이는 운전자가 깨어 있음과 동시에 주의를 기울이고 올바른 방향을 보며 위험을 인지하는 순간 즉시 반응한다는 최상의 시나리오를 가정할 경우의 얘기다. 만약 운전자의 주의가 산만하거나 피로, 졸음 등으로 집중력이 저하된 상태라면 반응 속도는 상당히 느려질 것이다. 안타깝게도 이러한 실수는 매년 전 세계적으로 발생하는 약 130만 명의 교통사고 희생자를 낳는 결과에 큰 영향을 끼친다. 분명한 것은 차량을 담당하는 사람이든 컴퓨터이든 반응 속도가 매우 중요하다는 점이다. 더 안전한 주행을 위해 컴퓨팅을 사용해 운전자를 지원하거나 대체할 때, 업계는 인간의 능력을 넘어 훨씬 더 강력한 성능을 보여줘야 한다. 이 같은 이유로 정확하고 신속한 실시간 제어 기능을 지원하는 컴퓨팅 기술의 필요성이 대두되고 있다.  

차량 제어장치에 컴퓨팅 기술을 접목시킨다면 단순히 반응 속도가 빠른 것만으로는 충분치 않다. 이제는 반드시 인간의 능력을 수만 배 이상 압도할 유의미한 결과를 끌어내야 할 시대가 도래했기 때문이다. 물론, 안티록 브레이크(antilock braking) 시스템, 에어백 시스템, 모터 컨트롤러(motor controller) 등과 같은 실시간 차량 애플리케이션은 수년 동안 이미 존재했던 기능들이다. 오늘날, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 자동 긴급제어장치, 충돌 방지, 사각지대 감지 등의 기능이 도입됨에 따라 실시간 워크로드의 수와 정교함이 증가하고 있다. 
이런 추세와 함께 부상한 것이 바로 영역 기반 아키텍처인 ‘영역 아키텍처(zonal architecture)’다. 영역 아키텍처는 점점 더 복잡해지는 자율주행 및 고급 차량 기능의 증가하는 컴퓨팅 요구사항을 충족하기 위해 등장했다. 또한, 영역 아키텍처는 네트워크 영역 접근방식으로 기존의 도메인 기반 접근방식보다 향상된 안정성과 확장성을 제공한다. 영역 기반 아키텍처의 등장으로 차량당 사용되는 100개 이상의 개별 전자제어장치(ECU)들이 더 적은 수의 모듈로도 통합이 가능해졌다. 자동차 제조업체들은 실시간 워크로드 처리를 위한 최선의 방법을 모색하고 있는데, 두 가지 통합 방법이 가장 큰 주목을 받고 있다. 



영역 컨트롤러(Zonal controller)를 통한
실시간 워크로드 통합
   

첫 번째 방법은 영역 컨트롤러가 실시간 기능들을 처리하는 것이다. ECU는 차량의 특정 영역에서 여러 입출력 센서와 구동 장치인 액추에이터(actuator)를 지원하는 새로운 형태의 모듈이다. 예를 들어, 단일 영역 컨트롤러는 차량의 동일한 전방 모서리에서 서로 근접하게 위치한 전면 조명, 미러 조정, 도어 잠금장치, 전동 윈도, 시트 제어장치 등을 지원할 수 있다.

우선 영역 컨트롤러는 네트워킹 플랫폼으로서 CAN, LIN, FlexRay 등의 차량 버스 시스템을 고속 이더넷 데이터 패키지로 전송한다. 이를 통해 설계자는 와이어링 하니스를 단순화해 부품의 비용과 무게를 줄일 수 있다. 전기차 산업의 급속한 발전은 영역 아키텍처로의 전환을 위한 기회를 제공하며, 1세대 영역 컨트롤러는 이미 많은 차량 생산 현장에서 표준이 되고 있다. 

차량의 여러 실시간 기능들이 영역 컨트롤러로 통합됨에 따라, 운영 체제 및 소프트웨어의 정교함과 마찬가지로 프로세서 성능에 대한 요구사항이 증가하고 있다. 이에 자동차 업계는 원활한 소프트웨어 통합 비전을 실현하기 위해 Arm Cortex-R52 기반 마이크로컨트롤러(MCU)에 관심을 보이고 있다. 여러 차량용 반도체 칩 제조업체는 이미 해당 프로세서를 영역 플랫폼용 고성능 MCU 설계에 통합했으며, 자동차 소프트웨어 공급업체는 이 프로세서 제품군에 사용되는 Arm 아키텍처인 Armv8-R과 통합되는 솔루션을 구축하기도 했다. 



세이프티 아일랜드(Safety island)      

두 번째 방법은 ADAS, 콕핏 도메인 컨트롤러(cockpit domain controller) 또는 중앙 컴퓨팅 장치와 같은 고성능 모듈을 사용해 실시간 워크로드를 통합하는 방안이다. 이런 대규모 컴퓨팅 노드들(nodes)은 부팅 및 오류를 관리하고 안전 중요 기능을 지원하는 실시간 ‘세이프티 아일랜드’ 옆에 Arm Cortex-A 코어 클러스터가 상주하는 이기종 컴퓨팅 설계를 기반으로 한다. 



실시간 자동 제어 시스템의 중요성 

고성능 컴퓨팅 영역에서는 워크로드의 통합이 이미 확실하게 구축돼 있다. 이제 자동차 업계는 실시간 컴퓨팅에 대한 통합의 시급성을 인지하고 수용하고 있다. 

차량 설계자에게 실시간 워크로드를 어디에서 처리할 것인지, 즉 위치에 대한 유연성을 확보하는 것이 중요해졌다. Arm Cortex-R52는 시스템온칩(SoC) 및 MCU 기반 설계에 모두 사용되므로 모든 설계 변형에서 동일한 소프트웨어 아키텍처를 재사용할 수 있다. 앞으로 업계는 Cortex-R52 기반 프레임워크 투자 등을 통해 소프트웨어 재사용과 이식성의 기회를 극대화할 수 있을 것으로 기대한다. 



AEM_Automotive Electronics Magazine


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