자동차 PCIe 중계기 – 안정적인 신호의 고속 이동

작가 Rick Wang | 2023년 10월 17일 | 모두, 자동차, 추천

이번 기사는 자동차 기술에 대한 5부작 시리즈 중 4번째 기사입니다. 이번 편에서는 자동ㅈ차 전기/전자(E/E) 아키텍처와 Pcie 중계기 직접회로(ICs)의 기회의 맥락에서 차량용 네트워크의 발전에 대하여 논의 할 것입니다.

자율 주행 기술과 지능형 운전(intelligent cockpit)의 등장을 논의 할 때 자동차 E/E 아키텍처의 진화를 간과할 수 없습니다. 이전 기사에서는 중앙 집중식 아키텍처로의 전환이 기존 eMMC와 UFS 플래시 메모리 보다 강력한 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 3.0 및 PCIe 4.0 SSD로 데이터 스토리지 기술의 진화를 이끌었다고 설명했습니다.

마찬가지로, 자동차 네트워크 또한 기술의 진보를 거듭해 왔습니다. PCIe 기술에서 선두적인 위치를 점유하고 있는 Phison은 CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), MOST(Media-orient Systems Transport), FlexRay 및 Ethernet과 같이 잘 알려진 표준 외에도 PCIe 인터페이스의 잠재적 기회에도 주목하고 있습니다. PCIe는 광범위한 생태계를 지원하는 것 이외에 매우 짧은 대기 시간, 뛰어난 확장성, 높은 대역폭 및 신뢰성을 제공합니다. 이러한 장점은 PCIe를 자동차 차량 네트워크 시스템에서 잠재적인 핵심 요소로 자리매김하게 합니다. Phison은 PCIe가 자동차 산업의 미래에 중요한 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다.

과거 자동차 프로토콜의 역사

IVN(차량 내부 네크워크) 프로토콜의 발전은 자동차의 발전에 중요한 역할을 해왔습니다. IVN은 차량 내의 다양한 마이크로컨트롤러, ECU(Electronic Control Unit), 센서 및 액추에이터를 연결하여 통신 및 협업을 가능하게 함으로써 기능성을 향상시키고 운전 경험을 향상시킵니다.

IVN 프로토콜 포함

CAN（controller area network）

CAN은 1980년대 초에 발명되었으며, 자동차 데이터 전송 프로토콜의 시작을 의미합니다. CAN은 직렬 버스 프로토콜로서 차량 내 ECU와 서브시스템이 서로 통신할 수 있습니다. CAN은 신뢰성과 강력한 내결함성으로 잘 알려져 있으며, 현재 널리 사용되고 있습니다. 그러나 자동차 제조업체는 차량의 모든 부품에 CAN을 구현하는 것이 강력한 기능 및 신뢰성에 도움이 됨에도 불구하고 가격이 높다는 것을 알고 있습니다.

LIN（local interconnect 네트워크）

2002년에 LIN 컨소시엄은 저비용 직렬 통신 프로토콜을 도입했습니다. LIN은 특정 시나리오에서 CAN의 대안으로 사용되며 일반적으로 성능, 데이터 대역폭 및 보안이 덜 중요한 차량의 서브시스템에 사용됩니다. 서브시스템에는 윈드쉴드 와이퍼, 윈도우, HVAC, 시트 모터, 도어락 등의 기능이 포함됩니다.

MOST（media-oriented systems transport）

1998년, 멀티미디어 및 엔터테인먼트에 대한 수요 증가에 따라 MOST 프로토콜이 도입되었습니다. 광섬유를 이용하여 고품질 오디오 및 비디오 데이터를 전송하기 위한 고속 솔루션을 제공했습니다. 2007년에 출시된 MOST150은 최대 150Mbps의 속도를 달성했습니다. 하지만, 자동차 엔터테인먼트 시스템이 더 높은 대역폭을 요구하기 시작하면서 MOST는 점차 자동차 이더넷에 자리를 내주고 시간이 지남에 따라 그 중요성이 감소했습니다.

FlexRay

2006년, BMW는 새로운 고속 어댑티브 댐핑 시스템의 통신 프로토콜로 FlexRay를 처음으로 채택하였습니다. FlexRay는 CAN FD의 5Mbps보다 빠른 최대 10Mbps의 데이터 속도를 지원하며, 중복 설계와 향상된 실시간 기능을 통해 높은 내결함성을 제공했습니다. 결과적으로 고성능 파워트레인 시스템과 안전 애플리케이션에 적합했습니다. 그러나 높은 비용과 복잡성으로 인해 독일 자동차 회사에서만 적용되었습니다. 고속 요구 사항과 비용 민감도가 가장 중요한 애플리케이션에서 FlexRay도 점차 이더넷으로 대체되고 있습니다.

