FPGA 시장 수요는 잠재적으로 다양한 애플리케이션 영역에서 장치의 소형화로 인해 증가하고 있다. 이 시장은 2014년에서 2020년까지 연평균 9.8%의 성장률을 보일 것으로 예측되는 가운데, 퀵로직의 eFPGA 라이센스 발표가 이 시장에 어떤 영향을 미칠지 주목된다.
CPU가 독점하고 있던 서버용 연산 장치 시장에 FPGA와 GPU 등의 도전이 거세다. FPGA는 Field Programmable Gate Arrays의 약자다. 현장에서 프로그래밍이 가능한 반도체라는 뜻으로 ASIC(주문형 반도체)와 CPU의 중간에 위치해 있다. 유연성은 CPU, FPGA, ASIC 순이다. ASIC은 반도체 업체에서 특정한 용도에 맞춰 설계가 끝난 후 출하되는 제품이다. 출하가 끝난 제품은 추후에 설계 변경을 할 수 없다. 규정된 기능만 수행할 수 있다. 반대로 FPGA는 제조가 끝난 제품도 고객이 설계 변경을 할 수 있다.
시장조사기관인 grandviewresearch에 따르면, 글로벌 FPGA 산업은 2020년까지 9억 8,850만 달러의 매출을 기록할 것으로 전망됐다. 페블, 스마트폰과 같은 스마트 디바이스에 대한 수요 증가로 인한 가전 업계의 성장은 FPGA 시장 성장의 핵심 동인이 될 것으로 보인다. 특히, 자동차 분야의 전자 유틸리티 및 기능의 급증은 향후 6년 동안 FPGA 시장을 주도할 것으로 예상되는 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 수요 성장을 유발할 수 있다.
grandviewresearch는 FPGA 시장 수요는 잠재적으로 다양한 애플리케이션 영역에서 장치의 소형화로 인해 증가했다고 분석했다. 또한 기술 발전과 결합된 무선 네트워크의 대역폭 요구량이 크게 증가하면 시장에 긍정적인 수요가 발생할 것으로 예상했다. 의료 이미징 시스템에 FGPA를 적용하면 재사용 및 재프로그램할 수 있는 능력에 기인한 새로운 길을 열 수 있을 것으로 내다봤다.
분야별로 보면, 텔레콤은 2014년에서 2020년까지 연평균 9.8%의 성장률을 보이며, 향후 7년 동안 가장 빠르게 성장하는 응용 분야로 예측됐다. 또한, 소비자 전자 제품의 경우, 2013년 매출 점유율의 12% 이상을 차지했으며, 예측 기간 동안 급속히 성장할 것으로 전망됐다.
특히, 자동차 분야의 GPS지도, 충돌 회피 시스템, AFS(Advanced Front-Lighting System) 및 3D 시각화를 포함한 ADAS는 FPGA 시스템의 주요 응용 프로그램으로 가파른 성장이 예측됐으며, 이밖에도 군용 전자, 무인 차량, SONAR 및 RADAR을 비롯한 우주 항공 및 군용 애플리케이션에서의 FPGA 수요 증가도 예상됐다.
grandviewresearch에 따르면, 아시아 태평양 지역은 2014년부터 2020년까지 연평균 9.6%의 성장률을 보일 것으로 예상됐다. 이 지역은 2013년 전체 시장 점유율의 40% 이상을 차지했다. 응용 분야에서의 FPGA 수요 증가로 이 지역의 FPGA 시장은 가파르게 성장할 것으로 예상됐다. 이와함께 자동차의 안전을 보장하는 유망한 규제 시나리오는 또한 선진국의 FPGA 구현을 촉진할 것으로 전망됐다.
