IoC(Instrument-on-Chip)는 일반적으로 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 강력한 실시간 신호 처리 칩을 기반으로 장치가 구축되는 전자 테스트 장비의 새로운 추세입니다. 이전에는 여러 아날로그 및 디지털 구성 요소의 조합으로 수행되었던 정교한 저지연 신호 처리 기능을 이제 단일 실리콘 칩에 통합할 수 있습니다. FPGA 디지털 신호 처리(DSP)는 빠르고 결정적이며 시간이 지남에 따라 업그레이드되거나 재구성 가능한 기능 덕분에 완전히 교체될 수 있습니다. IoC의 탁월한 성능, 다용성 및 경제성의 조합은 교육, R&D 및 산업 응용 분야 전반에 걸쳐 광범위한 채택을 주도하고 있습니다. 이제 Red Pitaya 및 Digilent와 같은 메이커스페이스 인기 제품부터 다음과 같은 전문 시스템에 이르기까지 다양한 가격대와 성능 수준으로 여러 제조업체에서 장치를 구입할 수 있습니다. Liquid Instruments의 Moku:Pro.
그림 1: 전자 테스트 장비는 반도체, 자동차, 통신, 항공우주 및 방위 산업의 기술 개발을 지원합니다.
IoC 장치의 4가지 구성 요소
IoC 장치의 아키텍처는 그림 2에 나와 있습니다. 네 가지 중요한 구성 요소가 있습니다.
- 재구성 가능하고 강력한 디지털 신호 처리 칩
- 실제 신호의 아날로그 및/또는 디지털 입력
- 실제 신호에 대한 아날로그 및/또는 디지털 출력
- 데이터 저장, 장비 구성 및 원격 사용자 인터페이스를 가능하게 하는 네트워크(또는 유사한) 연결
그림 2: IoC에는 네 가지 주요 구성 요소가 있습니다. FPGA 또는 유사한 신호 처리 칩, 아날로그 및/또는 디지털 입력, 아날로그/디지털 출력, 데이터 저장 및 사용자 인터페이스 제어를 위한 네트워크 연결입니다.
Instrument-on-Chip은 새로운 수준의 다양성을 가능하게 합니다.
IoC 장치의 특징은 다양성입니다. IoC 장치는 많은 기존 계측기를 하나로 통합하고 장치는 몇 초 안에 이러한 다양한 계측기 간에 변환할 수 있습니다. 이를 위해 사용자는 FPGA 내부의 연결을 다시 프로그래밍하는 파일인 새로운 비트스트림을 장치에 보냅니다. 이러한 방식으로 장치는 이전에 자체 전용 회로가 필요했던 많은 장비를 대체할 수 있습니다. 회로는 소프트웨어와 유사한 환경에서 프로그래밍된 알고리즘으로 대체되어 FPGA 칩의 하드웨어에 구현됩니다. 맞춤형 회로를 DSP로 교체하면 장치가 많은 장비를 대체하면서도 매우 컴팩트한 상태를 유지할 수 있다는 부수적인 이점이 있습니다. 예를 들어, 교육 중심 장치인 Moku:Go는 아날로그 입력 및 출력, 디지털 I/O 및 전원 공급 장치를 결합하고 문고판 크기의 장치에 14개의 악기를 포함합니다.
IoC 시스템의 계측기 다양성은 다음에 따라 달라집니다.
- 실제 신호에 대한 아날로그 및 디지털 연결,
- 장치의 신호 처리 리소스 및
- 필요한 디지털 신호 처리 알고리즘 및 사용자 인터페이스에 대한 개발자(또는 사용자)의 구현입니다.
위의 3번 항목은 순전히 소프트웨어와 관련이 있으므로 IoC 장치의 기능은 수명 기간 동안 정기적으로 업그레이드될 수 있습니다. 즉, 기능이 고정된 기존 장비와 달리 IoC 장치는 종종 무선 소프트웨어 업데이트를 통해 시간이 지남에 따라 성능이 향상됩니다. 이러한 소프트웨어 업데이트는 향상된 성능, 새로운 기능 및 새로운 장비를 제공합니다. 3개의 기기만 포함되어 있던 Moku:Lab을 구매한 사용자는 이제 무료 무선 소프트웨어 업데이트를 통해 제공되는 14개의 기기에 액세스할 수 있습니다. 이러한 업데이트는 제품 수명 중간에 완전히 새로운 기능(예: 다음 달부터 사용자 프로그래밍 기능 및 다중 계측기 기능을 포함하는 Moku:Pro)을 잠금 해제할 수도 있습니다.
