E4ds 뉴스는 다양한 전자제품의 두뇌로 불리는 MCU(Micro Controller Unit)를 주력하는 주요 반도체 기업을 찾아간다. MCU는 단순한 전자기기에서 IoT 시대의 자동차, 로봇 등 그 활용폭이 넓어지면서 갈수록 고성능 저전력 성능이 강화되고 있다. 이에 다양한 MCU 제품의 기능과 특징을 집중적으로 소개하고 이들 MCU 주요 업체들의 취재를 통해 각 기업들이 중점을 두는 기술들과 트렌드를 살펴 독자들의 제품 선택에 도움을 주고자 한다. <편집자 주>

[취재 / 신윤오 기자, 김수진 기자] ‘MCU 기업을 가다’의 세 번째 기업은 오토모티브 분야에 두각을 나타내기 시작한 ‘Texas Instruments’인 TI를 찾았다. 무엇보다 DSP칩 강자라고 불리는 TI가 MCU와의 어떤 시너지 효과를 내는지 독자들도 궁금하셨을 것이다. TI의 MCU 기술지원을 담당하는 류승윤 부장(사진)를 통해 TI MCU의 모든 것과 개발자를 위한 키트들을 확인할 수 있는 시간이 될 것이다.
 

IoT에 걸맞는 저전력 MCU, MSP 시리즈
실시간 연산 가능한 DSP 기능 독보적

- 먼저 TI의 MCU 포트폴리오를 간략하게 소개한다면?

TI MCU 제품은 울트라 로우파워 MCU, 32비트 리얼타임 MCU, 32비트 ARM MCU와 32비트 ARM 세이프티 MCU 등 크게 4가지 제품군으로 구성되어 있다. 더 자세히 설명하면 울트라 로우파워(Ultra Low Power) MCU의 대표적인 제품은 ‘MSP430’은 초저전력 특징으로 배터리로 동작하거나 소비전력이 낮은 애플리케이션에 많이 적용되어 있다. 32비트 리얼타임 MCU인 C2000은 디지털 파워 시스템 그리고 리얼타임 컨트롤에 최적화되어 있는 제품이다.

32비트 ARM 코어 기반의 MCU는 커넥티비티(Connectivity)에 초점을 맞추어 다양한 통신 주변장치들을 갖추었다. 마지막 세이프티 MCU 제품군에 허큘리스(Hercules) 제품군이 있다. 이 제품은 자동차, 항공, 철도와 같은 안전 규격이 필요한 곳과 의료 안전 규격을 요구하는 환자 모니터링 시스템에 사용된다.

- 저전력이 강점인 MSP시리즈가 타사의 로우파워 제품과 어떻게 다른가.

일명 ‘울트라 로우 파워(Ultra Low Power)’라고 부르는, 낮은 소비전력과 2년 간에 걸쳐 플래시 메모리를 FRAM 메모리로 대체한 것이 특징이라고 볼 수 있다. FRAM 메모리를 적용하면서 플래시 메모리 기반의 MCU에 비해 소비전력을 절반 정도를 줄일 수 있었다. 게다가 플래시 메모리는 약 1만 번에서 10만 번을 지우고 쓰는 것을 반복하면 ‘인듀어러스 타이밍’이라 해서 더 이상 사용할 없는 경우가 있는데, 약 10조 번까지 쓸 수 있는 FRAM은 거의 무한대로 사용할 수 있는 장점이있다. 이처럼 데이터 로깅에 적합하게 설계된 이 제품은 다양한 주변장치 조합으로 약 500가지 제품을 구현할 수 있다.

- FRAM을 MCU에 적용한 기술은 TI의 독자적인 기술인가.

FRAM을 단독으로 출시하는 반도체 업체들은 있지만 FRAM이 적용된 MCU를 개발한 것은 현재 TI가 유일하다. 제품 수명과 내구성면에서 플래시 메모리 기반의 MCU와 차별화했다. 

