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[TECH] IoT 시스템용 마이크로컨트롤러 저소비전력화 추진

2개 코어 동시 작동해도 7m~8mA로 억제

[TECH] IoT 시스템용 마이크로컨트롤러 저소비전력화 추진

[산업일보]
반도체 관련 전 세계 브랜드사들은 IoT 시스템용 마이크로컨트롤러의 저소비전력화를 추진 중이다. 실제로, 사이프러스 세미컨덕터는 높은 연산 처리성능과 낮은 소비전력을 동시에 실현한 마이크로컨트롤러 'PSoC 6'를 개발해 차례로 제품을 시장에 투입하고 있다. 칩원스탑(Chip one stop)의 협조를 받아, 발 빠른 움직임을 보이고 있는 이 회사 마이크로컨트롤러사업부 마케팅부 프로젝트 Suetake 세이지 과장으로부터 자세한 내용을 들어봤다. (질문: Katsumi YAmashita, 기술 저널리스트)

-. PSoC 6는 어떤 마이크로컨트롤러인지 설명 부탁한다
▲ IoT용 마이크로컨트롤러는 저소비전력은 물론 시큐리티 등의 처리를 위해 높은 연산성능이 요구된다.
IoT 시장에 초점을 맞춘 마이크로컨트롤러(MCU)다. 당사는 범용 마이크로컨트롤러로서 PSoC를 10년 이상 제품 전개하고 있으며, 구세대 제품 'PSoC 4'도 많이 출하하고 있다. 그러나 용도에 따라 PSoC 4는 연산 처리성능과 메모리 용량이 부족하다는 지적이 유저로부터 거론됐었다. 이러한 지적에 대처하는 형태로 개발된 것이 'PSoC 6'다.

-. PSoC 4에서 변경된 점은 무엇인가
[TECH] IoT 시스템용 마이크로컨트롤러 저소비전력화 추진

▲ 연산 처리성능이 대폭 강화 향상됐다. PSoC 4는 Arm 사의 Cortex-M0 코어를 탑재하고 있었지만, PSoC 6에서는 Cortex-M0+코어와 Cortex-M4 코어의 듀얼코어 구성을 채용했다(그림2). 따라서 연산 처리성능은 대폭 향상됐다. 또한, 메모리 용량도 증가했으며, PSoC 4의 플래시 메모리 용량은 256K 바이트였지만 PSoC 6에서는 1M 바이트로 늘렸다.
단, PSoC 6는 PSoC 4와 마찬가지로 PSoC(Programmable System on Chip)의 기본 컨셉을 계승하고 있다. 즉, 당사 독자적인 용량성 터치 센서 기술 'CapSense®'와 프로그래머블 아날로그 회로 블록, 다양한 용도로 사용할 수 있는 디지털 회로 블록 'UDB(Universal Digital Block)' 등을 탑재했다.

-. 탑재한 무선통신 기능에 대해 설명한다면?
[TECH] IoT 시스템용 마이크로컨트롤러 저소비전력화 추진

▲ PSoC 6에는 여러 제품이 있다. 그 제품라인에 따라 대응하는 무선통신 규격이 다르다. 'PSoC 63라인'은 'Bluetooth 5' 규격의 BLE에 대응한 물리계층회로(트랜시버 등)를 집적하고 있다(그림3). BLE를 사용해 무선접속하는 IoT 용도에 특화된 마이크로컨트롤러라고 할 수 있다.
'PSoC 62라인'도 준비돼 있다(그림4). 이것을 사용하면 BLE 외에 무선 LAN(Wi-Fi)에도 대응할 수 있게 된다. 단, 마이크로컨트롤러 자체에는 BLE나 Wi-Fi 용으로 물리계층회로는 집적하지 않았다. 즉, 커넥티비티 기능은 전혀 집적하지 않은 셈이다. 그러나 UDB를 사용함으로써 SDIO(Secure Digital Input Output) 인터페이스를 실장할 수 있다. Wi-Fi/BLE 무선통신 모듈을 외부 장착함으로써 커넥티비티 기능을 실현하는 구조를 채용하고 있다.

-. PSoC 6 개발환경에 대해 말해달라
▲PSoC 63라인에 대해서는 이것을 탑재한 'PSoC 6 BLE Pioneer Kit'를 2017년 9월에 발표했으며, 그때 통합개발환경(IDE)인 'PSoC Creator 4.2'를 발표했다. 즉, 이것을 사용해 프로그래밍 및 파라미터 설정 등을 실행할 수 있다.
PSoC 62라인에서도 프로그래머블 아날로그 기능과 UDB, CapSense 등의 프로그래밍 및 파라미터 설정 등에는 PSoC Creator 4.2를 사용한다. 커넥티비티 기능은 2016년 7월 인수한 미국 Broadcom사의 IoT 사업에 포함된 소프트웨어 개발키트(SDK) 'WICED(Wireless Internet Connectivity for Embedded Devices)'가 대응한다. CapSense 등은 라이브러리화 돼 있으며 WICED에서 다룰 수 있다. 프로그래머블 아날로그 기능 등을 사용하지 않는다면 PSoC Creator 4.2를 사용하지 않고 WICED만으로 개발작업을 진행할 수 있다.