입력 및 출력 회로를 설계할 때 한 가지 과제는 여러 애플리케이션에 대한 요구 사항의 상위 집합을 지원해야 한다는 것입니다. IoC 장치는 모든 계측기에 대해 동일한 아날로그 프런트엔드를 사용하여 종종 여러 계측기에 걸쳐 동시에 데이터를 팬아웃합니다. 많은 사용 사례를 지원할 때 입력 회로(아날로그 프런트 엔드)는 단일 애플리케이션에 맞게 쉽게 특화될 수 없습니다. 예를 들어, 오실로스코프에는 여러 범위와 임피던스 설정이 필요한 반면, 스펙트럼 분석기는 높은 동적 범위가 필요하고, 잠금 증폭기는 낮은 노이즈를 우선시합니다. 그러나 성능 향상은 여러 장비와 애플리케이션에 도움이 되므로 프런트 엔드 설계를 최적화하려는 동기가 더 높습니다.
IoC 장치의 신호 처리 능력은 반도체 산업의 밀도, 전력 소비 및 집적 회로 속도의 급속하고 끊임없는 발전 덕분에 빠르게 향상되고 있습니다. IoC는 컴퓨팅 및 네트워킹 애플리케이션을 위한 향상된 칩을 제공하기 위해 매년 수십억 달러의 투자를 통해 이익을 얻습니다. 이러한 발전이 가능하게 된 것은 놀랍습니다. 5년 전, IoC 장치의 첫 번째 물결은 저가형 애플리케이션에서 기존 테스트 장비와 거의 동등하지 않았습니다. IoC는 이제 제품 범주로 성숙해졌으며 더 크고 빠르며 성능이 뛰어난 FPGA의 획기적인 발전으로 인해 IoC 아키텍처는 이제 많은 애플리케이션에 대한 기존 접근 방식에 비해 확실한 이점을 제공합니다.
그냥 컴퓨터를 사용하면 안 되는 이유는 무엇입니까?
운영 체제를 실행하는 컴퓨터의 CPU는 신호 처리 알고리즘에 필요한 결정적 타이밍을 보장할 수 없습니다. 문제는 운영 체제가 사용자 인터페이스 처리, 마우스 이동 여부 확인, 일반적으로 백그라운드 프로세스의 여러 스레드 실행과 같은 많은 범용 작업을 처리해야 한다는 것입니다. 주어진 작업의 예약은 필요한 수준에서 관리될 수 없습니다(샘플은 몇 나노초마다 수신되거나 전송되어야 함).
작업 하위 집합에 집중하기 위해 개별적으로 전용할 수 있는 여러 개의 코어를 사용할 수 있으면 상황이 어느 정도 개선될 수 있지만, 이렇게 하면 문제가 최소화되지만 제거되지는 않습니다. 예를 들어, National Instruments의 LabVIEW 소프트웨어에서 사용자는 일반적으로 밀리초 단위로 신호 처리 타이밍을 지정합니다. 맞춤형 실시간 운영 체제를 사용하면 타이밍 해상도가 향상되고 마이크로초 단위로 타이밍을 요청할 수 있습니다. FPGA에서 기능은 일반적으로 2~10나노초인 모든 클록 주기 실행을 보장할 수 있습니다. 더욱이 이는 결정적이므로 일관된 타이밍에 작업이 발생하도록 보장하는 데 의존할 수 있습니다.
왜 FPGA인가?
IoC 장치에서 DSP를 구현하는 데는 다양한 종류의 처리 칩이 사용될 수 있는데 왜 FPGA가 인기 칩으로 떠오른 걸까요? CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 처리 장치), ASIC(주문형 집적 회로) 등 빠른 신호 처리가 가능한 몇 가지 일반적인 종류의 칩이 있습니다. 이러한 각 칩은 서로 다른 최적화의 결과입니다. 그림 3은 효율성은 증가하고 유연성은 감소하는 스펙트럼으로 배열된 이러한 칩을 보여줍니다. 왼쪽부터 CPU는 유연성의 왕이자 범용 컴퓨팅의 일꾼이다. CPU는 아마도 당신이 이 단어를 읽고 있는 장치 내부에서 작동하고 있을 것입니다. 오른쪽으로 이동하면 유연성은 떨어지지만 일반적인 CPU보다 더 많은 코어(아마 100배 이상)를 갖춘 높은 처리량 병렬 처리에 최적화된 GPU가 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 GPU의 주요 목적은 3D 컴퓨터 그래픽과 관련된 계산을 수행하는 것이었습니다.