Ethernet

2008년 초 BMW는 이더넷을 외부 진단 및 소프트웨어 업데이트를 위한 인터페이스로 채택하는 데 선두적 역할을 하였습니다. 하지만, 2016년이 되서야 기존 IVN 프로토콜은 고속 데이터 전송 시나리오에 점차 적합하지 않음이 확인되었습니다. 이러한 필요성에 따라 IEEE는 IEEE 802.3bw(100Base-T1) 및 802.3bp(1000Base-T1)를 포함하는 자동차 이더넷 표준을 도입하였으며, 각각 100Mbps 및 1000Mbps의 속도를 가지고 있습니다. 이러한 표준은 케이블, 인코딩, 무게 및 길이와 같은 기존 IT 환경이 달라지면서, 자동차 환경에 맞게 채택되었습니다.

첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 기술의 발전과 센서, 레이더, 고해상도 비압축 비디오, 중앙 게이트웨이, 인포테인먼트 시스템, 헤드업 디스플레이, 고해상도 화면 및 5G 연결과 같은 다양한 자동차 응용 분야의 발전으로 인해 IVN에 대한 대역폭 요구 사항은 계속 증가해 왔습니다. 이러한 요구 사항은 CAN 버스(LIN, FlexRay 및 기타 기술뿐만 아니라)가 제공할 수 있는 것을 뛰어 넘는 것입니다. 그 결과, 2020년에 IEEE는 이러한 증가하는 요구 사항을 충족하기 위해 2.5Gbps, 5Gbps 및 10Gbps의 데이터 속도를 지원하는 802.3ch 표준을 도입했습니다.

앞으로 다양한 프로토콜 간의 경쟁 환경이 점진적으로 한곳으로 모일 것으로 예상이 됩니다. 생태계, 표준화, 대역폭 및 확장성 측면에서 분명한 이점을 가지고 있는 이더넷은 MOST, FlexRay 및 일부 CAN을 대체하여 첨단 차량에 필수적인 IVN 프로토콜이 될 준비가 되어 있습니다. 속도와 보안 요구가 덜 중요한 분야에는 저비용 LIN은 계속 존재할 것입니다. 한편, CAN/CAN-FD는 차체, 파워트레인, 섀시 및 진단을 위한 ECU 간의 주요 통신 프로토콜로 남아 있을 겁니다.

자동차 E/E 아키텍처가 도메인 기반 아키텍처에서 중앙 집중식 영역 아키텍처로 변화함에 따라 산업계에서는 PCIe에 대한 잠재적인 요구를 포함한 몇 가지 변화를 나타낼 것입니다.

Figure 1. 자동차 프로토콜 발전과정 흐름

The future architecture of IVN

IVN 표준의 발전은 자동차 산업의 지속적으로 변화하는 수요와 기술 발전에 의해 주도되고 있으며, 이러한 발전은 기본적인 통신에서 풍부한 멀티미디어, ADAS 및 고성능 기능의 실현으로 이어지는 자동차 전자 시스템의 발전을 의미합니다.

이더넷은 높은 데이터 전송률의 요구를 만족시킬 뿐만 아니라 중앙 집중식 아키텍처의 가능성을 가능하게 합니다. 과거에는 자동차 와이어링 하네스 케이블의 무게가 30kg까지 무거웠고 매우 복잡했습니다. 그러나 중앙 집중식 아키텍처 설계는 경량화, 검증 및 생산에 필요한 자원을 절감시키고, 더 많은 공간을 확보할 수 있습니다. 그림 2는 도메인 아키텍처와 중앙 집중식 존 아키텍처에서 다양한 IVN 표준을 채택하는 시나리오를 보여줍니다. 엣지 ECU의 수가 증가와 함께 중앙집중식 ZONE으로의 구조 전환은 와이어 하네스의 설계를 단순화 할 수 있습니다. 엣지에서 데이터는 구역 컨트롤러를 통해 사전 처리되고 계산된 데이터는 고속 이더넷을 통해 중앙 집중식 컴퓨팅 장치로 다시 전송되므로 광범위하고 복잡한 배선이 필요하지 않습니다.

Figure 2. 도메인 아키텍처 IVN과 영역 아키텍처 IVN 비교

높은 전송률, 낮은 지연속도의 PCIe는 어디에 있습니까?

