HDL 최적화 및 완벽한 공급망을 제공하는 FPGA용 CPU 소프트 IP
2020년 02월 06일
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RISC-V 개방형 ISA는 개별 애플리케이션을 가장 효율적으로 실행할 수 있도록 명령어 집합을 최적화함으로써 항공우주 및 방위 분야 개발자들에게 전력 소비와 BOM 비용, 보드 면적 최소화 등의 문제 해결 솔루션을 제공한다.


글/ 켄 오닐 (Ken O’Neill), 마이크로세미(마이크로칩테크놀로지 자회사) 항공우주 사업부 마케팅 디렉터


항공우주 및 방위산업 개발 분야는 휴대형 기기를 비롯해 차량 탑재용, 해양, 항공기 및 우주, 유인 및 무인 시스템 분야의 전술 또는 전략 애플리케이션을 모두 포괄하는 매우 광범위한 영역이다. 항공우주 및 방위산업 분야의 개발은 중대한 임무 수행 중 가혹한 환경에서 높은 신뢰도가 요구되는 등의 여러 공통점을 갖지만, 각 시스템 타입에 따라 고유한 문제가 존재한다.


개발자는 휴대용 시스템이 갖는 소비 전력의 한계나, 또는 고온에 노출되거나 강제 환기가 불가한 장비 환경에서 시스템이 겪는 극심한 온도 제한 문제와 씨름해야 할 수도 있다. 장비 완제품이 극도의 충격 또는 진동, 극한 기온, 극한 수준의 수분 또는 습기, 극심한 방사선을 견뎌야 하는 경우도 있다.


환경적 요인들 이외에도 개발자는 다양한 공급망 이슈들을 처리해야 한다. 한 예로는 여러 유형의 항공우주 및 방위 시스템에서 요구하는 고도의 품질 요건과 인증 획득에 투자하려는 공급업체들의 수가 줄고 있다는 것을 들 수 있다. 최근 몇 년 간 여러 정부 방위 프로그램의 담당자들은 구입 대상 시스템에 포함된 구성 요소와 IP의 신뢰도에 대해서도 보다 많은 주의를 기울이기 시작했다.


소프트 IP 코어의 장점을 제공하는 FPGA
FPGA(field programmable gate array)는 개발자들에게 로직 통합을 위한 유연한 플랫폼을 제공하며, 이는 항공우주 및 방위산업의 전 분야에서 앞서 언급한 과제들에 대응하는데 활용될 수 있다. 많은 방위 시스템들은 고속 신호 프로세싱, 하드웨어 가속, I/O 확장, 임베디드 프로세싱을 실행하기 위해 FPGA에 의존한다.


FPGA에서 임베디드 프로세싱에 접근하는 가장 유연하면서도 활용도 높은 방법은 소프트 IP 프로세서 코어를 이용하는 것이다. FPGA에서 마이크로프로세서 구현을 위해 소프트 IP 코어를 활용하는 장점은 영구적으로 구성되어 개발자가 임의로 수정할 수 없는 하드웨어 내장 프로세서와 비교해 높은 유연성을 제공한다는 것이다.


소프트 IP 프로세서 코어의 또 다른 장점은 프로세서에 대해 HDL(hardware description language) 코드를 사용할 수 있다는 것이다. 이 코드를 통해 개발자 혹은 제3자는 프로세서 IP가 의도한 기능을 수행하는 데 필요한 로직만 정확히 포함하고 있는지 확인할 수 있다. 이는 상업용 항공 애플리케이션에서 설계 보증의 핵심 원칙이며 일부 방위 애플리케이션들의 경우에는 신뢰성의 핵심 원칙이다. 그러나 대부분의 마이크로프로세서 IP 공급업체들이 프로세서 IP의 HDL 버전을 제공할 때 고액의 수수료를 부과하고 있으며, 최적화를 목적으로 한 IP 수정은 허용되지 않기 때문에 이 같은 유연성은 막대한 비용을 수반한다.