FPGA는 칩 전체에서 동시에 독립적으로 발생하는 수천 개의 작업과 훨씬 더 병렬적입니다. FPGA 칩에는 코어가 없지만 대신 칩 전체에 배열된 로직, 곱셈기 및 메모리와 같은 분산 리소스 웹이 있습니다. 이러한 리소스 간의 연결은 재구성 가능합니다. FPGA 처리 명령은 리소스 간의 연결을 재배선하여 수정됩니다. 그러나 명령어 수정은 직렬화된 명령어를 처리하는 데 효율적인 CPU보다 훨씬 오래 걸립니다. 대신 FPGA는 매우 자주 변경되지 않는 명령을 사용하여 직렬화된 데이터에 최적화되어 있습니다. 저는 물(데이터)이 흐르는 얕은 강바닥의 돌과 같은 FPGA의 리소스에 대해 생각하고 싶습니다. FPGA는 FPGA 패브릭의 개별 섹션에서 독립적으로 작업이 발생하므로 병렬 처리에 자연스럽게 적합합니다. 파이프라이닝 기술을 사용할 수 있다면 복잡한 디지털 신호 처리(DSP) 체인을 병렬로 효율적으로 구현할 수 있습니다. DSP의 여러 단계는 마지막 반복(클럭 주기/사이클당 한 번 발생)에서 이전 단계의 출력에서 작동하여 FPGA의 개별 섹션에서 동시에 수행될 수 있습니다. 이러한 방식으로 n 단계의 신호 처리는 매 클록 사이클마다 1개의 출력이라는 높은 처리량을 갖지만 n 사이클의 대기 시간을 갖는 FPGA의 n 독립 영역으로 구현될 수 있습니다. 2~10나노초 범위의 클록 사이클의 경우 이 지연 시간은 일반적으로 폐쇄 루프 피드백 제어 애플리케이션의 경우에도 무시할 수 있는 영향을 미칩니다.
그림 3의 맨 오른쪽에는 유연성이 가장 낮지만 가장 효율적인 프로세서인 ASIC이 있습니다. 강바닥 비유로 돌아가서, ASIC의 경우 돌은 제자리에 콘크리트로 만들어졌습니다. ASIC의 실리콘은 필요한 정확한 신호 처리에 맞게 고도로 최적화될 수 있지만 제조 시 고정되어 칩 수명 동안 변경할 수 없습니다. 맞춤형 ASIC의 설계 및 제조에는 초기 비용이 높으므로 대량이 필요한 경우에만 비용 효과적인 경향이 있습니다. IoC 장치는 효율성을 중시하는 경향이 있지만 어느 정도 유연성이 필요하므로 그림 3의 두 번째 칩인 FPGA가 선호됩니다.
그림 3: 효율성과 유연성의 순서로 배열된 일반적인 유형의 처리 칩
기본 신호 처리는 일반적으로 FPGA에서 구현되지만 CPU는 네트워크 연결 및 구성 기능을 관리하는 데 적합합니다. 이러한 이유로 대부분의 IoC 장치는 FPGA와 프로세서가 모두 존재하는 SoC(시스템 온 칩) 솔루션을 사용합니다. 여기에는 Liquid Instruments 및 Red Pitaya의 모든 시스템과 Digilent의 일부 최신 고급 제품이 포함됩니다. 인공 지능 애플리케이션의 등장은 새로운 유형의 신호 처리 칩 개발을 주도하고 있습니다. TSMC와 같은 전용 반도체 파운드리 하우스와 결합된 "팹리스" 칩 설계 하우스의 증가로 우리는 실리콘 칩 설계의 르네상스를 목격하고 있으며 IoC 장치가 이러한 개발로부터 어떤 이점을 얻을지 지켜보는 것은 흥미로울 것입니다.