실제로 PCIe 기술은 이미 PCIe Wi-Fi 칩, GPU, SSD, CHIP-TO-CHIP 상호 연결 등 자동차 시스템에 사용되고 있습니다. PCIe는 서버, 산업 및 소비자 전자 애플리케이션에 널리 채택된 매우 성공적인 기술입니다. 표준 대역폭이 몇 년마다 두 배씩 증가하는 미래 지향적인 개발 로드맵을 가지고 있습니다. 레인당 32GT/s의 데이터 전송 속도를 갖춘 PCIe 5.0은 멀티 레인 구성으로 뛰어난 확장성과 수십 나노 초(ns) 범위의 지연속도를 제공하여 마이크로초( µs) 단위로 측정되는 이더넷의 지연속도를 능가합니다.

PCIe의 또 다른 가치 있는 장점은 광범위한 에코시스템이라는 점입니다. 지난 20년 동안 PCIe는 포괄적이고 성숙한 에코시스템을 구축했으며 시장에서 다양한 PCIe 장치, 칩 및 전문가를 확보했습니다. Phison은 2021년 PCIe-SIG가 설립한 PCIe Automotive Working Group의 일원으로 에코시스템과 자동차 산업 표준 제정을 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.

현재 차량용 PCIe 적용 사례는 다음과 같습니다:

Figure 3. 자동차에서 PCIe의 잠재적인 사용 사례.

컴퓨팅 처리 확장

이것은 자동차에 가장 일반적인 PCIe 사용 사례로, 주로 운전자 지원 도메인 컨트롤러, 조종석 도메인 컨트롤러, 중앙 컴퓨팅 시스템 내 칩 간 통신(SoC(System-on-a-Chip), GPU 및 가속기 간 상호 연결 등)에 사용됩니다.

데이터 백본

현재 이더넷은 첨단 자동차 백본에서 주요 솔루션으로 남아 있으며, 특히 2020년 IEEE 802.3ch 표준이 도입된 이후 최대 10Gbps의 데이터 전송 속도와 최대 15m 길이의 STP(Shielded Twisted Pair) 케이블을 사용할 수 있으며, 이를 통해 경량화 및 데이터 전송 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 기존의 접근 방식은 장거리 ECU 상호 연결을 위해 NIC(Network Interface Card)를 사용하여 PCIe를 이더넷으로 변환한 후 대상 ECU에서 다시 PCIe로 변환하는 것을 포함합니다. 이러한 접근 방식은 초저지연성, 신뢰성 보장 및 DMA(Direct Memory Access) 지원 등 PCIe 프로토콜의 특정 이점을 상실합니다. PCIe는 여전히 차량의 장거리 신호 전송에서 기술적인 문제에 직면해 있지만, 첨단 시스템 요구 사항이 진화함에 따라 점차 더 주목받고 있습니다.

PCIe 기반 스토리지

이전 기사에서 언급한 바와 같이 차량 내 멀티미디어, ADAS, 이벤트 데이터 레코더(EDR), 고화질 맵 및 기타 애플리케이션 등이 풍부하기 때문에 더 빠르고 큰 스토리지 장치가 필요합니다. 아키텍처의 통합으로 고급 PCIe SSD를 지향하는 중앙 집중식 스토리지에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. PCIe SSD를 위한 두 가지 잠재적인 애플리케이션이 있습니다. 첫 번째 애플리케이션은 비교적 간단한데, 지능형 콕핏 시스템에서 흔히 볼 수 있는 한 개의 SoC에 한 개의 PCIe SSD 입니다. 두 번째 애플리케이션은 여러 개의 SoC에 다대 일 설계를 하여 중앙 집중 구역 아키텍처 내에 PCIe SSD를 포함하는 것입니다.

텔레매틱 컨트롤 유닛(TCU) 내 연결

TCU와 중앙 게이트웨이 또는 인포테인먼트 시스템 간의 연결이 하나의 잠재적인 사용 사례입니다. 그러나 아키텍처 설계가 다르기 때문에 4G/5G 모듈 또는 Wi-Fi 칩 간의 연결이 반드시 장거리 케이블 연결을 통한 것은 아닐 수도 있습니다. 또한 동일한 보드 상의 칩 간의 상호 연결일 수도 있습니다. 응용의 관점에서는 첫 번째 사용 사례와 세 번째 사용 사례 간의 하이브리드로 간주될 수 있습니다.