-그렇다면 배터리 기반의 제품에 최적화된 MCU가 MSP430라는 얘기인데, 구체적으로 주로 어디에 쓰이는가.

현재는 스마트 그리드의 E-미터링에 많이 적용되고 있다. 이제는 계량기 검침이 전자식 검침으로 바뀌어 수집한 데이터를 제공할 수 있다. 이는 MSP430 내부에 CLA와 같은 코어 프로세서가 있어 전력량만 산출하게 한다. 보다 정밀한 계측을 위해 24비트 시그마델타 ADC를 요구하는 애플리케이션이 있는데 이 또한 타사 대비 특화된 것이라 말할 수 있다. 


배터리로 동작하면서 저전력을 소비해야 하는
E-미터링과 의료분야의 혈당계 등에 쓰여

- E-미터링 외에 또 어떤 애플리케이션이 있는가.

MSP430을 가장 많이 쓰는 곳 중의 하나가 혈당계이다. 당뇨환자들이 사용하는 혈당계는 배터리로 동작하는 기기가 많다. 그래서 기본적으로 파워소비가 낮아야 하고 내부에 특정 Op앰프, DAC, 주변 장치들이 원칩화되어 있다.  

또한 근래에 IoT의 보안이 중요해지면서 혈당계도 보안 기술이 요구되고 있다. 내부의 어떤 개인정보 데이터를 외부로 전송할 때, 이를 외부에서 볼 수 없도록 암호화는 보안 기술이 필요한데, MSP430은 AES256까지 지원되는 인크립션 디스크립트 모듈이 하드웨어 엑셀레이터 모듈에 포함되어 높은 보안 기능을 제공한다. 그 밖에 MSP430은 수도계량기와 가스계량기에도 쓰인다. 수도계량기는 특정 배터리로 6년 동안 배터리 교체 없이 동작해야 하기 때문에 초저전력 MCU가 필요하다. 

- 리얼 타임 MCU, C2000의 장점은 모터 컨트롤이나 디지털 파워 등에서 딜레이 타임 없이 연산하는 기능이라고 했는데.
 
리얼타임(Real Time)의 가장 기본적인 개념은 피드백이 딜레이 없이 처리되는 것이다. ADC로 주변상황을 빨리 디지털화하여 내부 연산하고 PWM으로 신호를 처리하는데, 그 주변 환경에 맞게끔 컨트롤하여 다시 ADC로 피드백을 받아야 한다. 이 과정이 최대한 딜레이 없이 처리되어야 한다.  이에 반해 ARM 코어의 오퍼레이팅 클럭이 아무리 빨라도 명령어를 받아 연산하는 시간이 굉장히 많이 소요된다.

   ▲피콜로와 델피노의 스펙 비교

- C2000 시리즈는 피콜로(Piccolo)와 델피노(Delfino) 제품으로 나누는데, 어떤 기준인가.

이들 제품의 차이점은 피콜로는 오퍼라이팅 클럭이 최대 240MIPS까지 동작하고, 델피노는 800MIPS까지 동작한다는 점이다. 가장 큰 차이점은 부동소수연산(FPU)이 가능하느냐였다. 기존 피콜로 제품군은 픽스트 포인트만 지원되고, 델피노 제품군은 플로팅 포인트 연산까지 지원되었다. 하지만 저가에 낮은 퍼포먼스의 피콜로를 사용하는 사용자들이 부동소수연산 기능도 지원해달라는 요청을 많이 해와서 피콜로 6시리즈(F2806x)부터는 FPU를 넣었다. 그래서 이제는 FPU 유무로 구분하지 않고 퍼포먼스 정도로 구분한다. 

- 이 두 제품의 애플리케이션도 다를 것 같은데.

