[헬로티]
카일 벡마이어(Kyle Beckmeyer) 실리콘랩스(Silicon Labs) 타이밍 제품 수석 마케팅 매니저
자동차 전자장치가 어느 때보다 빠르게 발전하고 있다. 제조업체들이 기능이 풍부한 인포테인먼트 시스템과 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)을 제품 라인에 도입하는 동시에 완전 자율주행차를 개발하는 데 따른 변화다.
첨단 반도체 기술은 이러한 새로운 자동차 시스템의 빠른 개발과 배치에 기여하고 있다. 반도체 제조업체들은 고대역폭 프로세서, GPU, 고속 PCI-Express 스위치, 이더넷 스위치 SoC/PHY 및 FPGA를 포함하여 자동차 등급 제품을 점점 더 많이 선보이고 있다.
최신 세대의 자동차 등급 IC 플랫폼과 커넥티비티 솔루션의 채택은 시스템 기능과 특징, 성능, 비용을 크게 향상시키지만, 그와 함께 시스템 설계자에게 새로운 설계 복잡성 과제를 안겨준다.
이러한 과제의 하나가 자동차 네트워킹 게이트웨이, 인포테인먼트, 디지털 조종석, ADAS, 라이다, 자율주행 제어 장치에 사용되는 프로세서, FPGA, 스위치 SoC, 이더넷 PHY, USB PHY 및 PCIe-Express Gen3/4 엔드포인트에서 고속 SerDes를 위한 고정밀, 저지터 레퍼런스 클록에 대한 증가하는 요구를 충족하는 것이다.
이와 같이 진화하는 새로운 애플리케이션에서 정밀 레퍼런스 클록의 수는 꾸준히 늘고 있어서 다양한 주파수와 300fs의 낮은 RMS 위상 지터 요구사항을 갖는 단일 종단과 차동 클록 형식을 결합할 필요가 있다.
자동차 전자장치의 진화
지금까지 자동차 시스템 설계는 낮은 대역폭의 프로세서와 마이크로프로세서를 사용해 왔으며, 이에 따라 각 보드 설계에 한두 개의 단일 종단 레퍼런스 클록 주파수만 필요했다.
이 경우 단순히 한두 개의 쿼츠 크리스털 또는 크리스털 발진기만 사용하기 때문에 이러한 타이밍 요구사항을 만족하는 것은 간단했다.
최근 자동차 전자장치 설계에서 레퍼런스 클록 수가 증가하고 있으며, 타이밍 요구사항을 만족하는 가장 쉬운 방법은 더 많은 쿼츠 크리스털 또는 발진기를 추가하는 것이다. 하지만 쿼츠 기반 부품 수를 확장하는 방법은 많은 단점과 제한을 갖는다.
보드 공간과 비용을 증가시키는 외에도 쿼츠 크리스털과 발진기는 본질적으로 충격과 진동 고장이 발생하기 쉽고 높은 고장률(FIT)을 갖는다. 쿼츠 크리스털과 발진기 수가 증가하면 시스템 설계에서 고장 지점의 수와 장기적 신뢰성 리스크가 증가한다.
수년 동안 통신, 컴퓨팅, 산업, 소비자용 시장에서는 정밀 레퍼런스 클록 타이밍 요구사항을 만족하기 위해 쿼츠 크리스털과 발진기 대신 실리콘 기반 통합 클록 발생기 솔루션을 사용해 왔다.
정밀, 저지터 레퍼런스 클록은 고속 설계에서 적절한 시스템 동작을 보장하고 비트 오류율을 최소화하는 데 매우 중요하다. 프로세서 속도와 SerDes 대역폭 레벨이 증가함에 따라 레퍼런스 클록에 대한 지터 요구사항을 점점 더 만족하기 어려워지고 있다.
최신 세대의 자동차 네트워킹 게이트웨이, ADAS 센서 및 자율주행 플랫폼은 고대역폭 프로세서, FPGA, 1G/10GbE 커넥티비티, PCI-Express Gen3/4/5 데이터 버스를 사용하며, 이는 500 fs RMS 미만의 위상 지터를 갖는 차동 클록을 필요로 한다.
클록 발생기는 최대 8개 쿼츠 크리스털 또는 발진기 기능을 단일 IC에 통합할 수 있으며, 클록 출력에 탁월한 RMS 위상 지터 성능(<300 fs RMS)을 제공하면서 시스템 레퍼런스 클록 설계를 간소화하도록 도와주는 다수의 추가적인 기능과 장점을 제공한다.
증가하는 클록 트리 요구사항
최적의 타이밍 솔루션을 선택하고 정의하는 것은 시스템 설계에 필요한 레퍼런스 클록 세트를 요약하는 것으로 간소화할 수 있다. 레퍼런스 클록 세트는 종종 '클록 트리'라고 한다.