이러한 이유로 PCIe를 자동차 업계에서 채택하고 있으며, 전 세계의 전문가들이 PCI-SIG의 Automotive Workgroup에 모여 신뢰성, 보안, 기능적 안전, 열, 소음, EMI, 케이블 길이 등의 문제를 논의하고 있습니다. PCIe 기술의 문제점 중 하나는 복잡하고 어려운 차량 내 환경으로 인해 발생하는 신호 삽입 손실과 리턴 손실입니다. 따라서, PCIe 신호 조정 IC는 이러한 신호 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다.

PCIe Redriver/Retimer는 고품질 신호를 보장합니다

PCIe 전송률이 지속적으로 향상됨에 따라 특히 주요 자동차 칩 제조업체들이 PCIe Gen 5 (32 GT/s)를 채택함에 따라 신호 무결성(S/I) 문제가 더욱 심각해졌습니다. 심지어 초저손실 인쇄 회로 기판 (PCB)에서도 고속 신호는 상당한 어려움을 초래합니다. 또한 복잡한 시스템 설계에서는 커넥터, 케이블, 슬롯 및 AIC(Add-in Card)를 통과하는 신호가 종종 필요합니다. 그러나 CPU 칩과 엔드 장치 사이에 Redriver/Retimer와 같은 IC를 통합함으로써 고속 전송과 관련된 신호 무결성 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

PCIe Redriver와 PCIe Retimer는 둘 다 PCIe 신호를 처리하는 데 사용되는 IC이지만 기능과 응용 측면에서 약간의 차이가 있습니다

Redriver IC는 주로 신호 감소를 보상하는 신호 향상을 위해 사용됩니다. 이들은 마더보드 내와 같은 단거리 연결에 일반적으로 사용됩니다. 반면, Retimer IC는 신호를 향상시킬 뿐만 아니라 데이터를 복구하고 클록킹을 제공하며 데이터의 새로운 복사본을 재전송합니다. 이들은 장거리 전송 중 시퀀스 왜곡을 복구 및 보상할 수 있어 높은 데이터 레이트 전송 품질을 보장합니다. 따라서, Retimer IC는 주로 장거리 연결 및 데이터 센터 및 네트워크 장치와 같이 더 높은 신호 무결성(S/I)이 요구되는 애플리케이션에 사용됩니다.

요약하면, PCIe Redriver와 PCIe Retimer 모두 신호 조정 기능을 가지고 있지만, PCIe Retimer는 더 포괄적인 기능과 더 넓은 적응성을 가지고 있으며, 비용은 더 들 수 있지만 고품질 및 장거리 PCIe 연결 애플리케이션에 더 적합합니다.

Figure 4. Redriver와 Retimer IC의 비교.

Phison: 미래를 보고, 미리 준비

IVN과 E/E 아키텍처의 진화는 현대적인 주행 경험을 지원하기 위해 필수적인 두 가지 핵심 요소입니다. 과거 IVN은 주로 CAN, LIN, MOST 및 FlexRay와 같은 프로토콜에 의존했습니다. 그러나 광범위한 데이터 전송 요구를 가진 고급 설계가 이더넷으로 이동하고 있으며 PCIe에 대한 적용까지 진행되고 있습니다. 현재 PCIe의 사용은 비교적 제한적이지만 많은 장점을 가지고 있으며 Chip-to-Chip 상호 연결 및 데이터 저장에 중요한 역할을 하고 있으며, 업계의 광범위한 관심의 대상이 되고 있습니다. 그러나 고속 전송 중에 신호 손실 문제가 종종 발생하여 이를 해결하기 위해서는 PCIe Redriver/Retimer IC를 사용해야 합니다.

파이슨의 리드라이버 IC PS7101은 PCI-SIG 인증을 받은 세계 최초의 PCIe 5.0 리드라이버 IC이며 PS7101, 8채널 PS7102 및 16레인 PS7103의 솔루션 라인업은 마더보드 시장에서 60% 이상의 점유율을 차지하고 있습니다. 파이슨의 PCIe 5.0 리타이머 PS7201은 현재 샘플링 단계에 있으며 2024년에 양산에 진입할 것으로 예상됩니다. 관련 기술 및 시장은 아직 자동차 산업 초기 단계이지만 파이슨은 이미 자동차 파트너와 협력하여 IVN에 대한 PCIe 신호 솔루션을 모색하고 있습니다. 또한 파이슨은 자동차 PCIe 기술의 미래 발전에 대응하고 다가오는 도전과 기회에 대비하기 위해 자동차 등급 PCIe Redriver/Retimer 솔루션에 대한 투자를 하고 있습니다.