[첨단 헬로티]

타이밍 디바이스는 수십 년 간 통신, 무선 인프라, 고속 통신 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 담당해 왔던 주연급 부품이다. 이에 반해 클럭 발생기, 버퍼, 발진기는 수많은 네트워킹 및 통신 시스템에서 그리 주목받지 못한 씬 스틸러(Scene stealer)에 가깝다. 사실, 타이밍 부품이 없다면 인터넷은 교착 상태에 빠지고, 오늘날 바퀴 달린 고속 네트워크가 되고 있는 자동차들은 타이밍 칩이 없다면 주행을 멈추어야 할 것이다.

타이밍은 반도체 산업의 미래를 움직이는 자동차 업계의 두 가지 메가 트렌드로 인해 자동차 시장에서 수요가 매우 높아지고 있다. 첫 번째 트렌드는 하이브리드·전기차(EV) 도입에 따른 전기화다. 자동차 업계가 지속적으로 배터리 비용은 낮추고 충전 성능은 높이면서 EV 주행 거리를 확장함에 따라 향후 십여 년간 EV의 채택은 급증할 것이다. 

이와 함께 자동차가 더 스마트해지고 센서와 지능형 시스템으로 무장하면서 두 번째 트렌드인 자율주행을 실현하고 있다. 최근 몇 년 사이 충돌회피 감지 및 제동, 자동주차, 차선변경 센서를 비롯한 운전지원 기술들이 하이엔드 차량에 기본적으로 장착되고 있다. 이러한 고급 기능들이 점차 중형급 모델로 옮겨 감에 따라 다음 세대의 새로운 주자는 운전자의 인식과 안전을 비롯해 전반적인 운전자 경험을 더욱 향상시켜주는 새로운 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)과 자율주행, 스마트 텔레매틱스가 될 것이다.

반도체 기술의 발전은 자동차 전기화와 자율주행을 뒷받침하는 혁신을 이끌고 있다. 시장조사회사인 IHS마킷에 따르면 자동차 한 대에 들어가는 반도체 부품은 매년 약 8%씩 늘어나 2013년 312달러에서 2025년에는 652달러로 두 배 이상 성장할 전망이다. 하이브리드·전기차 및 ADAS용 전자장치는 가장 빠르게 성장하는 자동차 시장 부문으로 각각 연평균 29%, 13%씩 성장하고 있다.

표 1. 새롭게 떠오르는 자동차 애플리케이션

수정 부품 사용 시 단점 

최근 수년 간 자동차 시장의 혁신 속도가 점점 더 빨라지고는 있지만, 자동차 시장에서 뒤처져 있는 기술 분야 중 하나 타이밍 기술이다. 타이밍 기술은 ADAS와 자율주행차, 인포테인먼트 애플리케이션에서 레퍼런스 클럭을 제공하는 데 사용된다. 지금까지 자동차 시스템 개발자들은 이러한 애플리케이션에서 레퍼런스 타이밍을 제공하기 위해 수정 진동자(Quartz crystal)와 수정 발진기(Crystal oscillators)에 의존해 왔다. 시스템의 레퍼런스 타이밍 복잡성이 증가할 때, 이를 해결하기 위한 가장 손쉬운 방법은 그저 매번 새로운 설계에 더 많은 수정 기반 부품을 추가하는 것이었다. 

그러나 이 방법은 여러 가지 단점과 한계를 갖는다. 설계에 더 많은 부품을 추가할 때 발생하는 비용과 복잡성 외에도, 수정은 본질적으로 충격과 진동의 영향에 민감하며, 이는 시스템의 장기적인 신뢰성에 영향을 미친다. 뿐만 아니라 자동차 애플리케이션은 일반적으로 흔히 -40 ~ +105℃의 넓은 동작 온도 범위를 필요로 한다. 장기간 높은 온도에서 동작하는 것은 수정 기반 부품의 노후화와 제품 수명 주기에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 전체적으로 수정의 이러한 한계들은 자동차 하드웨어 개발자들이 점점 더 복잡해지는 전체 시스템 설계에 맞춰 확장 가능한 솔루션을 개발하기 어렵게 만든다. 

과거에는 여러 개의 디스크리트 주파수 레퍼런스를 대체하기가 극히 어려웠다. 전통적인 클럭 IC 솔루션은 정수형이 아닌 소수형 주파수를 발생해야 할 때 주파수 합성 제한이나 클럭 지터 성능의 저하로 인해 단일 디바이스로 여러 개의 독자적인 주파수를 발생할 수가 없었다. 또한 여러 개의 디스크리트 수정 레퍼런스를 단일 클럭 IC로 대체할 경우 인쇄회로기판(PCB)의 신호 라우팅이 더욱 복잡해지고 긴 트레이스에서 클럭 신호의 분배가 필요했다.

자동차를 위한 새로운 타이밍 기술의 발전

이제는 이러한 시스템 수준의 기술 과제를 해결해 주는 새로운 레퍼런스 클로킹 솔루션을 사용할 수 있게 됐다. 이들 솔루션은 주파수 유연성이 뛰어나 지터를 크게 감소시켜 단일 IC에서 정수형이 아닌 소수형 주파수 여러 개를 발생할 수 있다. 또한 통합된 신호 무결성 튜닝 기능을 지원해 PCB 클럭 라우팅과 분배를 간소화한다. 유사한 타이밍 솔루션이 수년간 네트워킹, 통신, 무선 인프라 및 산업 애플리케이션에서 사용되어 왔다. 이처럼 발전한 타이밍 기술을 이용하려면 자동차 하드웨어 설계자는 새로운 설계를 위한 고도로 통합된 레퍼런스 클러킹 솔루션을 선택할 때 지터 성능과 주파수 유연성, 신호 무결성을 고려해야 한다[표 2].

표 2. 자동차용 레퍼런스 클러킹 솔루션의 선택 기준

EV와 ADAS가 자동차 시장에서 전기화의 새로운 물결을 일으키고 있는 가운데, 자동차 애플리케이션에서 기술 혁신의 속도는 계속해서 빨라지고 있으며 이러한 성장세가 둔화될 기미는 보이지 않는다. 실리콘 기반 타이밍 솔루션은 수년 동안 네트워킹 및 통신 시장에서 성능과 시스템 수준에서의 신뢰성을 향상시켜 왔다. 이제 자동차 시장에서도 유사한 타이밍 기술의 이점을 활용할 수 있게 됨에 따라, 자동차 업계는 자동차 애플리케이션에서 시스템 신뢰성을 향상시키고 비용과 복잡성을 감소시키는 통합된 클러킹 솔루션을 보다 쉽게 채택할 수 있을 것이다.

글 : 제임스 윌슨(James Wilson) 실리콘랩스(Silicon Labs) 타이밍 제품 제너럴 매니저