클록 트리는 일반적으로 입력 레퍼런스 주파수, 엔드포인트에 필요한 출력 클록 주파수, 클록 출력 형식 레벨, 그리고 각 레퍼런스 클록에 대한 최대 지터 성능 레벨을 포함한다. 이는 보통 각 엔드포인트 디바이스 제조업체가 지정한다.
현재 시장에 출시 중인 새로운 자동차 프로세서, FPGA, 커넥티비티 및 데이터 버스 반도체 솔루션 외에도 이제 자동차 애플리케이션에서 증가하는 클록 트리 설계의 복잡성을 간소화하기 위해 AEC-Q100 인증을 획득한 실리콘 기반 타이밍 솔루션을 사용할 수 있다.
레퍼런스 클록을 통합 클록 발생기에 결합함으로써 시스템 설계자는 고장 지점을 줄이고 시스템 신뢰성을 증가시키면서 지터 성능과 주파수 유연성에서 상당한 이점을 실현할 수 있다. 그 밖에 레거시 쿼츠 기반 디바이스에 비해 보드 공간 절약, 전체 솔루션 비용 감소 등의 이점이 있다.
자동차 타이밍 솔루션의 향상
최신 세대 AEC-Q100 인증 클록 발생기는 동일한 디바이스에서 분수와 정수 관련 출력 주파수를 모두 생성하는 것 외에도 자동차 전자장치 타이밍 설계를 간소화할 수 있는 새로운 기능이 풍부하다. 이들 기능은 모두 기존 쿼츠 크리스털이나 발진기 솔루션에서는 찾아볼 수 없다.
ISO26262 및 ASIL 요구사항이 도입됨에 따라 안전은 항상 모든 자동차 전자장치 설계에서 가장 우선적으로 간주된다. 이러한 요구사항은 또한 새로운 설계 과제를 제공한다.
시스템 설계자는 중복 구성되는 일차 및 백업 레퍼런스 입력이 있는 클록 발생기, 건강 상태 모니터링 기능, 그리고 시스템 안전 관리자 IC와 직접 통신할 수 있는 오류 검출 표시기를 사용하여 설계의 타이밍 부분에서 시스템 안전 레벨 목표를 만족할 수 있다.
과거에 자동차 전자장치 시스템 설계자들은 CISPR25 Class4 또는 Class5 제한을 만족하기 어려운 전자파 방출 가능성으로 인해 클록 발생기 채택을 꺼려했다.
확산 스펙트럼은 방출을 감소시키는 일반적인 특성을 갖지만, 확산 스펙트럼을 적용한 레퍼런스 클록을 견딜 수 있는 주파수와 엔드포인트 수가 제한된다.
실리콘랩스에서 수행한 최근 연구와 CISPR25 테스트에 의하면 새로운 레이아웃 가이드라인과 시행지침에 따라 상보형 LVCMOS 출력 드라이버를 사용하여 단일 종단 클록을 발생시키면 클록 방출을 최소화하고 긍정적인 CISPR25 Class4 및 Class5 테스트 결과를 제공하는 것으로 나타났다.
최신 세대 AEC-Q100 인증 클록 발생기는 완전히 프로그래밍 가능하므로 시스템 설계자는 커스터마이즈된 디바이스가 개발되기를 기다리는 대신 몇 분만에 특정 세트의 클록 트리 요구사항에 솔루션을 완벽하게 커스터마이즈할 수 있다.
만약 제품 개발 중에 변경이 필요하면, 사용자 친화적인 소프트웨어를 이용하거나 I2C 포트를 사용해 직접 시스템 내에서 쉽게 변경할 수 있다.
자동차 제조업체는 탑승객 안전과 경험을 향상시키는 데 중점을 두고 첨단 반도체 프로세서, FPGA, GPU, 이더넷 스위치/PHY를 활용하는 새로운 네트워킹, ADAS, 자율주행 시스템을 신속하게 채택하고 있다.
이러한 새로운 고대역폭 플랫폼을 채택할 경우 설계 복잡성이 증가하며, 동시에 고정밀, 저지터, 단일 종단 및 차동 레퍼런스 클록에 대한 요구가 증가한다.
자동차 등급, AEC-Q100 클록 발생기는 설계자에게 전체 클록 트리를 단일 IC에 통합하면서 기존 쿼츠 기반 크리스털 및 발진기 솔루션에 비해 신뢰성을 증가시키고 시스템 비용을 줄여주는 통합, 고성능 솔루션을 제공한다.
저자 카일 벡마이어(Kyle Beckmeyer)는 실리콘랩스의 타이밍 제품 수석 마케팅 매니저이다. 데이터 센터와 자동차 시장에서 제품 전략, 신제품 소개 및 사업 개발을 관리하고 있다. 15년 이상의 타이밍 제품 경험을 갖고 있으며, UC데이비스대학교에서 전기공학 학사를, 산타클라라대학교에서 경영학 석사학위를 받았다.
