썬더볼트 기술을 지원하는 차세대 40nm 액티브 케이블 솔루션 설계

썬더볼트는 액티브 케이블 아키텍처를 사용해 고속 성능을 구현하며 다양한 디바이스 간의 접속-호환성을 보장하기 때문에 최근 몇 년간 유망한 컴퓨터 주변장치 고속 인터페이스용 기술로 부각돼 왔다.
그러나 실제로 사용되고 있는 썬더볼트 인터페이스 설계의 효율성 부족은 신호와 파워를 전달하는 케이블의 성능에 직접적인 영향을 미쳐 보다 비싼 케이블을 요구하거나 도달 가능한 거리를 감소시키는 문제를 유발하고 있는 것으로 확인됐다.
이 글에서 이러한 문제점들을 해결하기 위해 첨단 40nm CMOS 공정 기술을 적용한 차세대 집적 IC 솔루션을 제시한다.

John Mitchell 인터실 애플리케이션 매니저

썬더볼트는 지난 몇 년에 걸쳐 컴퓨 터 주변장치에 대한 가장 유망한 고속 인터페이스용 기술로 부각돼 왔으며, 소비자들이 이전에는 경험하지 못했던 데이터 전송 속도와 데이터 양을 제공 하도록 설계돼 왔다.
이 기술은 데이터, 비디오, 오디오, 파워를 단일 데이지 체인(Daisy-chain) 케이블 내에 결합해 주변장치와의 단일 고속 접속을 실현한다. 여기에 포함되 는 주변장치에는 최대 10Gbps의 데이터 처리량을 제공하는 하드 드라이브, RAID 어레이, 디스플레이, 비디오 캡처 솔루션, 네트워크 인터페이스 등을 꼽을 수 있다.
이 같은 방식의 썬더볼트는 사용자들이 방대한 양의 정보를 실시간으로 시각화하고 가공하거나, 저장하고 상호 작용하는 방식을 크게 변화시킬 수 있도록 가능성을 제공하므로, 향후 공정상의 새롭고 독창적인 방법 개발을 촉진하는 역할을 할 것으로 기대된다.
하지만 썬더볼트 제품 구현을 위해서는 진정한 의미의‘슈퍼컴퓨팅 파워의 소비자화’를 실현할 수 있도록 현재의 값비싼 비용을 상당 부분 줄여 주요 장벽을 극복하려는 노력이 필요하다.
이러한 썬더볼트는 액티브 케이블 아키텍처를 사용해 고속 성능을 구현하며 다양한 디바이스 간의 접속- 호환성을 보장하기 때문에, 케이블 인터페이스는 지금까지 썬더볼트를 지원하는 제품에서 일차적인 중요한 요소로 간주되어 왔다.
특히 인터페이스 설계에서 효율성이 부족한 경우에는 신호와 파워를 전달하는 케이블의 성능에 직접적인 영향을 미쳐 결국 잠재적으로 보다 비싼 케이 블을 요구하거나 혹은 도달 가능한 거리를 감소시키는 문제들을 발생시키는 것으로 알려져 왔다.
하지만 이와 같은 문제들은 첨단 40nm CMOS 공정 기술을 사용한 차세대 집적 IC 솔루션을 통해 제거되고 있으며, 특히 이 기술을 이용할 경우 썬더 볼트 인터페이스 설계를 간소화하고 액티브 케이블의 비용을 현재의 50% 수준으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.



