차세대 ADAS 및 자율주행차 개발의 기술적 과제

첨단 운전자 지원 시스템 (ADAS)이 자동차에 점점 더 보편화됨에 따라, 미래는 자율주행 시스템을 향하고 있습니다. 그러나 차세대 ADAS 및 자율주행 차량 개발에는 수많은 중요한 기술적 과제가 수반됩니다. 이 기사에서는 자동차 원래 장비 제조업체 (OEM)가 레벨 2 ADAS에서 레벨 3 및 레벨 4 자율주행 시스템으로 전환하는 동안 직면하는 주요 기술적 과제와 Microchip이 도입한 관련 솔루션을 탐구합니다. 

거대한 데이터 증가를 처리할 수 있는 확장 가능한 고성능 컴퓨팅 아키텍처

시장에 도입되고 있는 ADAS 및 자율주행 시스템은 운전자가 앞길에서 눈과 마음을 떼는 데 점차 도움이 될 것입니다. 그러나 이 목표를 달성하려면 먼저 컴퓨팅 아키텍처의 조정이 필요합니다. 차량 내 전자제어장치(ECU)의 수가 증가하고 있음에도 불구하고, 전통적인 자동차 컴퓨팅 아키텍처는 단일 컴퓨팅 요소 내에서 특정 기능별로 처리 작업을 통합하며, 이는 전용 센서나 입력 데이터로부터 통합됩니다. 이러한 접근 방식은 하위 수준 ADAS 시스템에서도 어려움을 겪고 있습니다. 상위 수준의 자율 시스템에서는 필요 처리의 비용, 데이터 속도 및 전력 소모가 단일 처리 요소 의존을 비현실적으로 만듭니다.   데이터의 엄청난 증가를 처리하기 위해서는 하나 이상의 프로세서 내 여러 코어에 작업 부하를 분산시키는 컴퓨팅 아키텍처의 수정이 필요합니다. 이 아키텍처는 실질적으로 "바퀴 위의 데이터 센터"를 만들어주는 중앙 컴퓨트 클러스터를 형성합니다. 이 데이터 센터 모델에서는 특수 처리 요소가 카메라 데이터 스트림에 대한 이미지 분석을 수행합니다. 별도의 처리 코어 또는 CPU는 카메라 데이터를 레이더 또는 라이더 데이터와 융합할 수 있으며, 서로 다른 유형의 센서에서 데이터를 “융합”하여 차량 주변 환경을 더 잘 이해할 수 있습니다. 다른 코어는 센서 분석 결과를 기반으로 필요한 조치를 결정하는 "정책" 처리에 집중할 수 있습니다.   수십 년간의 데이터 센터 개발 경험을 통해 확장 가능한 고성능 컴퓨팅(HPC) 아키텍처의 기본 요소가 확인되었습니다. 여기에는 이미지 처리(추론 및 가속) 엔진이 특화된 HPC SoC(시스템 온 칩) 및 SoC 간 데이터 전송을 위한 고대역폭, 저지연 PCIe® 인터커넥트가 포함됩니다. 또한, HPC 클러스터로 센서 데이터 흐름 및 제어 신호를 차량의 주요 시스템으로 전송하는 차량 내 이더넷 네트워크 연결이 포함됩니다. 안전 처리 요소는 HPC 시스템의 운영을 관리합니다.

