[헬로티]

 

DFX(Dynamic Function Exchange)를 활용하여 BOM(Bill of Materials) 비용을 절감하고, 새로운 자동 설계 플로우를 통해 회로를 보다 쉽고, 빠르게 구현할 수 있다.

DFX(Dynamic Function Exchange)는 자일링스(Xilinx) 적응형 기술의 독보적인 기능이다. 설계자는 DFX를 이용하여 필요에 따라 기능을 변경할 수 있기 때문에 프로그래머블 로직 전체를 완전히 재구성할 필요가 없고, FPGA 및 징크(Zynq) SoC, 버설(Versal) ACAP 플랫폼이 제공하는 유연성을 더욱 향상시킬 수 있다.

 

 

 

 

현재 생산 중인 고객들도 DFX를 사용하여 필요한 디바이스 수를 줄이고, 점유공간을 더 작게 유지할 수 있다. 개발자는 주어진 시점에만 필요한 기능을 탑재함으로써 실리콘을 보다 효율적으로 사용하고, 전반적인 전력소모를 줄이고, 시스템 업그레이드 기능을 향상시키고, BOM 비용을 절감할 수 있다.

자동차 애플리케이션은 특히 DFX에 이상적인 적용 분야다. ADAS 시스템을 예로 들면, 여러 주행 시나리오를 위해 동일한 카메라와 센서를 사용하여 이미지와 관련 센서 데이터 프로세싱을 단일 디바이스를 통해 수행할 수 있다.

 

예를 들어, 자동차가 주차된 경우, 단일 징크 울트라스케일+(UltraScale+) MPSoC를 사용하여 차량 주변을 모니터링하고, 자동차 조작이 허용된 운전자를 식별할 수 있다. 운전자가 확인되면, 차량을 시동할 수 있다. 자동차가 시동되면, 주차에서 후진으로 기어 변속을 감지하고, 다른 필수 기능이나 기기 동작에 영향을 주지 않으면서 사전 주행모드 모니터링 기능에서 저속 주행모드 기능으로 전환한다. 이러한 ‘모니터링’ 기능은 저속 주차 조작 중에 후방 카메라 및 기타 센서 데이터를 처리하는데 필요한 주행모드 기능과 동적으로 교환된다.

후진에서 주행으로 기어가 변속되면, 후방 카메라와 센서 데이터 처리를 위한 프로세싱 기능이 새로운 전면 카메라 센서 프로세싱 기능으로 교환된다. 이러한 변경은 모두 시스템을 재설정하거나 전원을 끄지 않고도 수행이 가능하며, 수십 밀리초 안에 완료된다.

 

DFX의 부분 재구성 기능

 

구성 가능한 로직 블록 회로와 DSP 요소들 및 블록 RAM을 비롯해 FPGA 내의 주요 로직 및 라우팅 리소스는 모두 부분적으로 재구성이 가능하다. 부분 재구성 기능을 사용한 DFX는 외부 회로나 메인 시스템 컨트롤러, 또는 FPGA, 징크 SoC, 버설 플랫폼 상의 소프트 또는 하드 프로세서나 로직 및 상태 머신의 신호를 통해 개시될 수 있다.

이러한 동작이 어떻게 이뤄지는지 FPGA를 예로 들어 살펴보자. FPGA에서 제공되는 하드웨어 기반 부분 재구성 컨트롤러는 애플리케이션에서 보내는 기능 요청을 수신하고, 재구성 프로세스를 관리한다. 이러한 프로세스를 통해 적절한 부분 비트 스트림을 검색하고, 이를 내부의 구성 액세스 포트로 전달하고, 동적으로 구성 가능한 로직 영역을 디커플링하여 재구성 프로세스가 나머지 정적 FPGA 로직을 방해하지 않도록 방지한 다음, 현재의 기능을 삭제하고, 대체할 사전 컴파일된 부분 비트 스트림을 로드하여 새로운 기능을 개시하고, 이 로직을 다시 커플링시킨다.

