프로토타입부터 양산을 위한 산업용 SBC

생산 라인이 멈추는 것보다 더한 악몽은 없습니다. 모두에게 시간과 비용 손실을 초래하기 때문입니다. 제조업에서 예기치 않은 조업 중단으로 인한 손실 비용은 현재 모든 산업 분야를 통틀어 시간당 평균 26만 달러(약 3억6,000만 원)에 이르는 것으로 애버딘 리서치(Aberdeen Research)는 분석합니다.(자동차 제조공장의 경우 이 비용은 시간당 230만 달러를 넘어선다.)

산업 자동화, 에지 컴퓨팅, AI 기반 애플리케이션이 계속해서 확장됨에 따라 이러한 손실 비용을 방지하기 위해 단일 기판 컴퓨터(Single-Board Computer, SBC)의 신뢰성 요구가 점점 더 높아지고 있습니다. 산업용 SBC는 컴퓨터의 모든 필수 요소를 단일 기판에 담아 처리 능력과 연결성을 소형 크기로 구현해 까다로운 산업 환경에 이상적입니다. 

최근 진행된 화상토론에서 라즈베리 파이(Raspberry Pi), 게이트웍스(Gateworks), NXP 반도체, EDATEC의 전문가들과 함께 최신 임베디드 및 에지 컴퓨팅 시스템에서 산업용 SBC의 역할이 점점 더 중요해지고 있는 현상에 대해 자세히 짚어봤습니다.

SBC의 부상

산업 자동화와 에지 컴퓨팅의 성장과 함께 SBC의 사용량이 급증하고 있습니다. 산업용 SBC는 소프트 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controllers, PLC) 및 머신 비전을 포함한 다양한 애플리케이션에 유연하고 확장 가능한 플랫폼을 제공합니다. 

SBC의 활용 범위는 단순히 공장 안으로 제한되지 않습니다. 의료 기기, 석유 및 가스전 제어 장치, 전력망 모니터링, 철도 시스템 등 신뢰성이 필수인 임베디드 및 에지 컴퓨팅 시스템에도 널리 사용됩니다. 게다가 드론, 무인항공기(UAV), 우주 및 차량 대 사물 통신(V2X) 솔루션과 같은 미래 지향적인 애플리케이션야에서도 SBC의 활용이 주목받고 있습니다. 

산업용 SBC의 가장 큰 장점 중 하나는 기존 전자 장치가 작동하기 어려운 환경에서도 작동할 수 있다는 점입니다. 내구성이 뛰어나 온도, 습도, 먼지 등 전자 장치의 성능을 위협할 수 있는 열악한 산업 환경에 이상적입니다. 이러한 조건을 견딜 수 있도록 SBC는 신뢰성을 가장 고려하여 설계되었습니다. 예를 들어 부품 수가 적어 부품 하나가 고장 나더라도 고장 발생 가능성이 낮습니다. 또한 SBC는 전력 변동에도 잘 대처할 수 있으며 연속 작동을 위해 설계되었습니다.

에지 컴퓨팅이 성장함에 따라 이러한 속성에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 이를 통해 에지 컴퓨팅 애플리케이션은 정보를 실시간으로 처리하여 더 빠른 의사결정과 더 높은 효율성을 달성할 수 있습니다.

실제 설계 과제 극복 

SBC는 여러 장점이 있지만, 엔지니어가 직면할 수 있는 과제는 SBC를 프로토타입에서 실제 배포 시스템으로 전환하는 것입니다. 에지 AI와 같은 대규모 애플리케이션에 SBC를 도입하는 경우 메모리, 발열, 비용 등 다양한 제약 요소가 있을 수 있습니다. 

시간 민감성 워크로드(time-sensitive workload)를 처리하려면 컴퓨팅이 데이터 수집 지점에 더 가까워야 합니다. 여기에는 품질 보증 및 예측 유지보수(predictive maintenance)를 위한 머신 비전과 함께 단순히 원시 데이터가 아닌 실행 가능한 인사이트를 제공하는 AI 기반 분석이 포함됩니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해서 엔지니어는 NXP 등이 제공하는 프로세서를 통해 컴퓨팅 성능, 연결성, 에너지 효율성의 균형을 맞춰야 합니다. 
 

라즈베리 파이의 수석 영업 담당자인 데이브 리(Dave Lee)는 “에지 워크로드가 점점 더 까다로워짐에 따라 메모리는 중요한 고려 사항이 되었다”며 “현재 시장에서는 메모리와 RAM이 전례 없는 수준으로 부족한 상황인데, 이는 주로 클라우드 업체들이 높은 수준의 메모리 대역폭을 사용하고 있기 때문”이라고 말합니다.