재구성 가능한 하드웨어에는 재구성 가능한 사용자 인터페이스가 필요합니다
IoC 장치와의 사용자 상호 작용도 독립형 테스트 장비의 상호 작용과 다릅니다. 기존 테스트 장비 "박스"에서 사용자 인터페이스는 화면이 내장된 전면 패널 버튼의 그리드입니다. IoC 장치에는 실행 중인 계측기에 따라 필요한 컨트롤이 변경되므로 전면 패널 버튼이 없는 경향이 있습니다. 예상하지 못한 결과 중 하나는 대부분의 장비에 화면이 내장되어 있지 않다는 것입니다. 제어를 위해 별도의 컴퓨팅 시스템이 필요한 경우 이 화면은 종종 뛰어난 유용성을 갖춘 전체 사용자 인터페이스를 제공할 수도 있습니다.
IoC 사용자는 맞춤 제작된 통합 화면 대신 쉽게 사용할 수 있는 컴퓨터나 태블릿을 사용하여 다양한 선택권을 갖게 됩니다. IoC 장치는 틈새 테스트 및 측정 표준보다 이더넷, Wi-Fi 및 USB와 같은 컴퓨터 산업 통신 표준을 선호하는 경향이 있습니다. 아마도 RS232나 GPIB를 IoC 장치와 통신하는 데 선호되는 방법으로 보지 않을 것입니다.
그림 4: 오실로스코프, 임의 파형 발생기, 위상계 및 PID 컨트롤러 장비에 대한 Moku 사용자 인터페이스의 예.
Liquid Instruments가 출시되었을 때 Moku:Lab 몇 년 전, 우리는 전체 사용자 경험을 다시 생각해 볼 기회를 얻었습니다. 우리는 대규모 (광학) 연구실에서 많은 일을 하고 있으며 하드웨어와 분리된 UI를 원했습니다. 그래서 연구실을 돌아다니며 작업을 조정할 때 UI를 사용할 수 있기를 원했습니다. 태블릿은 훌륭한 폼 팩터였습니다. 기존 테스트 장비 사용자 인터페이스를 태블릿에 이식하는 대신 최신 사용자 인터페이스 디자인의 장점을 테스트 장비에 적용하기 시작했습니다.
이 결정으로 인해 많은 이점이 생겼습니다. 많은 젊은 사용자가 스마트폰에서 성장하여 사용법을 즉시 알 수 있기 때문에 교육이 줄어듭니다. 우리는 터치 스크린이 많은 사람들이 물리적인 손잡이와 버튼을 사용할 때 느꼈던 "무언가를 망가뜨릴" 것이라는 두려움 없이 새로운 사용자에게 탐색 감각을 불러일으키는 것을 관찰했습니다. 인터페이스는 다양한 계측기에서 일관되므로 플랫폼의 모든 계측기를 사용하는 방법을 더 쉽게 배우고 기억할 수 있습니다.
최신 주류 운영 체제를 사용하면 사용자가 테스트 장비만을 위한 맞춤형 클라우드 스토리지 서비스에 가입할 필요 없이 클라우드 스토리지(예: Dropbox, Google Drive 등)에 자동으로 액세스할 수 있습니다. 그리고 마지막으로 우리는 사용자이기 때문에 빠르고, 아름답고, 일반적으로 사용하기 즐거운 앱을 만들려고 노력했습니다.
IoC의 미래: 다음은 무엇인가?
오늘날 우리가 보고 있는 것은 IoC의 시작일 뿐이며 기반 기술과 플랫폼으로서의 IoC 장치의 개선 모두에서 상황이 빠르게 변화하고 있습니다. FPGA의 병렬 처리 리소스가 계속 증가함에 따라 우리는 더 많은 기능을 추가하고 사양을 개선하며 더 많은 기능을 갖춘 계측기를 구축할 수 있습니다. IoC 장치의 첫 번째 물결은 오실로스코프나 임의 파형 발생기와 같은 단일 독립형 계측기를 대체했습니다. 더욱 강력한 칩을 갖춘 Instrument-on-Chip 장치는 테스트 장비의 전체 시스템을 대체하기 시작할 것입니다. PXI 섀시와 여러 하드웨어 모듈을 구매하는 대신 다음과 같은 시스템을 사용할 수 있습니다. Moku:Pro 여러 개의 핫스왑 가능한 소프트웨어 모듈을 실행하는 데 사용할 수 있습니다.