썬더볼트에 대한 평가와 배경

썬더볼트는 인텔에 의해 개발되었으며, 애플의 기술 공조로 시장에 선보이게 되었다. 상업적으로는 2011년 2월 애플사의 업데이트된 맥북 프로 (MacBook Pro) 라인업에 처음 도입되었으며, 미니 디스플레이포트(Mini DisplayPort)와 동일한 커넥터를 사용 하도록 제작됐다. 또한 PCI 익스프레스와 디스플레이 포트를 하나의 통합 시리얼 데이터 인터페이스로 결합하여 보다 길고 값싼 케이블로 전송될 수 있도록 구현됐다.
이와 같은 특징은 썬더볼트가 호스트 디바이스의 어떠한 디스플레이포트 하드웨어 업스트림과도 호환 가능하도 록 만든다. 특히 단일 썬더볼트 포트는 허브와 다양한 썬더볼트 디바이스 데이지 체인을 지원하는데, 이들 중 2개 는 썬더볼트 디스플레이로도 이용될 수 있다(혹은 하나의 미니 디스플레이 포트 화면).
이 인터페이스는 원래 신축 섬유 케이블을 사용하는 광학 물리 계층에서 구동되도록 고안되었으나, 개발 도중 재래식 구리 배선이 보다 적은 비용으로 채널당 10Gbps의 대역폭 요구를 충족시킬 수 있는 것으로 확인됐다.
또한 구리는 모든 주변장치들이 각각의 전력원을 요구하지 않도록 썬더볼트 인터페이스 이상의 전력을 구동시키는 이점을 제공한다. 이처럼 썬더볼트는 PCI 익스프레스와 디스플레이포트 프로토콜 모두를 지원하기 때문에, 주변기기를 컴퓨터와 연결하기 위해 필요한 커넥터 수를 감소시키는 데에도 기여한다.
최근 인텔은 자사의 아이비 브릿지 (Ivy Bridge) 프로세서를 위해 칩셋 내에 썬더볼트 지원을 통합하고 있다. 또 한 PC 제조업체인 에이서(Acer), 아수스 (Asus), HP, 레노버(Lenovo)는 이미 썬더볼트를 그들의 신규 제공 사항에 포함 한다는 계획을 발표했으며, 다른 PC 업체들도 이 인터페이스를 포함하는 계획을 추진 중에 있다. 뿐만 아니라 썬더볼트 인터페이스는 보다 낮은 비용과 전력 지원으로 신규 울트라북에도 실행 가능한 옵션으로 채택될 것으로 보인다.

설계 도전과제

현재 적용되고 있는 썬더볼트 인터페이스의 대부분은 필요한 성능 수준을 만족시키기 위해 실리콘 게르마늄 (SiGe)과 같은 고비용 공정을 이용하고 있는데, 이 공정은 달성 가능한 칩 레벨 집적도를 제한한다. 또한 기존의 제공 사항들은 외부 마이크로컨트롤러와 함께 송신과 수신용으로 2개의 SiGe 기반 다이를 필요로 한다.
이 경우 다이당 550mW 정도의 전력 을 필요로 하기 때문에, SiGe 기반 썬더 볼트 인터페이스는 케이블의 각 끝에서 1.2W가 넘는 전력을 소모하고, 전체 액티브 케이블 어셈블리는 잠재적으로 3 ∼4W의 전력을 사용할 가능성이 있다. 이러한 고전력 요구는 썬더볼트가 노트북 사용 환경에서 가동될 때, 배터리 수명을 급격히 감소시키는 요인이 된다.
또한 멀티-다이 SiGe 기반 설계가 갖는 고유의 비효율성은 열을 많이 발생 시키기 때문에 종종 인터페이스 내에 방열판 설치를 필요로 하며, 일관된 신호 무결성을 보장하기 위해 고급 케이블의 적용을 요구한다.
썬더볼트 액티브 케이블 어셈블리의 전체 비용은 이러한 모든 요소들의 결합으로 증가 추세를 나타내고 있다. 현 재 이것은 시장에서 케이블당 약 49 달러의 가격으로 거래되고 있는데, 소비자들은 일반적으로 케이블에 값비싼 돈을 지불하기를 꺼려한다. 또한 주변기기 제조업체들은 제공사항에 케이블링을 포함할 경우 비용 효율적인 운영을 할 수 없기 때문에 썬더볼트의 채택에 어려움을 표하고 있는 실정이다.





