광학 인터페이스에서 원격 무선 헤드와 레이더형 시스템의 처리 모듈 간 통신 채널로 사용되는 10GbE은 지연도가 낮고 한결 같은 처리력을 보여주며 프로세싱 카드의 프로토콜 해석에 필요한 글루 로직도 필요 없다. 이러한 특징은 키스톤 Ⅱ 아키텍처 계통 프로세서의 우수한 신호 처리력과 함께 전체 비용 및 레이더 시스템의 복잡성을 줄여준다.

프로세서 기술이 발전하고 외부 세계와 통신하기 위한 고속 주변장치의 수가 몇 배나 증가하면서 프로세서는 매우 강력한 축소형 복합 시스템이 되었다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 키스톤(KeyStone)TM Ⅱ 아키텍처 기반 프로세서 라인은 복합적인 이기종 프로세서로서 최대 드라이스톤 19600DMIPS(초당 백만 드라이스톤), 198.4GFLOPS(초당 기가 부동소수점 연산), 352GMACS(초당 기가 곱셈 및 누산 연산)라는 어마어마한 처리력을 보인다.

그림 1. 통상적인 레이더

이 디바이스의 포트폴리오(66AK2H14, 66AK2E05, AM5K2E04 SoC)에는 집적식 DSP 코어와 ARM® Cortex®-A15 MPCoreTM가 있으며 다중 10GbE(기가비트 이더넷) 포트, 1GbE 포트, PC IE 레인, USB 3.0 등 다양한 주변장치가 들어 있다. 보드의 복잡성과 임무 수행에 필수적인 레이더, 고성능 연산이나 미디어 게이트웨이, 우주항공, 산업 및 네트워크용 애플리케이션의 일반 임베디드 연산에 사용하는 시스템의 BOM 비용을 낮추기 위해 이와 같은 프로세서를 사용한다.

여기서는 10GbE 인터페이스와 키스톤 Ⅱ 아키텍처 기반 프로세서가 레이더처럼 시각을 다투는 복잡한 시스템을 어떤 식으로 처리하는지 살펴본다.

그림 2. XFP 인터페이스

기존 레이더는 SFP/SFP＋ 인터페이스를 이용하여 아날로그 프론트 엔드(AFE ; 무선 헤드)에서 신호 처리 모듈로 고대역 데이터를 전송한다. 무선 헤드는 글루 로직(Glue Logic) 상에서 저전압 차동 신호(LVDS)/JESD204B 인터페이스를 통해 고속 ADC에서 데이터를 받아 기본 대역 주파수로 하향 변환한다. 하향 변환된 데이터는 신호 처리 모듈로 전송된다. 

신호 처리 모듈에는 SRIO(Serial RapidIO®)나 신호 처리용 PCIe 인터페이스를 통해 신호 프로세서(SP)로 데이터를 보내기 위해, 데이터를 받을 수 있는 FPGA 기반 SFP/SFP＋(장착형 소형 폼팩터 트랜시버) 인터페이스가 필요하다.

프로세서상에 10GbE 인터페이스를 통합한 이 10GbE 레인을 이용하면 AFE에서 SP로 데이터를 직접 전송할 수 있다. 키스톤 Ⅱ 기반 프로세서에 있는 10GbE 레인은 XFP(10Gb 장착형 소형 폼 팩터) 인터페이스상에서 광섬유에 연결할 수 있는 XFI 인터페이스를 지원한다.

XFI를 SFI로 바꿔주는 적절한 변환기만 있다면 SFP/SFP＋ 인터페이스에도 광섬유를 연결할 수 있다. TI의 DS100DF410 리타이머 같은 보완 하드웨어가 있으면 가능하다. 따라서 XFP/SFP＋ 인터페이스를 이용하는 광섬유 인터페이스는 AFE와 SP 간 고대역 데이터 교환을 지원한다.

그림 3. XFP 인터페이스를 사용하는 레이더 시스템 내부

그림 4. SFP＋ 인터페이스에 XFI를 SFI 인터페이스로 전환하기 위한 부가 하드웨어 DS100DF410 리타이머가 장착된 레이더 시스템 내부

레이더 시스템

레이더 시스템은 방어, 탐색, 구조 작전을 위해 물체를 탐지하는 데 필수적인 시스템이다. 레이더 시스템이 전파나 마이크로파의 펄스를 전송하면 물체는 펄스를 반사하여 원래 에너지의 일부를 수신 안테나로 보낸다. 안테나에서 받는 신호는 대부분 저에너지이며, 전자기기 증폭과 복합적 신호 처리 과정에서 회복된다.

일반적인 레이더 시스템은 처리 모듈인 AFE(무선 엔드)와 출력 증폭기로 이루어져 있다. 용도에 따라 처리 모듈과 AFE가 하나의 카드에 같이 들어가거나, 카드는 다르지만 폐쇄된 상자 내에 들어가는 경우가 있으며, 또는 아예 위치가 서로 다른 별도의 카드 형태로 구성하는 경우도 있다. 이와 같은 모듈은 지연도가 낮고 처리량이 일관된 고속 인터페이스로 연결해야 한다.