증가하는 복잡성 해결하기

차세대 차량은 자동차 산업에 도입되는 새로운 기술로 정의될 것입니다. 제조업체들은 최신 5G 무선 통신을 활용하여 안전성과 사용자 경험을 개선하기를 열망하고 있습니다. 차량은 다른 도로 사용자 및 심지어 교통 관제 인프라와 정보를 공유하여 여행을 더 안전하고 효율적으로 만드는 역동적인 네트워크의 일부가 될 것입니다. 이러한 차량-사물(V2X) 통신은 차량이 평소보다 더 많은 센서, 제어 장치 및 컴퓨팅 파워를 갖추도록 요구할 것입니다.   이는 많은 주목을 받고 기대를 모으는 자율주행 또는 무인 운전 차량으로의 움직임에서 더욱 중요할 것입니다. 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)은 이미 안전한 도로 주행을 위한 정교한 솔루션을 운전자에게 제공하고 있습니다. 다른 도로 사용자와의 상호 작용은 가능한 한 낮은 지연 시간으로 주변 정보를 수집하고 분석하며 이에 따라 조치를 취할 수 있는 시스템에 달려 있을 것입니다.   그러나 자동차 환경은 안전이 중요한 시스템에 도전 과제를 제공합니다. 진동으로 인해 발생할 수 있는 순간적인 연결 차단조차도 중요한 정보의 상당한 손실로 이어질 수 있습니다. 설계자들은 진동에 강하면서 오늘날 자동차 세계에서 볼 수 있는 것보다 여러 배 빠른 데이터 속도를 제공할 수 있는 소형 커넥터 솔루션을 필요로 할 것입니다.

자동차 HPC를 위한 일반적인 데이터 센터 유형 아키텍처

차량 내 네트워크 백본의 지배적인 기술로서의 Ethernet

고속도로와 도심 환경 모두에서 데이터 전송의 지연이나 지체는 치명적일 수 있습니다. 센서에서 엣지 프로세서로, 그리고 중앙 컴퓨팅 유닛으로 또는 그 사이로 데이터를 신속하고 효율적으로 전송하려면 차량의 데이터 네트워크가 가장 중요한 시스템이 되어야 합니다.   Ethernet은 대부분의 글로벌 OEM을 위한 차량 내 네트워크 백본의 주류 기술로 자리 잡았습니다. 글로벌 데이터 센터 표준인 Ethernet은 방대한 공급업체 기반, 비용 효율적이고 확장 가능한 대역폭 옵션, 그리고 자동차 산업에 적합한 다양한 적응성을 제공합니다. 주류 네트워크 요구 사항을 위해, 100M 및 1G 속도의 Single-Pair Ethernet (BASE-T1) 표준은 대부분의 요구를 충족하며 전 세계적으로 널리 배포됩니다. BASE-T1은 케이블 수를 줄여 중량 절감과 Ethernet 물리적 층에서 비용 절감의 잠재력을 제공합니다.   10BASE-T1S 기술의 출현은 CAN 네트워킹에 대한 저대역폭, 비용 매력적인 대안을 제공합니다. 10BASE-T1S 표준은 멀티 드롭 기능을 지원하여 차량의 서로 다른 구역으로의 센서 배선이 단순해집니다. 또한 CAN 메시지를 처리하고 라우팅하는 데 사용되었던 ECU를 제거할 가능성이 있어 지역 네트워크 컨트롤러 노드의 설계를 단순화합니다. 이 노드는 차량 내 다양한 지점에서 데이터 흐름을 백본으로 집계하며, 이는 고속도로 입구와 유사합니다.   Serializer-Deserializer (SerDes) 기술은 지속적이고 주로 단방향인 데이터 전송 요구 사항에 대한 고대역폭, 비용 효율적 솔루션을 제공합니다. 원시 데이터 인터페이스를 가진 카메라는 SerDes를 활용하여 고성능 이미지 인식을 위한 실시간 데이터 전달을 가능하게 합니다. SerDes 인터페이스를 사용하면 카메라에서 사전 처리가 필요 없어, 원시 데이터를 ADAS SoC로 직접 전송하여 최적화된 비디오 엔진이 픽셀-완전 데이터를 보다 효율적으로 처리할 수 있습니다. 이는 전체 시스템 성능을 향상시키고 카메라 측에서 불필요한 사전 처리 하드웨어 비용을 방지합니다. 실제로, 거의 모든 ADAS 대상 SoC 프로세서는 다수의 카메라 인터페이스와 이미지 처리 엔진을 통합하고 있어, 카메라에서 데이터 사전 처리는 불필요한 자원 낭비가 됩니다.   오직 Ethernet 연결만 있거나 픽셀-완전 데이터가 필요하지 않은 애플리케이션(예: 후방 카메라)의 경우, Ethernet 기반 카메라가 더 비용 효율적일 수 있습니다. 이전에는 SerDes 솔루션이 종종 독점적이어서 OEM 설계를 특정 벤더에 고정시키며 관련 하드웨어 및 소프트웨어 제약이 있었습니다. 이제 Automotive SerDes Alliance (ASA-ML)의 Motion Link 표준 덕분에 확장 가능하고 상호운용 가능한 제품이 등장하면서, OEM은 카메라 데이터 관리 효율성과 시스템 호환성을 향상시키는 우수하고 유연한 장기 생태계를 제공합니다.   PCIe는 데이터 센터에서 고대역폭 인터 CPU 통신의 표준입니다. PCIe는 안전 필수 데이터를 처리하기 위해 매우 낮은 지연을 제공합니다. PCIe는 주어진 "포트" 내에서 레인(수신/송신 쌍)의 수를 증가시키는 것만으로 확장 가능한 대역폭을 실현하며, 연결을 실제 대역폭 요구에 따라 쉽게 최적화할 수 있습니다. 더욱이, PCIe 프로토콜은 거의 모든 고성능 프로세서에서 지원되어, 다양한 작업을 위해 다른 벤더의 SoC를 선택할 때 중요한 이점을 제공합니다. 자동차 전용 PCIe 표준은 없지만, 탁월한 지연과 낮은 처리 오버헤드 덕분에 자동차 애플리케이션에 널리 채택되었으며, 자동차 인증을 받은 칩이 이미 사용 가능합니다. 현재의 ADAS SoC에서 사용되는 일반적인 4레인 Gen4 연결은 64 GT/s (약 64 Gbps에 해당하는) 대역폭을 제공하며, 이미지 데이터의 고속 공유에 매우 적합합니다.