디바이스 소형화로 성장 잠재력 커진 ‘FPGA’
FPGA는 프로그래밍과 재수정이 가능한 게이트의 배열로 이루어진 반도체다. FPGA 내부의 게이트들은 고객이 원하는 기능을 수행할 수 있게 연결이 가능하다. FPGA는 유연성이 높기 때문에 기능이 한정돼 있는 ASIC 보다 속도가 느리다. 소비 전력도 크다. 칩의 개당 가격도 비싸다. 하지만 개발에 투입되는 시간이 짧고 설계를 추후에 변경할 수 있어 오류에 대처할 수 있는 여지가 크다. 일정 수량 이상 찍어야 개발비를 뽑을 수 있는 ASIC 보다 초기 개발비가 매우 저렴하다는 장점도 있다.
FPGA는 ASIC을 개발할 때 초기 버전이나 테스트 버전으로 많이 사용됐다. 칩 생산물량이 작을 경우는 초기 비용이 많이 들어가는 ASIC 보다 FPGA가 유리하다. 시장 규모가 작아 적합한 ASIC이 존재하지 않는 틈새시장용으로 많이 쓰였다.
이러한 FPGA의 활용처가 최근 늘어나고 있다. 과거 FPGA는 주로 ASIC의 대체재였다. 하지만 최근에는 CPU의 보완재로 각광받고 있다. CPU는 명령 리스트로 구성된 소프트웨어를 통해 프로그래밍이 가능하다. 소비자가 원하는 어떤 기능이든지 수행이 가능한 유연한 구조를 채택하고 있다. 유연성을 유지해야하기 때문에 CPU의 성능 향상은 주로 미세공정 전환으로 인한 트랜지스터 수 증가, 아키텍처 개선을 통한 클럭 수 증가, 코어 수 증가 등을 통해서 진행됐다.
하지만 최근엔 성능 증가 속도가 둔화되고 있다. 아키텍쳐 개선을 통한 클럭 수 증가와 코어 수 증가가 한계에 부딪혔다. CPU의 클럭 수 증가는 여러 단계의 파이프라인을 구성한 후 명령어를 쪼개는 등의 방법으로 가능하다. 파이프라인의 깊이가 커질수록 클럭 상승이 가능하다. 하지만 파이프라인이 너무 깊어지면 명령어를 처리하는 동안 메모리 지연, 분기 예측 실패 등이 늘어나 오히려 처리 속도가 감소하는 현상이 발생한다.
이런 문제를 해결하기 위해 등장한 개념이 헤테로지니어스 컴퓨팅이다. 헤테로지니어스 컴퓨팅은 CPU 이외에도 GPU, DSP, FPGA 등을 연산에 포함시켜 하나의 시스템을 구성하는 것을 말한다. CPU는 직렬처리에 최적화된 큰 사이즈의 코어로 구성돼 있다. 다양한 환경의 연산을 수행해야 되기 때문이다. CPU는 ALU(Arithmetic Logic Unit)의 구조가 복잡하고 명령어 1개로 처리할 수 있는 기능이 많다. 반면 GPU는 제한된 연산을 처리하기 위해 만들어졌다. 제한된 명령어를 처리하는 코어 수백~수천개로 구성돼 있다. 용도는 제한돼 있지만 처리 속도가 매우 빠르다. GPU는 컴퓨터의 그래픽 처리를 위해서 만들어졌다. 하지만 최근에는 병렬처리에 적합한 장점을 활용해 CPU를 보조하는 연산에 투입되고 있다.
GPU와 FPGA를 대량 연산에 적합하게 설계했을 경우 CPU 단독으로 처리할 경우보다 수배에서 수백배 성능이 증가한다. 검색엔진, 빅데이터 분석, 신약 개발, 항공 시뮬레이션 등 고도의 복잡한 계산이 필요한 분야에서 최근 FPGA를 사용한 병렬 처리를 시도하고 있다.
퀵로직 임베디드 FPGA, 시장에 미치는 영향은?
수년 동안 몇몇 회사는 FPGA 패브릭을 SoC에 임베디드하는 것과 관련해 조심스럽게 시도해왔다. 한 가지 주목할만한 사례는 IBM이 자일링스의 FPGA 패브릭을 내장한 것이었지만, 이 솔루션은 그다지 큰 호응을 얻지 못했다. 이 모든 것들이 퀵로직(QuickLogic)의 발표와 함께 변화될 것으로 보인다. 퀵로직은 자사 시장 점유율을 지속적으로 확대하기 위한 전략적 이니셔티브를 발표했다. ArcticPro eFPGA라 불리는 새로운 이니셔티브를 통해, 퀵로직은 자사 고유의 초저전력 프로그래머블 로직 기술에 대한 라이선스 사용권을 선택적으로 제공할 예정이다.
