실리콘 드라이브: 마이크로프로세서가 자동차 아키텍처를 혁신하는 방법

현대 자동차 조립 공장에서 가장 눈에 띄는 변화는 차체를 용접하거나 몸체를 칠하는 로봇이 아니라, 각 차량에 설치되는 컴퓨팅 파워의 양입니다. 자동차가 전자 제어가 있는 기계 시스템에서 바퀴 달린 컴퓨터로 진화함에 따라, 반도체 설계 선택이 전력 관리부터 승객 안전에 이르기까지 모든 것을 재구성하고 있습니다. 이러한 자동차 아키텍처의 혁명은 헨리 포드의 조립 라인 이후 업계에서 가장 중요한 발전을 대표합니다.

존(Zonal) 혁명: 차량 컴퓨팅 재고찰

전통적인 자동차 전기 시스템은 독립된 영역의 복잡하게 얽힌 거미줄 같았으며, 각각 특정 기능을 관리하는 수십 개의 전자 제어 장치(ECU)가 있었습니다. 현대 차량은 이러한 장벽을 허물고 있으며, 강력한 도메인 컨트롤러가 차량의 물리적 구역 내에서 여러 기능을 관리하는 존(zonal) 아키텍처를 통해 이를 달성하고 있습니다. 이 아키텍처의 변화는 분산 시스템에서 클라우드 아키텍처로의 컴퓨팅 진화를 반영하며, 효율성과 전반적인 유지 관리에서 유사한 이점을 제공합니다.

Tesla의 차세대 지역 컨트롤러는 이러한 변화를 대표합니다. 혁신적인 칩렛 기반 설계를 활용하여 Tesla는 센서 퓨전과 의사 결정을 위한 18A노드 AI 처리 유닛과 방사선 경화 65nm 전력 관리 다이를 결합한 시스템을 만들었습니다. 이러한 통합 접근 방식은 배선 복잡성을 크게 줄이고 컨트롤러 비용을 절감합니다. 그러나 어떤 혁명적인 변화와 마찬가지로, 상당한 공학적 도전과제를 수반합니다. 팀은 이러한 집중 처리 센터에서 열 부하를 신중하게 관리하면서 기존 시스템과의 원활한 통합을 보장해야 합니다.

안전-중요 컴퓨팅: 실패가 옵션이 아닐 때

자동차 안전의 세계에서, ASIL-D는 거의 완벽을 요구하는 업계 표준입니다. 이는 Automotive Safety Integrity Level D를 의미하며, 운영 시간당 10억 시간 미만의 위험한 실패를 요구하는 가장 높은 수준의 요구 사항입니다. 이를 관점으로 보면, 이는 연속 운영 114,000년에 한 번의 실패와 동등합니다.

Renesas의 RH850 패밀리는 현대 마이크로프로세서가 이러한 특별한 요구 사항을 어떻게 충족하는지 보여줍니다. 이 칩들은 삼중 코어 록스텝 처리를 통해 지속적으로 자신의 작업을 상호 검증하며, 실시간으로 오류를 감지하고 수정합니다. 모든 메모리 작업은 오류 정정 코드(ECC)로 보호되며, 중복 센서 입력은 신뢰할 수 있는 데이터를 제공합니다. ASIL-D 준수 구현은 구성 요소 비용을 증가시키지만, 승객 안전에 대한 협상 불가능한 투자입니다.

전력 관리: 전기 혁명의 숨겨진 도전

전기 자동차는 상대적으로 간단한 12V 시스템에서 여러 전압 도메인의 복잡한 조화로 자동차 전력 관리를 변모시켰습니다. 현대 EV는 세 가지 독특한 전력 네트워크를 조율해야 합니다:

Altium Enterprise

Solutions for the Automotive Industry

Learn More

• 주 추진력을 위한 고전압 시스템(800V/400V)
• 능동 서스펜션과 같은 전력을 많이 소모하는 기능을 위한 중간 48V 시스템
• 기존 자동차 구성 요소를 위한 전통적인 12V 시스템

Texas Instruments의 최신 48V 갈륨 나이트라이드(GaN) 전력 관리 집적 회로 (PMICs)는 고급 반도체가 이러한 복잡성을 어떻게 마스터하는지 보여줍니다. 이 칩들은 충전 손실을 현저히 줄이면서 재생 제동을 위한 양방향 전력 흐름을 가능하게 합니다. 영향은 효율성 숫자를 넘어서며 – 전력 변환 효율성에서 10%의 개선은 배터리 크기나 무게를 증가시키지 않고도 5% 더 큰 범위로 이어집니다.

센서 융합과 AI: 자동차에게 사고하는 법 가르치기

NVIDIA의 블랙웰 자동차 플랫폼은 처리 능력에서 혁신적인 도약을 나타내지만, 실제 혁신은 여러 데이터 스트림을 차량 환경의 일관된 이해로 통합하는 방법에 있습니다. 이 플랫폼은 12개 이상의 카메라, 레이더 유닛, 그리고 LiDAR 센서로부터의 입력을 처리하면서, 일반 노트북보다 적은 전력을 소비합니다. 이 효율성의 돌파구는 범위에 크게 영향을 주지 않으면서 4단계 자율 주행 능력을 가능하게 합니다.