“Data Center on Wheels”를 위한 고속 인터페이스

미래 자동차 응용 프로그램의 핵심으로서 소프트웨어 정의 차량

소프트웨어 개발은 차량의 환경을 해석하고 비상 상황에 대응하는 AI 시스템을 개발하는 것을 넘어 거의 모든 차량 기능의 중심이 되었습니다. 초기 차량 플랫폼에서 소프트웨어는 주로 반잠금 제동 시스템(ABS)과 같은 고유하고 첨단 기능을 구현하는 데 사용되었습니다. 인포테인먼트와 인간-기계 인터페이스의 발전에 따라, 스마트폰에서 사용되는 것과 유사한 응용 소프트웨어가 차량 내 응용 프로세서에서 실행되기 시작했습니다. 오늘날 차량 섀시, 파워트레인, 안전 기능, 인포테인먼트는 점점 소프트웨어를 통해 구현되고 있습니다. 이는 소프트웨어 정의 차량(SDV)의 개념을 발전시키며, 차량이 생애 주기 동안 업그레이드 되어 기존 기능을 향상시키고 새로운 기능을 추가할 수 있게 합니다.   전통적으로 엔진 관리와 같은 레거시 기능별 시스템의 소프트웨어 업그레이드는 데이터 케이블을 통해 서비스 방문 시 수행되었습니다. 이제 점점 더 많은 제조업체들이 무선(OTA) 업데이트를 채택하고 있습니다. OEM의 OTA 업데이트에는 버그 수정, 새로운 기능 추가 또는 고고도 주행이나 오프로드 핸들링에 대한 성능 향상이 포함될 수 있습니다.   소프트웨어 관점에서 SDV는 이제 모바일 데이터 센터로 간주될 수 있습니다. 새로운 기능은 차량이 생산 라인을 떠난 후 몇 년 후에 추가될 수 있으며, 이는 감가상각률을 잠재적으로 줄일 수 있습니다. 강화된 유지보수 기능은 패키지로 판매될 수 있으며, 실제 사용량에 따라 부품의 마모 상태를 실시간으로 모니터링하고 유지보수를 예약할 수 있습니다.   그러나 기본적인 데이터 센터 기술 구현에 경험이 제한적인 자동차 회사들은 새로운 기술 개발에 투자해야 합니다. 네트워크 관리가 이전에 독립 시스템에 필요하지 않았던 전문 기능 영역으로 부상했습니다. 자동차에 독특하게 적용되는 ISO 26262와 같은 기능 안전 프로세스는 데이터 센터 하드웨어 및 소프트웨어와 결합되어 전자 및 소프트웨어 시스템의 개발과 구현에 영향을 미칩니다.