물론 애플리케이션도 다르다. 피콜로는 저가이기 때문에 주로 가전용 모터제어라든지 모터 컨트롤에 많이 적용되고, 고성능 제품은 산업계의 로봇팔 제어를 위한 서브 모터 제어나 인더스트리얼 서브 드라이브에 쓰인다. 근래 인더스트리얼 드라이브 추세가 서브 드라이버 하나가 두 개의 모터를 컨트롤하는 것이다. 지금까지 하나의 모터로 두 축을 제어하려면 모터 드라이브 2개를 구매해야 했지만 이제는 C2000 MCU가 적용된 드라이브 하나면 된다. 
특히, C2000은 ASIL-D 등급까지 지원해 자동차 분야에 적용할 수 있다. ACQ100 인증을 받아 하이브리드카의 디지털파워와 모터 구동에 쓰인다.

“삼각함수 연산처리로 룩업테이블 사용하지 않아
연산처리 기능이 빨라졌다”

류 부장은 C2000이 DSP 연산 명령어들이 최적화되어 있어 연산 처리 시간이 타사 제품과 비교해 굉장히 짧아졌다고 강조했다. DSP 연산 처리 시간이 존재하지만 경쟁사 제품에 비해 짧은 시간 안에 연산 처리가 가능하다는 얘기다. 올해 출시된 7X시리즈 제품군은 TMU(Trigonometric Math Unit)가 내장되어 있다. TMU는 삼각함수 연산처리를 하기 위한 기능으로, ARM 베이스 제품  경우에는 삼각함수 명령어 처리를 할 수 없었다. 이에 보통 펌웨어 엔지니어들이 룩업 테이블을 구성했기 때문에 메모리 용량을 많이 차지했다. 하지만 7X시리즈에는 TMU 및 파워라인 통신 알고리즘과 복잡한 수학 연산 가속기인 VCU(Viterbi Complex Unit)가 내장되어 연산 시간을 단축시켰다.

- DSP가 리얼타임 MCU에서 핵심이라는 말로 들리는데.

그렇다. 최근 ARM이 오퍼레이팅 클럭을 많이 올려서 DSP 만큼의 성능을 낸다고는 하지만 실제 오퍼레이팅 클럭을 올려서 명령어를 수행할 시간과 DSP만으로 처리하는 것은 현격한 차이가 있다. 고객에게 (이러한 결과치를 반영한) 벤치마크를 제공하면서 DSP만의 특화된 장점을 강조하고 있다.

- 커넥티비티 시장을 타깃으로 한 TIVA 시리즈는 ARM 코어 기반인데, 이유는 무엇인가.

TIVA 시리즈 이전에도 ARM Cortex 기반 제품군들의 라인업은 갖춰져 있었다. Cortex M4F 기반의 TIVA TM4C 계열은 제조공정을 개선하고, 타사 제품과 비교해 통신 채널 수를 더 많이 보유하고 있다. 특히 이더넷 맥엔파이(MAC & PHY)을 내장하고 있어 사용자가 외부에 이더넷 파이를 별도로 추가하지 않아도 바로 이더넷 케이블 MCU와 연결하면 이더넷 커뮤니케이션이 가능하다.

- 오토모티브 분야의 대표적인 MCU, 허큘레스(Hercules)는 자동차에서 중요한 요소인 ‘안전’ 기능을 어떻게 대처하고 있는가.

허큘레스는 20-200MHz로 동작하면서 메모리가 듀얼 코어로 설계돼 있다. Cortex R4가 최대 2개로 구성되어 있다. ECC 플래시 메모리에 에러가 발생하면 자동으로 수정해주는 기능이 내부에 들어 있다. 듀얼 코어로 설계된 이유 중 하나는 정확한 연산을 위한 것이다. 세이프티 쪽의 코어 하나에 멀펑션(malfunction, 비정상적인 행동)이 들어가게 되면 한 클럭 늦은 명령을 수행하면서 명령어 결과를 비교한다. 멀펑션이 되면 기능에 문제가 없도록 다른 MCU의 락스텝 (lockstep)이 안정성을 보장한다. 그리고 주변장치로 자동차용 CAN이라든지 이더넷도 내장되어 있다. 또한  ISO26262, ASIL -D등급과 IEC 61508 SIL-3 등급까지 지원하고 있다. 특히 TI만의 ‘SafeTI 시스템 디자인 패키지는 미리 인증을 받은 다큐멘테이션 작업을 제공하여 개발자들이 쉽게 인증받을 수 있게 도와주고 있으며 컴파일러 퀄리피케이션 킷(Compiler Qualification Kit)을 제공하고 있다.