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마이크로프로세서를 위한 새로운 RISC-V 개방형 ISA(instruction set architecture)는 개발자들이 마이크로아키텍처를 조정하고 최적화하여 자신의 개발 프로그램 요건을 가장 적합하게 충족시킬 수 있도록 더 큰 자유도를 부여한다. 또한 개발자들이 IP 판매업체에 막대한 비용을 지불하지 않고도 설계 보증과 신뢰를 목적으로 HDL 코드를 철저히 열람할 수 있게 해준다.


RISC-V는 BSD(Berkeley Software Distribution) 라이선스 하에 사용 가능한 개방형 명령어 집합이다. 개발자는 어떠한 사용료나 라이선스 비용 없이 RISC-V 명령어 집합을 구현하는 모든 IP를 사용 또는 새로 만들 수 있다. 명령어 집합에 대한 표준 확장판은 동결되어 있으므로, 향후 개발되는 소프트웨어는 항상 현존하는 표준 확장판을 이용할 수 있게 된다.


해당 명령어 집합은 개방되어 있고 명령 코드(op code) 공간이 충분히 남아 있으므로, 개발자는 맞춤형 명령어로 자신의 시스템의 요건에 적합하도록 명령어 집합을 확장시킬 수 있다. 일례로, 특정 애플리케이션용으로 개발되는 코드에 특정한 일련의 명령어들이 빈번히 등장할 경우, 개발자는 자주 이용되는 명령어 시퀀스를 실행하기 위해 새로운 맞춤형 명령을 택할 수 있다.


개발자는 새로운 명령을 신속하고 효율적으로 실행하기 위해 마이크로프로세서 IP를 위한 추가 로직을 만들어낼 수 있다. 이를 통해 작업을 상당 부분 향상시키고 실행 코드(executable code)를 위한 코드 공간을 줄일 수 있다. RISC-V가 등장하기 전까지 프로세서 소프트 IP의 수정은 일반적으로 감당하기 어려울 만큼 값비싼 아키텍처 라이선스(architectural license)를 가진 조직의 경우에만 가능했다.


대다수의 방위 프로그램들은 신뢰성 높은 공급업체들이 제공하는 전자부품과 임베디드 IP를 이용해야 한다. 하지만 이 요건을 충족시키는 제품은 극소수에 불과하다. HDL 형태로 열람할 수 있는 IP를 보유하면 개발자나 최종 고객이 원하는 기능을 수행하는데 필요한 코드만 포함되었는지 확인할 수 있어 매우 유용하다. 뿐만 아니라 해당 장비의 최종 고객에게 IP가 항공우주 및 방위 시스템에서 안전하게 이용될 수 있도록 보장해준다.


HDL 코드 열람은 또한 감항성 인증(airworthiness certification)을 위해 철저한 절차를 거쳐야 하는 상업용 항공 시스템 등, 안전 필수적인 애플리케이션을 위한 소프트 IP의 검증에도 도움이 된다.


RISC-V 에코시스템은 계속해서 확장되어 가고 있다. 마이크로세미는 Mi-V를 통해, RISC-V 개발 지원을 위하여 회사 내부 및 수많은 협력업체들에 의해 개발된 포괄적인 툴 및 디자인 리소스들을 제공한다. Mi-V 에코시스템은 RISC-V ISA와 마이크로세미의 소프트 CPU 제품군이 보다 많이 채택되도록 하는 것을 궁극적인 목표로 하고 있다.


결론
RISC-V는 개별 애플리케이션을 가장 효율적으로 실행할 수 있도록 명령어 집합을 최적화함으로써 군사 및 항공우주 분야 개발자들이 겪는 전력 소비와 BOM 비용, 보드 면적 최소화 등의 문제를 해결할 수 있도록 한다. 또한 항공우주 및 방위 시스템 개발자는 RISC-V를 이용하여 검사성(inspectability) 요건을 손쉽게 충족할 수 있다.
 

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