블랙웰 시스템의 고급 열 관리는 살아있는 유기체처럼 변화하는 조건에 적응합니다. 통합된 액체 냉각 채널은 동적 전압 조정과 함께 작동하며, 선택적 코어 활성화는 처리 능력이 가장 필요한 곳과 시간에 사용할 수 있도록 보장합니다. 이러한 진보는 자율 주행을 가능하게 하고 일상적인 사용을 실용적으로 만듭니다. 

연결된 자동차: 이동 중 보안

차량이 더 큰 교통 네트워크의 노드가 되면서, 안전한 통신은 물리적 안전만큼 중요해졌습니다. 앞서 언급한 르네사스 RH850 프로세서 제품군 중 일부는 양자 내성 암호화와 전용 보안 코어를 포함하는 새로운 접근 방식을 제공합니다. 이 시스템들은 메시지를 인증하고 암호화하는 동시에 엄격한 대기 시간 요구 사항을 충족해야 하는 미묘한 균형을 유지해야 합니다 – 모든 안전 관련 통신은 100밀리초 이내에 완료되어야 합니다.

이러한 연결성의 함의는 개별 차량을 훨씬 넘어섭니다. 차량이 고속도로에서 블랙 아이스나 갑작스러운 장애물을 감지할 때, 이 정보는 악의적인 행위자들이 네트워크에 거짓 데이터를 주입하는 것을 방지하면서 인근 차량과 즉시 안전하게 공유될 수 있습니다. 

PCB Design Solutions

For the Automotive Industry

Learn More

소프트웨어 정의 차량: 공중을 통한 진화의 시대

현대 차량은 거의 모든 기능을 소프트웨어가 제어하는 이동 데이터 센터가 되었습니다. 이 변화는 프로세서 아키텍처에 대한 깊은 함의를 가지고 있습니다. 테슬라의 구현은 공중을 통한 업데이트로 리콜 관련 서비스 센터 방문을 50% 줄이는 이점을 보여줍니다. 하지만 더 중요한 것은, 이를 통해 지속적인 개선이 가능해진다는 것입니다 – 차량이 소프트웨어 최적화를 통해 시간이 지남에 따라 실제로 더 나아집니다.

이러한 소프트웨어 정의 기능으로의 전환은 프로세서 설계와 메모리 아키텍처에 새로운 접근 방식을 요구합니다. 자동차 시스템은 이제 다음을 요구합니다:

• 실패 안전 업데이트를 위한 중복 저장소
• 동적 코드 로딩을 위한 고급 메모리 관리
• 실행 전 모든 코드 라인을 검증하는 안전한 부팅 프로세스. 

NXP와 같은 회사들은 새로운 소프트웨어를 한 은행에서 로드하고 검증할 수 있게 하면서 현재 버전이 다른 은행에서 계속 실행되도록 하는 이중 은행 플래시 메모리 아키텍처를 선도하고 있습니다. 이는 업데이트가 문제에 직면할 경우 차량이 이전 버전으로 안전하게 돌아갈 수 있도록 보장합니다. 이 접근 방식은 전통적인 자동차 개발 주기를 변화시킵니다. 새로운 모델 연도에 새로운 기능이 나타나기를 기다리는 대신, 소비자들은 정기적인 소프트웨어 업데이트를 통해 기존 차량에 상당한 개선을 받을 수 있습니다. 이는 제조업체와 고객 간의 관계를 근본적으로 변경합니다.

앞으로의 길: 2025-2030

다음 5년 동안 자동차 컴퓨팅을 재구성할 약속하는 세 가지 신흥 기술이 있습니다.

1. 실리콘 카바이드(SiC) 전력 전자는 효율성의 경계를 넓히고 있으며, 최대 200°C의 온도에서 작동하면서 모터 드라이브에서 극도로 높은 효율성을 달성합니다. 이 진보만으로도 냉각 시스템 요구 사항을 줄일 수 있으며, 이는 차량의 무게와 복잡성에 대한 연쇄적인 이점을 가져올 수 있습니다.
2. 신경형 센서는 차량이 환경을 인식하는 방식에서 패러다임 변화를 대표합니다. 이벤트 기반 비전 처리로 생물학적 시스템을 모방함으로써, 이 센서들은 데이터 대역폭 요구 사항을 세 자릿수로 줄이면서 도전적인 조명 조건에서의 성능을 향상시킵니다.
3. 고대역폭 메모리 기술, 특히 3D 스택 DRAM은 센서 융합 응용 프로그램에서 처리 병목 현상을 없애고 있습니다. 1TB/s에 가까운 대역폭 능력과 비트당 50% 낮은 전력 소비로, 이러한 진보는 센서 데이터의 실시간 처리를 그 어느 때보다도 실현 가능하게 만듭니다.

미래 공학

차량을 소프트웨어 정의 플랫폼으로 변환하는 것은 차량이 될 수 있는 것에 대한 근본적인 재상상을 대표합니다. 이 새로운 시대에서의 성공은 성능 대 전력 소비, 보안 대 실시간 운영, 안전 대 비용 최적화와 같은 경쟁 요구 사항의 미묘한 균형을 요구합니다.

자동차 엔지니어들에게 반도체 추세를 이해하는 것은 기계 공학 원리를 아는 것만큼이나 기본이 되었습니다. 차량이 복잡한 컴퓨팅 플랫폼으로 진화를 계속함에 따라, 안전성, 신뢰성, 비용 효율성에 대한 업계의 엄격한 요구 사항을 충족하면서 이러한 기술을 효과적으로 통합할 수 있는 사람들이 미래를 소유하게 될 것입니다.