저가 런치패드로 MCU에 친숙해지고 개발 시간 단축시킬 수 있어


 ▲개발자 환경에 따른 TI의 개발키트 단계

- 이 밖에 개발자들이 제공받을 수 있는 것들은 무엇이 있나.

 TI는 저가형 키트인 런치패드(LaunchPad)에서부터 프로타입이나 특화된 키트를 지원하고 있다. 사용자들이 어떤 개발환경을 지원받느냐에 따라서 개발 시간을 줄일 수 있다. 고객들이 빨리 익숙해질 수 있도록 스타트키트의 종류인 런치패드를 저가로 공급하고 있다.
애플리케이션 키트는 MCU가 특화된 어플리케이션에 적합하게 설계되었다. TI의 레퍼런스 기술로 모터 컨트롤 디지털 파워, 혹은 E-미터링에 실제 적용될 만한 수준으로 어플리케이션 키트를 지원하고 있다. 프로타입 키트는 MCU에 내장되어있는 주변장치의 핀을 다 뽑아서 고객이 평가해 보고자 하는 보드와 점프 와이어를 직접 연결해 테스트해볼 수 있다.

- 런치패드(LaunchPad)는 어떤 점들이 편리한가.

런치패드의 특징은 온보드 디버깅, 즉 에뮬레이터가 내장되어 사용자들이 별도로 외부의 에뮬레이터를 구매하지 않아도 된다는 점이다. 가격은 10달러 대로 대학생들도 부담없이 사용할 수 있다. 런치패드를 통해 고객들은 사용하려는 MCU의 성능이 어느 정도인지, 혹은 애플리케이션이 필요한 MCU의 성능이 어느 정도인지를 확인한 다음 제품을 선정하고 평가해 볼 수 있다. 부담 없는 가격으로 TI MCU를 평가하고 익숙해질 수 있다.

FRAM 활용하여 다양한 애플리케이션 구현
C2000의 고속연산처리 기술 강화

- ‘부스터팩(BOOSTERPACKS)’도 지원한다고 했는데.

요즘 NFC 개발 트렌드인데, NFC를 평가하고 싶다면 이 모듈로 쉽게 NFC 기능을 구현할 수 있고  블루투스 평가 또한 가능하다. 또한 조도센서, 온도센서 등 각종 센서들을 적용한 센서허브 애플리케이션을 웨어러블에 구현하는 것도 쉽다.

- 런치패드나 부스터팩과 같은 지원이 많이 늘어나는 추세인데.

아무래도 MCU를 실리콘 IC 레벨만으로 제공하는 것은 펌웨어 작업이라든지 회로 구현에 어려움이 많다. 이 때문에 개발 킷을 포함한 토털 솔루션을 지원해야 MCU를 쉽게 사용할 수 있는 환경이 되었다. 애플리케이션 키트까지 제공하는 것이 쉬운 일은 아니지만 바로 이런 것이 TI MCU의 경쟁력일 것이다.

- 마지막으로 TI MCU가 가고자 하는 방향을 말해달라.

TI의 MCU는 Cortex MCU 제품군 뿐만 아니라 자체 코어에 대한 기술을 상당히 많이 보유하고 있기 때문에 MSP시리즈의 로드맵도 계속 이어질 것이다. 또한 FRAM을 활용하여 다양한 애플리케이션을 구현할 수 있는 방향으로 발전시킬 계획이다. C2000인 새롭게 출시된 소프라노에는 오토모티브 분야의 삼각함수를 처리할 수 있는 TMU라든지, 고속의 ADC 모듈을 내장하고 있으며 PWM 기능도 강화되었다. 고객들은 새롭게 라인업을 갖추게 될 C2000의 소프라노를 이용해서 좀 더 파워풀한 애플리케이션을 구현할 수 있을 것이라고 생각한다.
 