몇 가지 장점은 분명합니다. 당신은 새벽 2시에 실험실에서 마감일에 맞춰 데이터를 얻으려고 노력하고 있는데 핵심 테스트 장비가 없습니다. 이제 새 하드웨어를 주문하고 배송을 위해 몇 주를 기다리는 대신, 다운로드하고 몇 분 만에 실행할 수 있습니다. 다른 장점은 덜 분명하지만 잠재적으로 더 영향력이 있습니다. 예를 들어, PXI 시스템에서 모듈은 일반적으로 전면 패널 입력 및 출력을 케이블로 연결하거나 PXI 백플레인을 사용하거나 때로는 DMA(직접 메모리 액세스) 채널을 사용하는 중간 프로세서를 통해 통신합니다. 이 전송 방법은 하드웨어 모듈 간 데이터 전송의 속도, 대기 시간 및 결정성에 심각한 제한이 있습니다. 또는 케이블을 사용하여 아날로그 신호를 연결하면 신호가 디지털에서 아날로그로 변환되고 다시 디지털에서 아날로그로 변환되므로 신호 대 잡음비(SNR)가 저하될 수 있습니다. 다중 계측기 지원 IoC 시스템을 사용하면 FPGA 칩을 벗어나지 않고도 계측기 간에 신호를 전달할 수 있습니다. 이는 매우 낮은 대기 시간과 SNR 저하 없이 높은 데이터 속도를 제공합니다. 일부 PXI 하드웨어 모듈에는 타임베이스를 다른 모듈과 동기화하기 위해 수천 달러의 비용이 드는 외부 클럭/동기화 모듈이 필요합니다. 모든 모듈이 동일한 클럭 도메인 내의 동일한 칩에서 실행되는 IoC 장치에서는 그렇지 않습니다. 다음 달부터 다중 계측기 기능을 갖춘 Moku:Pro를 구성하여 전체 테스트 시스템을 대체할 수 있습니다. 물론 해당 테스트 시스템 구성을 몇 초 만에 다른 테스트 구성으로 전환하여 이제 여러 테스트 시스템을 교체할 수 있습니다. 우리는 다중 장비가 복잡한 테스트 요구 사항을 가진 사람들을 위한 게임 체인저가 될 것이라고 생각합니다.
우리는 또한 다중 계측기와 함께 다음 달 Moku:Pro에 출시될 두 번째 주요 기능인 FPGA 프로그래밍에 대한 액세스에 대해 기대하고 있습니다. 이를 통해 전문 사용자는 최고의 사용자 정의를 얻을 수 있습니다. 사용자는 간단한 맞춤형 측정 구현부터 완전히 새로운 정교한 계측기 구축에 이르기까지 모든 작업을 수행할 수 있습니다. 전체 계측기를 구축하는 것은 복잡한 작업이며 마음이 약한 사람에게는 적합하지 않지만 Moku:Pro의 FPGA는 크기가 크므로(9개 이상의 로직 셀과 600,000개 이상의 DSP 슬라이스를 갖춘 Zynq UltraSCALE+ ZU2,520EG입니다!) 희망적으로 부족합니다. 자원은 문제가 되지 않습니다. 더 좋은 점은 사용자의 맞춤형 FPGA 생성이 다중 계측기 모드에서 실행된다는 것입니다. 즉, 이를 기존 계측기에 연결하여 사용자 인터페이스를 제공하고 번거로움을 최소화하면서 데이터를 저장할 수 있다는 의미입니다.
IoC: 테스트 장비의 컴퓨터
컴퓨터는 현대 생활의 여러 측면에 혁명을 일으켰기 때문에 컴퓨터가 처리 요구 사항에 대한 솔루션이 아닌 응용 프로그램을 찾기가 어렵습니다. 과거에는 편지를 쓸 때 타자기를 사용했고, 계산할 때 계산기를 사용했습니다. 그러다가 컴퓨터가 등장하고 모든 것이 바뀌었습니다. 그것은 우리가 편지를 쓰는 데 도움이 될 수 있고 사물을 계산할 수도 있지만, 그것이 발명될 당시에는 꿈도 꾸지 못했던 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 컴퓨터는 다른 산업과 동일한 방식으로 테스트 및 측정을 정복하지 못했거나 적어도 완전한 솔루션을 제공하지 못했습니다. 우리는 IoC를 통해 테스트 및 측정 산업 컴퓨터의 레시피를 발견했다고 믿습니다.
Liquid Instrument의 최신 IOC 기술 발전에 대해 자세히 알아보세요. Moku:Pro.
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