 

[그림 1] 동적으로 재구성 가능한 객체감지 및 속도계를 지원하는 메인 컨트롤 및 이미지 디스플레이. (자료 : 자일링스)

 

[그림 1]은 운전자가 헤드업 디스플레이에 표시될 속도계와 객체감지 오버레이를 선택할 수 있도록 DFX를 이용해 자동차 사용자 인터페이스 애플리케이션을 관리하는 방법을 나타낸 것이다. 이 시스템에 있는 4개의 프로세싱 블록 중 ‘메인 컨트롤’은 카메라의 이미지를 캡처하여 운전자의 선택에 따라 ‘속도계 디스플레이’ 또는 ‘객체감지’ 오버레이 알고리즘으로 데이터를 전송한다. ‘이미지 디스플레이’ 블록은 화면에 이미지를 표시한다.

운전자가 속도계 기능을 선택한 경우, 현재 ‘속도계 디스플레이’가 로드되어 있지 않으면, DDR이나 플래시에서 적절한 펌웨어를 가져와 하드웨어를 재프로그램한다. 구성 컨트롤러는 이러한 교환 작업을 10분의 1초 만에 완료할 수 있기 때문에 애플리케이션이 데이터 프레임을 놓치지 않고 프로세싱 알고리즘을 전환할 수 있다. 설계자는 이러한 방식의 부분 재구성 기능을 통해 더 작고, 낮은 비용의 FPGA를 선택할 수 있으며, 컴포넌트 수와 솔루션 크기를 줄이고, 시스템의 전력소비 또한 최소화할 수 있다.

 

자동차 전자장치 설계는 차량 전반에 배치된 도메인 컨트롤러에 더 많은 기능들을 통합하고, 새로운 기능을 도입해야 하는 과제에 직면해 있다. 따라서 부분 재구성 기능은 이러한 설계자들에게 점점 더 강력한 무기가 될 것이다.

자동차 시스템 외에도 의료용 스캐너, 전문 스튜디오 장비, 휴대용 테스트 장치와 같은 장비들 또한 동일한 동적 유연성의 이점을 누릴 수 있다. 방위산업 관련 애플리케이션에서도 즉각적으로 기능을 재구성할 수 있는 기능을 통해 혜택을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 보안에 민감한 기기들도 이 기능을 사용하여 특정 기능을 제거하고, 교체하여 기능을 업그레이드할 수 있다.

 

또한 새로운 고성능 신경망 아키텍처의 등장에 따라 상용 AI를 배포해야 하는 애플리케이션도 이러한 혜택을 얻을 수 있다. DFX는 오래된 아키텍처를 최신 신경망으로 신속하게 대체함으로써 유전체 분석과 같은 작업 시간을 크게 줄일 수 있는 AI 가속기 카드를 구현할 수 있다.

 

DFX 설계하기

 

DFX를 활용하는 시스템을 만들기 위해 설계자는 먼저 동적으로 재구성이 가능한 로직에 구현할 수 있는 상호배타적인 기능을 식별해야 한다. 비바도(Vivado®)와 같은 툴은 사용자에게 필요한 단계를 가이드한다. 이 툴은 재구성이 가능한 파티션 정의를 비롯해 플로어플랜 생성 및 검증, 배제 영역 정의, 재구성이 가능한 기능과 정적 FPGA 로직 간의 인터페이스, 필요한 위치에 디커플러 삽입 및 올바른 플로어플래닝 제약조건 관리 등을 지원한다. 재구성이 가능한 로직은 표준 P&R(Place-and-Route) 및 타이밍 클로저(Timing-Closure) 기법을 이용해 설계된다.

자일링스의 파트너사인 시스템 뷰(System View)는 비바도와 함께 동작하는 VSI(Visual System Integrator) 툴을 개발했다. 이 툴은 인터페이스 매칭, 디커플러 삽입, 플로어플래닝, 동적으로 재구성이 가능한 로직 설계를 비롯해 과거에는 수동으로 수행되었던 작업들을 자동화했다. 이는 시스템 설계 프로세스를 간소화할 뿐만 아니라 일반적으로 DFX 시스템 설계를 완성하는데 걸리는 시간을 크게 줄여준다. 실제로 디자인 플로우를 몇 주 또는 몇 달에서 단 몇 시간으로 단축할 수 있다.