데이터가 CPU에서 보조 및 주변 장치로 이동하는 SBC의 경우, 고강도 에지 애플리케이션에서 메모리 부하가 더욱 커질 수 있습니다. 이에 대응해 라즈베리 파이는 DRAM과 스토리지용 메모리를 여러 공급업체로부터 조달할 수 있도록 공급망을 다변화하고 있습니다. 한 가지 해결책은 클램셸(clamshell) 방식으로, 기판에 두 개의 DRAM을 탑재하는 것입니다. 예를 들어 구하기 어려운 4GB 메모리가 필요한 경우, 라즈베리 파이는 2GB 메모리 모듈 두 개를 사용하는 방식으로 대체할 수 있도록 합니다. 
 

산업 환경에서 전력 공급의 안정성은 또 다른 중요한 문제입니다. 전력 공급 중단은 데이터 손상, 저장 장치 손상, 막대한 가동 중단 비용을 초래할 수 있습니다. EDATEC은 SBC가 견딜 수 있는 전자기 간섭(EMI), 정전기 방전(ESD) 내성, 광절연 또는 정전용량 절연 등을 고려하여 사양 이상의 부품을 선정함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 예를 들어 24V 입출력(IO) 단자에 80V 정격부품을 사용함으로써 뛰어난 안정성을 보장합니다. 또한 슈퍼커패시터 백업과 같은 전력 손실 방지 솔루션을 제공하여 메모리나 장기 비휘발성 저장 장치를 손상시키지 않고 안전하게 시스템을 종료할 수 있도록 지원합니다. 

 

환경 내구성(Environmental durability) 또한 최우선 과제입니다. 게이트웍스는 장치가 전원공급장치에 연결되지 않거나 팬과 같은 열관리 장치가 없는 극한의 산업 환경에서도 견딜 수 있도록 견고한 전원공급장치(power supplies)를 설계했습니다. 이러한 전원공급장치는 무거운 트랙터가 강한 진동을 일으키는 광산부터 위험하거나 극한 온도 조건에 있는 공장, 국방 산업, 심지어 우주 공간에 이르기까지 모든 환경에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 

이러한 사례들은 산업용 컴퓨터 업계가 처리 능력뿐 아니라 가장 열악한 환경에서도 안정적으로 작동하는 신뢰성을 중요한 성능 기준으로 삼는 방향으로 변화하고 있음을 보여줍니다. 

차세대 에지 컴퓨팅 구현 

SBC는 산업 시스템의 미래를 대표합니다. 그 결과 향후 몇 년 동안 이 산업의 경쟁이 훨씬 더 치열해질 것입니다. 경쟁이 심화되는 환경에서는 기술 생태계 전반에 걸친 협력이 더욱 중요해질 것입니다. 하나의 공급업체가 에지 컴퓨팅의 모든 요구 사항을 충족할 수는 없습니다. 오히려 프로세서 제조업체, 기판 설계업체, 시스템 통합업체, 소프트웨어 개발자, 유통 파트너가 협력하여 혁신을 촉진하는 것이 성공의 열쇠가 될 것입니다. 

이러한 협업을 통해 제품을 그 어느 때보다 빠르게 시장에 출시할 수 있습니다. 이미 기존 방식을 고수하던 사람들이 SBC를 고려하기 시작했습니다. 이는 SBC가 더 빠른 프로토타이핑과 확장성, 뛰어난 유연성, 다양한 가격대를 제공하기 때문입니다. 검증된 하드웨어 솔루션을 활용하면 엔지니어는 개발 기간을 최대 6개월까지 줄이면서도 특정 애플리케이션에 맞게 솔루션을 맞춤 설정할 수 있는 자유를 누릴 수 있습니다.

DigiKey는 고객에게 필요한 기술, 공급업체, 리소스를 연결함으로써 이러한 협력 생태계에서 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 엔지니어가 NXP 프로세서를 평가하든, 라즈베리 파이로 프로토타입을 제작하든, 게이트웍스 및 EDATEC의 산업용 솔루션을 배포하든, DigiKey는 프로젝트를 진행하는 데 필요한 구성 요소와 완제품 시스템 모두에 대한 접근성을 제공합니다.

산업용 SBC는 자동화, 에지 컴퓨팅, AI의 미래에 중요한 역할을 담당할 것입니다. 신뢰성, 성능, 유연성 측면에서 상당한 이점을 제공하는 산업용 SBC는 앞으로 다양한 애플리케이션에 널리 통합될 것으로 예상됩니다. [끝]

 

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숀 루크(Shawn Luke)는 전 세계 전자부품 및 자동화 제품의 첨단 유통 분야에서 글로벌 리더로서 지속적인 혁신을 주도하는 DigiKey의 기술 마케팅 엔지니어다. DigiKey는 약 3,000개의 유수 브랜드 제조업체에서 제공하는 1,740만 개 이상의 부품을 공급하고 있다.

AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)

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