 

 

[TI의 주요 MCU 소개]

1.초저전력과 최대의 성능 동시에 잡은 MCU


TI의 축적된 초저전력 기술 통해 전력 손실과 고성능을 동시에 잡은 MCU로서 동작 전력은 95uA, 대기 전력은 850nA만을 소모한다.

그 비결은 통합 DSP(Digital Signal Processing) 엔진과 ARM Cortex-M4F 코어의 부동소수점 코어(FPU)로 신호 컨디셔닝과 센서 프로세싱과 같은 여러 고성능 애플리케이션을 가능하게 하였다. 또한 IoT에 중요한 보안을 AES(advanced encryption standard) 256 하드웨어 암호화 엑셀러레이터로 구성하여 제품과 데이터를 보호할 수 있고, IP 보호 기능을 통해 MSP432 MCU의 데이터와 코드를 보호할 수 있다. 이러한 기능들을 통해 더 많은 데이터를 처리하고, 고급 알고리즘을 통합하는 것이다.

MSP432 MCU는 효율적인 데이터 처리와 향상된 저전력 성능을 필요로 하는 산업 자동화, 빌딩 자동화, 산업용 센싱, 산업용 보안 패널, 자산 관리, 소비자 가전 등의 초저전력 임베디드 애플리케이션에 적합하다.
 
2.정전 시 저장/복원 기능으로
산업화 시스템의 특화된 ‘MSP430 FRAM’ MCU


스마트 공장의 자동화는 비용절감과 에너지 효율에 큰 변화를 가져올 것으로 보인다. 그만큼 다양한 성능을 제어하는 MCU의 수요가 높아질 것으로 예상하는 가운데 산업 자동화 및 미터링 애플리케이션에서 시스템 비용 낮춰주는 TI의 MCU 솔루션이 있다.

고집적 MSP430 FRAM 마이크로컨트롤러는 컨텍스트 저장과 복원 기능을 구현한다. 혁신적인 CTPL(Compute Through Power Loss) 기술을 가진 TI는 예기치 않은 정전 시 인텔리전트 시스템 복원 기능으로 즉시 웨이크업이 가능하다.

또한 TI의 CTPL 기술을 적용한 신제품 MSP430FR6972 MCU는 통합 스마트 아날로그 및 디지털 주변장치를 포함하고 있어 시스템 비용과 소비 전력, 크기를 줄여준다. 여기에는 저전력 세그먼트 LCD 컨트롤러, 윈도우 비교기(Comparator)가 내장된 12bit 차동 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 256bit AES 액셀러레이터 등이 포함된다.



3.리얼타임을 보다 쉽게 구현할
C2000™ 고성능 델피노(Delfino™) 론치패드 개발 키트


개발자들의 가장 어려운 점은 MCU의 특정하고 다양한 기능들을 실현시키는데 있을 것이다. 하지만 초보자들이나 개발 시간이 촉박한 사용자들에겐 여간 힘든 일이 아닐 수 없다. 그래서 각 업체들은 개발 패드들을 출시하고 있는데 TI는 합리적인 가격과 다양한 애플리케이션에 적용할 수 키트들을 꾸준히 내놓고 있다.

그 중에서도 C2000 델피노 F28377S MCU 론치패드는 C28x 코어와 CLA 실시간 보조 프로세서의 강력한 결합으로 400MIPS의 부동 소수점 성능을 달성하면서 기존 C2000 론치패드 보다 더 높은 성능 수준을 제공한다.

디지털 파워 부스터팩 및 모터 드라이브 부스터팩과 호환되고, 다양한 소프트웨어 지원을 제공하여 개발이 보다 쉬워진다. 델피노 론치패드는 디지털 전원, 태양광, 모터 제어 및 산업용 드라이브 애플리케이션에서 고성능 제어 시스템 개발을 위한 진입 장벽을 획기적으로 낮춰준다.