 

VSI를 통한 추상화 및 자동화

 

DFX 설계 프로세스는 상향식 합성 방식을 사용하는 계층적 구조이다. 재구성이 가능한 모듈은 변경되지 않는 설계의 정적 부분과 별도로 분리되어 합성된다. VSI 설계 환경의 특수 ‘pr set’ 블록이 DFX를 활성화한다. 설계자는 이 블록을 다른 프로세싱 블록과 동일한 계층에 배치함으로써 이러한 기능이 상호배타적이며, 동일한 하드웨어 영역에서 실행되어야 한다는 것을 툴에 알린다.

VSI 툴은 DFX 시스템 설계의 복잡성을 상당 부분 추상화한다. 사용자가 상호배타적인 기능 블록의 코드를 결정하고, VSI에 이를 지정하면, 이 툴은 자일링스의 비바도 설계를 생성한[그림 2].

 

[그림 2] VSI는 동적 교환을 위해 구성 가능한 기능 및 회로를 자동으로 생성한다. (자료 : 자일링스)

 

[그림 1]에 나타낸 자동차 애플리케이션은 속도계 또는 객체감지 알고리즘이 구성 가능한 설계 영역에 포함될 것이다. 설계의 고정된 부분은 어떠한 알고리즘이 선택되더라도 계속 실행된다. 디커플러는 재프로그래밍이 처리되는 동안 고정 부분을 보호하기 위해 구성 가능한 영역을 절연시키는데 사용된다.

 

구성 가능한 영역은 백엔드 P&R 툴이 다른 알고리즘을 위한 부분 펌웨어를 생성할 수 있도록 프로그래머블 패브릭 상의 사전 정의된 물리적 영역으로 제한되어야 한다. 일반적으로 이러한 제한된 영역을 생성하기 위해서는 디바이스에 대한 상세한 지식이 필요하다. 그러나 VSI를 이용하면, 툴이 디바이스의 데이터베이스를 판독하고, 설계를 위한 제한된 영역을 자동으로 생성한다.

 

마지막으로 VSI 툴은 시스템이 동작하는 중에 부분 재구성 영역을 로드 및 재로드하는데 필요한 모든 소프트웨어 및 디바이스 드라이버 지원을 생성한다. 메인 컨트롤 블록이 재구성이 가능한 영역으로 전환하기 위해 읽기/쓰기 요청을 시작하면, VSI 런타임은 재구성 가능한 영역을 디커플링하고, 적합한 펌웨어를 로드한 다음, 나머지 FPGA 영역과 다시 커플링시킨다. 이러한 모든 작업들은 사용자 애플리케이션에 명확하게 반영된다.

또한 VSI는 DFX 통신을 제어하고, 해당 영역의 절연 및 재프로그래밍을 관리하기 위해 비바도 패브릭에 상주하는 런타임 생성을 처리한다. 이 런타임은 교환 가능한 기능 설계 및 FPGA 회로 지원과 병렬로 구현되며, FPGA 회로가 완성되는 즉시 설계에 적합한 런타임이 사용되도록 보장한다. 그림 3은 동적으로 재구성 가능한 기능이 포함된 FPGA 설계를 빠르게 완성할 수 있도록 VSI에 의해 자동화되는 작업을 요약한 것이다.

 

결론

 

DFX는 비용 및 전력, 크기, 무게에 대한 엄격한 제약조건 안에서 점점 더 정교한 기능을 제공해야 하는 까다로운 요구에 직면하고 있는 자동차 전자 시스템 설계자를 위한 강력한 솔루션이다. 또한 수많은 산업 및 상업, 보안, 방위 애플리케이션에서도 동적 재구성 기능을 활용하여 사용자에게 부가가치를 제공하고, 오남용을 방지할 수 있도록 할 수 있다.

구현 프로세스의 핵심 부분을 추상화하고 자동화하는 비바도와 VSI와 같은 툴을 통해 부분 재구성 기능의 이점을 훨씬 쉽고, 빠르게 활용할 수 있다.

 

글 / 윌라드 투(Willard Tu)  자일링스 자동차 부문 수석 디렉터, 샌딥 두타(Sandeep Dutta) 자일링스 시스템 뷰(System View) CEO