40nm 공정 기술과 애플리케이 션 지정 통합의 극대화

첨단 40nm CMOS 공정을 이용한 새로운 고집적 썬더볼트 인터페이스 칩의 도입은 성능을 향상시키는 동시에 비용은 절반으로 줄여주기 때문에 썬더볼트 시장의 지각을 빠르게 변모시킬 것으로 기대된다.
40nm CMOS의 이용으로 전체 다이 크기는 기존 세대의 SiGe 구현에 필요 했던 실리콘 영역의 25％ 이하로 줄어 들었으며, 이로 인해 보다 작은 단일 다이 내에 송신 및 수신 기능뿐만 아니라 임베디드 마이크로컨트롤러를 함께 집적시키는 것이 가능해 졌다.
또한 실리콘 영역의 3/4을 줄이고 매우 효율적인 40nm 공정을 사용해 전체 기능을 단일 다이 내에 통합시킴으로써 간편한 설계, 보다 낮은 전력, 양호해진 송신/수신 성능, 저렴한 비용을 실현할 수있게됐다.
모든 기능들은 500mW 보다 적은 전력을 사용하는 소형 5mmx5mm aQFN 고밀도 배열 패키지 내에서 구현된다. 이는 전체 시스템 전력 예산에서 액티브 케이블이 차지하는 부분을 최소화시키므로 하나의 썬더볼트 케이블을 이용해 여러 주변기기의 버스-전원 공급은 물론 노트북의 호스트용 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.
더 나아가 임베디드 마이크로컨트롤러 기능을 칩 안에 통합하는 것은 보다 적은 전체 BOM비용, 낮은 전력, 적은 어셈블리 비용으로 간소화된 설계를 제공할 수 있게 한다. 또한 고해상도 온 칩 아이 모니터링뿐만 아니라 빌트인 루프 백과 바이패스 모드와 같은 형태의 진단 성능도 통합 가능하게 만든다.
더불어 단일 다이, 듀얼-PLL 아키텍 처는 저전력으로 가격을 낮출 뿐 아니라, 첨단 리타이밍 기능과 케이블, PCB-균일화, 디-엠퍼시스(Deemphasis) 기능을 사용하여 향상된 성능과 신호 무결성을 보장한다. 이로 인해 제 조업체들은 낮은 케이블 비용으로 현재 지원되고 있는 2미터 케이블 보다 긴 3 미터 케이블을 제공할 수 있게 됐다.

해상도, 속도, 단순성 향상

새롭게 선보인 40nm 고집적 썬더볼트 솔루션은 기존 것보다 비용 효율적이며 우수한 성능을 제공하기 때문에 케이블링 제조업체, 주변기기 제조사, 컴퓨 터 회사, 최종 사용자의 성향을 근본적으로 변화시킬 것으로 기대된다.
표 1은 이와 같은 고밀도 온-칩 통합의 실현으로 획득되는 혜택을 보여준다. 실리콘 사이즈의 커다란 감소와 함 께 사용자 전력 관리와 임베디드 마이 크로컨트롤러 기능은 전체 인터페이스 설계를 간소화하고 전력과 비용을 모두 감소시키는 것으로 확인됐다.
또한 인터페이스 PCB는 8층에서 6층으로 간소화돼 적은 비용으로 수율을 보다 향상시킬 수 있고, 자동화되어 있는 온칩 테스트 기능은 후조립 테스트를 80퍼센트 정도 줄일 수 있다.
내장되어 있는 디스큐와 지터 관리 기능은 표준 벌크 케이블로 처리량을 최대화할 수 있는 뛰어난 단일 무결성을 제 공함으로써, 케이블 길이를 보다 늘일 수 있을 뿐만 아니라 40％의 수율 증가와 전체 비용의 감소를 가능하게 한다.
무엇보다 이러한 혜택의 핵심은 신규 썬더볼트 인터페이스 설계가 전체 액티브 케이블 제조 비용을 50％ 정도 줄일 수 있는 잠재성을 제공하므로 일반 판매가를 현재의 49 달러에서 20∼30 달러 사이까지 낮출 수 있다는 점이다.
이렇게 낮아진 가격은 주변기기 제조 업체들이 그들의 제품에 썬더볼트를 저렴한 가격으로 포함할 수 있도록 할 것이며 이는 썬더볼트가 보다 폭넓은 제품군에 적용될 수 있도록 만들 것이다.
최종 사용자에게 저비용, 고성능을 제공할 수 있는 잠재성을 지닌 썬더볼트의 역량은 해상도, 속도, 단순성 측면에서 비약적인 발전을 달성하는 데 기여할 것으로 전망된다.