데이터는 HPC 시스템에서 PCIe® 인터커넥트를 통해 흐릅니다

ADAS 및 자율 주행 응용을 위한 종합 제품 포트폴리오

Microchip은 ADAS 및 자율 주행 애플리케이션의 수요를 충족시키기 위한 다양한 제품 라인을 제공합니다. 이 분야의 주요 기술 플랫폼에는 기능 안전, 임베디드 보안, 터치 및 제스처, 이더넷 기술이 있으며, 이를 통해 꽤 완전한 포트폴리오를 형성합니다.   최종 제품의 강건성, 신뢰성 및 보안성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 기능 안전 제품 포트폴리오 내에서 Microchip은 기능 안전 표준을 준수하거나 기능 안전 준비가 된 제품을 지원합니다. 여기에는 AVR® 및 PIC® MCU, dsPIC® DSC, SAM 및 PIC32 MCU, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 및 SoC가 포함됩니다. 이러한 제품은 최신 하드웨어 보안 기능과 지원 문서를 포함하여 ISO 26262, IEC 61508 및 IEC 60730 안전 인증을 달성하는 데 도움을 줍니다. 일부 Microchip 장치는 이미 기능적으로 안전 인증을 받아 ISO 26262 준수 프로세스를 따랐으며, AEC-Q100 표준에 따라 설계되었고, 전문적인 하드웨어 보안 기능을 갖추고 있습니다.   임베디드 보안 플랫폼에서 Microchip은 보안 IC의 포괄적인 포트폴리오와 보안 중심의 MCU, 마이크로프로세서(MPU) 및 FPGA를 제공합니다. 또한 소프트웨어 라이브러리, 향상된 프로토콜, 개발 키트, 교육 및 기타 리소스를 제공하여 고객이 보안 솔루션을 빠르게 구축할 수 있도록 지원합니다.   터치 및 제스처 애플리케이션 플랫폼 내에서 Microchip은 터치 기능이 있는 MCU, 정전식 터치 컨트롤러 및 3D 제스처 컨트롤러를 제공하여 최종 제품의 사용자 상호 작용 경험을 향상시키기 위해 기계적 버튼을 터치 또는 제스처 제어 인터페이스로 대체할 수 있습니다. Microchip은 다양한 애플리케이션에 대한 정전식 터치 솔루션을 제공합니다. 터치 제품에는 대부분의 PIC®, AVR®, 및 SAM MCU에서 터치 감지를 구현하기 위한 턴키 정전식 터치 컨트롤러, 터치 라이브러리와 dsPIC33C DSC, 거의 모든 제품에 제스처 인식을 추가할 수 있는 단일 칩 솔루션이 포함됩니다.   Microchip은 또한 내장된 설계에 견고하고 신뢰할 수 있는 고속 통신을 추가하기 위한 유연한 이더넷 솔루션을 제공합니다. Microchip의 독립형 장치와 이더넷 기능이 탑재된 MCU와 MPU는 응용 프로그램에서 이더넷을 쉽게 구현할 수 있도록 합니다. Microchip은 이더넷 제품의 시간 솔루션을 제공하여 디자인에서 더 높은 신뢰성과 낮은 전력 소비를 달성하고, 자동차 네트워킹 애플리케이션에 대한 AEC-Q100 요구 사항을 충족합니다. Microchip의 고성능 이더넷 트랜시버(PHY)는 풋프린트, 전력 소비 및 비용을 크게 줄이며 10BASE-T, 10BASE-T1S, 100BASE-TX, 100BASE-T1, 1000BASE-T PHY를 제공합니다. Microchip의 이더넷 브리지는 USB, 고속 인터칩(HSIC), PCI™ 또는 PCI Express® (PCIe®) 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 유연한 이더넷 연결을 가능하게 하여 개발 시간을 단축합니다.

결론