SFP/SFP＋ 커넥터는 통상적으로 무선 헤드와 프로세싱 카드 간 통신용 레이더에 사용된다. 광섬유 SFP/SFP＋ 커넥터는 파장 길이에 따라 거리별로 1Gb/s∼10Gb/s와 같이 다양한 대역의 데이터를 운반한다. SFP/SFP＋ 인터페이스는 일반적으로 다음과 같은 레이더에 사용된다.

•공중 레이더
•지상 요격 레이더
•잠수함 및 해군함정의 SONARS
•해안 및 항구 감시 레이더
•광대역 레이더 수신기

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레이더 시스템용 키스톤 Ⅱ 10Gb XFP/SFP＋ 인터페이스

그림 5. XFI- XFP 커넥터용 일반 전기 인터페이스

키스톤 Ⅱ 기반 프로세서에서는 10GbE을 도입하여 장치 등급을 한 차원 높였다. 또한 XFI 인터페이스를 사용하여 기존의 4줄 XAUI 인터페이스를 한 줄 SERDES 인터페이스로 교체했다. 프로세서의 10Gb 포트는 다음과 같은 산업 기준을 준수한다.

• IEEE 802.3 규격 지원
- 10GBASE-R(10G)
- 10/100/1000 Base-T(1G)
• IEEE 1588(v2008) 규격 지원
• 10GbE용 XFISFF INF-8077i 규격 지원
• ‌부가 하드웨어(TI의 DS100DF410 리타이머 등)가 있는 SFF-8431(예를 들면, SFP＋용 SFI) 지원
• 10/100/1000Mb용 시리얼 GMⅡ(SGMⅡ) 규격

XFI SFF INF-8077i 규격을 따르므로 XFP 인터페이스를 이용해 광섬유에 포트를 연결할 수 있다. 그림 2는 XFI 전기 인터페이스를 광학 인터페이스의 플러그 형태 인자로 바꾼 XFP 인터페이스이다.

아날로그 프론트 엔드의 ADC가 신호를 디지털화하면 이 신호는 디지털 신호 프로세서(DSP)로 들어가 처리된다.

시스템 복잡도가 증가하므로 서로 다른 센서 노드에서 들어와 ADC에서 디지털화되는 어마어마한 신호 집합을 DSP로 동기화하여 전송해야 시스템의 실시간 일관성을 유지할 수 있다. 이와 같은 엄격한 실시간 요건 때문에, 고대역 일관성과 아날로그 전위 처리기, 처리 모듈 간 지연이 적은 견고한 통신 매체가 필요하다. 10GbE은 이러한 시스템에서 통신 매체 역할을 한다.

키스톤 Ⅱ 기반 프로세서의 10GbE 포트로 XFP/SFP＋ 인터페이스상에서 AFE와 직접 통신할 수 있으므로 보드 비용, 기존 레이더 시스템의 복잡성을 줄일 수 있다. ADC가 디지털화된 후에는 LVDS/JESD 인터페이스의 글루 로직을 통해 받은 신호가 IF 주파수에서 기본 대역 주파수로 하향 변환된다.

이 AFE의 글루 로직은 이와 같은 기본 대역 데이터를 패킷화하여 XFP/SFP＋ 인터페이스에서 신호처리용 키스톤 Ⅱ 기반 프로세서로 연속해서 보내는 소형 10GbE IP 코어다. 프로세서의 10GbE 하드웨어가 연속 수신한 패킷은 프로세서 캐시와 논리적으로 일치하므로, 소프트웨어상의 지연을 크게 줄일 수 있다.

하드웨어 일관성 컨트롤러는 스누프(Snoop) 컨트롤러와 함께 MSMC(멀티코어 공유 메모리 컨트롤러)를 제공하며, I/O의 필수 읽기 신호와 스누프 컨트롤러로 가는 쓰기 무효화 명령 간 일관성을 유지해 결과적으로 하드웨어의 I/O 제어 일관성을 유지한다.

표 1. 신호 및 인터페이스

10GbE 하드웨어와 마찬가지로, 키스톤 Ⅱ 기반 프로세서의 네트워크 보조 프로세서(NetCP) 모듈로 패킷을 분류하여 전반적인 시스템 지연을 줄임으로써 10GbE 솔루션을 구현할 수 있다.
NetCP는 표준 레이어 2-4(MAC, IPV4/IPV6, UDP/TCP)를 분류할 수 있고 암호 해독도 지원하며(IPSEC ESP/AH, SRTP), IP 재조립 가속 기능도 있다. 

66AK2H14, 66AK2E05, AM5K2E04 SoC 등의 일부 키스톤 Ⅱ 기반 프로세서는 IP 재조립 기능을 통째 가져와 처리하는 것 외에 방화벽(ACL) 처리 기능까지 담당한다.
1줄 SERDES 인터페이스인 키스톤 Ⅱ 기반 프로세서의 XFI 인터페이스는 1W 이상 전력을 소비하던 기존의 XAUI 기반 솔루션에 비해 수백 밀리와트 정도만 전력을 소비하므로 전력 면에서도 상당한 이점이 있다[참고로 LRM(장거리 다중 모드 광섬유)과 SFI 준수 규격은 아직 구현되지 않은 상태이다].

Ananth Nagaraj, Frangeline Jose _ TEXAS INSTRUMENTS