새로운 임베디드 FPGA 이니셔티브는 최근 글로벌 파운드리(GLOBALFOUNDRIES)와 퀵로직이 공동으로 발표한 파트너십 계약과 함께 출범했다. 이 파트너십을 통해 SoC 설계 회사는 ArcticPro 초저전력 eFPGA 기술을 글로벌파운드리의 새로운 전력 및 비용 최적화 22nm FDSOI 팹 기술을 겨냥한 설계에 임베드하고자 할 때 퀵로직으로부터 해당 라이선스를 받을 수 있게 됐다. 글로벌파운드리의 22nm FDSOI 팹 기술은 2017년에 생산이 예정돼 있다. ArcticPro IP 역시 현재 널리 사용되고 있는 글로벌파운드리의 65nm 및 40nm 팹 기술을 겨냥한 설계용으로 활용이 가능하다. 퀵로직은 향후 추가적인 파운드리 파트너 계약 소식을 발표할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
▲ 그림 1. eFPGA USE CASE – FITNESS BAND SoC (자료: 퀵로직)
시장조사회사인 마켓앤드마켓(Martkets&Markets)에 따르면, 임베디드 반도체 지적자산 시장은 현재 30억9천만 달러에서 2022년에는 70억 달러 이상으로 성장할 전망이다. 이 같은 성장의 주요 동인 중 하나로는 2022년에 11억 달러 규모에 육박할 것으로 예상되는 사물인터넷(IoT) 시장의 급속한 확대 전망이 꼽힌다. 이러한 IoT 시장의 성장 기회가 SoC 설계자들에게는 새로운 과제를 의미하기도 한다.
▲ 그림 2. eFPGA USE CASE – SENSOR HUB SoC (자료: 퀵로직)
스마트폰이 장악하고 있는 모바일 시장과 달리, IoT 시장은 단일한 고정 SoC 설계로는 대응하기가 곤란한 극히 다양한 최종 제품 및 관련 파생 상품들을 포함한다. 이 같은 사실에 더해 SoC 디바이스의 출시 비용도 지속적으로 인상되면서, IoT 최종 제품 설계가 보다 광범위하게 채택될 수 있도록 SoC의 설계 유연성을 보다 높이려는 추세가 강화되고 있다. 최첨단 팹 노드에서는 이러한 요구를 경제적으로 달성하기 위해 임베디드 프로그래머블 로직을 사용 중이다.
퀵로직의 브라이언 페이스(Brian Faith) 대표이사겸 CEO는 “초저전력 기술과 실리콘 효율적인 프로그래머블 로직 기술 및 설계 툴 개발 분야에서 30여 년의 경험을 보유한 퀵로직은 SoC 설계 유연성에 대한 급증하는 요구를 지원할 수 있는 독보적인 위치에 있다”며, “이번 전략적 이니셔티브는 지난 수년 간의 투자와 경험을 발판으로, 이전에는 우리가 직접 대응하지 않았던 시장까지 퀵로직의 파급력을 지속적으로 확장할 수 있게 해준다”고 말했다.
ArcticPro eFPGA 기술을 새로운 SoC 설계에 적용할 때의 설계 위험을 낮추고 개발 속도를 높일 수 있도록, 퀵로직은 2017년 1분기에 새로운 Borealisä 설계 툴 스위트를 발표할 예정이다. SoC 설계자는 새로운 툴을 이용하여 맞춤형 eFPGA 로직 셀 어레이 크기를 손쉽게 평가하고 타겟 및 정의할 수 있을 뿐 아니라 SoC 통합에 필요한 모든 설계 파일들을 생성할 수 있다.
김진희 기자 (eled@hellot.net)