플래시 혼재 프로세스에서 저소비전력화
-. 소비전력은 어느 정도 삭감할 수 있었는지
[TECH] IoT 시스템용 마이크로컨트롤러 저소비전력화 추진
Cortex-M4 코어의 소비전류는 150MHz 동작 시에 5.82mA. Cortex-M0+코어의 소비전류는 100MHz 동작 시에 3.43mA다. 저소비전력 모드도 여러 가지 준비돼 있다.
▲ PSoC 6에서는 연산 성능당 소비전력을 대폭 감소했다. 예를 들면 Cortex-M4 코어의 소비전류는 150MHz 동작 시 5.82mA에서 Cortex-M0+코어는 100MHz 동작 시 3.43mA로 양쪽 모두 적다. 양쪽의 코어를 동시에 작동시켰을 경우, 클록 회로 등의 공통부분이 있으므로 5.82mA와 3.43mA의 합계보다 적어진다. 공통부분의 소비전류는 2m~3mA 정도이므로 2개의 코어를 동시에 작동시켜도 7m~8mA로 억제한다는 계산이 나온다.

-. 저소비전력 모드도 준비돼 있나
▲ 복수 모드를 준비하고 있다. 예를 들면, LP(로 파워) 액티브 모드는 Cortex-M4 코어만 8MHz에서 동작하는 모드에서 소비전류는 380μA로 적다. 인터럽트 대기 상태지만 시리얼 통신과 타이머 등은 작동하고 있다. 따라서 인터럽트가 있으면 즉시 풀가동 상태로 전환할 수 있다.
딥 슬립 모드에서는 주변 기능(페리페털)이 모두 정지해버리지만, 소비전류를 77μA로 적은 값으로 줄일 수 있다. 또한, 하이버네이트 모드는 모든 기능이 정지해 버리지만, 소비전류를 불과 300nA로 억제된다. 이러한 저소비전력 모드를 애플리케이션의 특성에 따라 잘 조합하면 IoT 시스템의 소비전력을 대폭 줄일 수 있다.

-. 이러한 소비전류 값에 평가한다면?
▲ PSoC 62라인의 성능당 소비전류는 22μA/MHz로 적다. 동등한 성능을 갖춘 경쟁사 제품 중에서 가장 저소비전류 제품에서도 99μA/MHz다. 따라서, 1/5 미만으로 줄어드는 셈이다. 경쟁사 제품과 비교해도 연산 성능당 소비전류는 대폭 적다. 구체적으로는 PSoC 62라인은 22μA/MHz다. 경쟁사 제품은 적은 것으로도 96μA/MHz다. 즉 1/5 미만으로 줄일 수 있는 셈이다.

-. 왜 경쟁사 제품에 비해 연산 성능당 소비전류를 대폭 줄일 수 있었는지?
▲ 가장 큰 이유는 플래시메모리 혼재의 40nm 프로세스를 경쟁사에 앞서 개발해 채용하고 있는 것이다. 당사에는 독자적인 플래시메모리 기술 ‘SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)’가 있다. 이것을 활용해 당사 내부에서 프로세스 기술을 개발해 외부 파운드리 기업과 공동으로 제조 프로세스 공정을 만들었다. 이 플래시메모리 혼재 40nm 프로세스를 사용함으로써 연산 성능당 소비전류를 줄일뿐만 아니라 플래시메모리와 RAM의 용량을 늘리는 것에도 성공했다.

IoT 시스템의 에지/게이트웨이에 적합
-. PSoC 6는 IoT 시스템용이라고는 한다. 구체적으로 말해달라
▲ PSoC 6는 연산 성능이 높고 소비전력이 낮다. 이 특성을 충분히 살릴 수 있는 용도를 타겟으로 하고 있다. 예를 들면, IoT 시스템을 구축하는 에지 기기와 게이트웨이 기기 등이다. 예를들면, 출시한 PSoC 62라인을 게이트웨이 기기에 탑재했다고 하자. 이 경우, 다수 배치된 센서 단말(비콘)에서 취득한 데이터를 BLE를 통해 게이트웨이 기기에 무선 전송해 게이트웨이 기기에서 데이터 처리를 실행하고 시큐리티를 걸고 나서 Wi-Fi로 사용해 클라우드 환경에 업하는 사용방법이 가능하게 된다. BLE와 Wi-FI 양쪽에 대응할 수 있다는 메리트도 살릴 수 있는 셈이다.

-. 에지/게이트웨이 기기 외에는 어떤 애플리케이션이 있는가?
▲ 애플리케이션 후보로는 로우엔드 웨어러블 기기를 들 수 있을 것이다. 스마트 워치와 헬스트랙커, 활동량계 등이다. PSoC 4에서는 메모리 용량이 부족하기 때문에 대응이 어려웠지만 PSoC 6라면 문제없다. 단, 디스플레이 표시성능은 낮기 때문에 소형 디스플레이를 탑재하는 기종밖에 대응할 수 없다.
IoT 관련 용도로는 AI 스피커의 프론트엔드 부분도 유력한 후보다. 메인 마이크로컨트롤러는 리치 OS가 필수적이므로 PSoC 6는 적용할 수 없지만, 마이크로폰 관련 처리에 사용하는 서브 마이크로컨트롤러에는 최적일 것이다. 또한, 센서 허브도 전형적인 애플리케이션이 될 것으로 보고 있다.

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