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모바일 인터넷 디바이스의 새로운 지평을 연 TI의OMAP 3 아키텍처

휴대성에 대한 비중이 큰 모바일 기기에서의 반도체 솔루션 선정에 있어 제조업체들의 주된 관심사는 최저 전력 소비로 최대 성능을 확보하는데 있다. 또한 보드 크기, 배터리 크기 및 중량을 되도록 작게 유지하며, 시스템 비용을 최소화하기를 기대한다.

글_ Seshu Madhavapeddy, MID 사업부 총괄 매니저, 텍사스 인스트루먼트
Brian Calson, 무선 사업부 전략 마케팅 매니저, 텍사스 인스트루먼트

개요
모바일 인터넷 디바이스(MID)는 무선 통신과 컴퓨팅이 결합된 신생 제품군이다. MID는 노트북 PC보다 휴대성이 높고 스마트폰 보다 큰 디스플레이를 제공한다.

MID는 하루종일 휴대 사용이 가능하며 무선랜(WLAN)과 셀룰러 네트워크를 통한 손실 없는 인터넷 커넥티비티와 더불어 이목을 끄는 다양한 기능을 제공한다.

여타 휴대형 시스템과 마찬가지로, 반도체 솔루션 선정에 있어 제조업체들의 주된 관심사는 최저 전력 소비로 최대 성능을 확보하고, 보드 크기, 배터리 크기 및 중량을 되도록 작게 유지하며, 시스템 비용을 최소화시키는 것이다. 또한 MID 제조업체들은 완벽한 하드웨어 및 소프트웨어 통합, 우수한 지원 및 향후 제품에 대한 명확한 로드맵을 통한 신속한 개발을 기대하고 있다.

TI의 OMAP 기술은 첨단 하드웨어 및 소프트웨어를 하나의 완벽한 솔루션으로 통합시켜 이러한 요구사항을 모두 충족시키고 있다. OMAP 3 하드웨어에는 고성능 ARM 코텍스-A8 프로세서가 이미징, 비디오 및 그래픽을 위한 디지털 신호처리 기술과 멀티미디어 가속 기능과 통합되어 있다.

모바일폰을 위한 성공적인 솔루션의 생성에서 비롯된 OMAP 3 플랫폼은 MID 사용자들이 가능한 긴 배터리 수명으로 첨단 애플리케이션을 누릴 수 있도록 최저 전력으로 최고의 성능을 얻기 위한 TI 프로세스 및 설계 전문 지식의 최고점을 보여준다. PC 시장에서 규모만 축소시킨 솔루션과는 달리, 제조업체들은 OMAP 3 플랫폼을 통해 재충전 없이 하루종일 사용할 수 있는, 작고 가벼우면서도 합리적인 가격의 제품을 개발할 수 있다. 시스템 개발자들은 이제부터 모든 종류의 신생 MID 제품의 개발에 바로 활용할 수 있는 입증된 고성능 솔루션을 위한 OMAP 3 기술을 고려할 수 있게 되었다.

모바일 통신의 새로운 시장 공간
오늘날 개인 통신에서 개발이 가장 치열한 분야 중 하나는 스마트폰보다 디스플레이가 크면서, 노트북 PC 보다 이동성이 뛰어난 제품들이다. 이 이머징 마켓 분야의 모든 애플리케이션이 명확하게 정의되어 있지는 않지만, 최소한 이러한 시스템은 셀룰러 또는 WLAN 네트워크를 통한 인터넷 서비스를 제공해야 하며 하루 종일 휴대 사용이 가능해야 한다는 점은 분명하다.

이 분야의 제품을 MID라고 하며, 하이엔드 전화와 노트북 PC 간의 미드레인지 시장을 적절히 표현하고 있다. MID의 특징을 정의하자면 다음과 같다.

• 모든 플러그인과 폰트로 완전한 기능을 갖춘 브라우저를 갖춘 인터넷

• WiFi, WiMAX, 3G 셀룰러 및 블루투스의 조합을 통한 광대역 및 개인 커넥티비티

• 풀 웹 페이지를 보여줄 수 있는 고해상도 디스플레이

• 터치스크린 기술을 이용한 사용자 인터페이스

• 단 한 번의 배터리 충전으로 하루종일 사용 가능

다수 제조업체들은 이러한 능력을 소비자, 컴퓨터 및 통신 기능과 결합시키고자 한다. MID에는 다음과 같은 기능이 공통적으로 나타난다.

• 셀룰러 음성(Cellular voice) 서비스.

• 콘텐츠 및 서비스를 위한 전송 프레임워크를 제공하는 웹 2.0 원클릭 인터랙션

hilscher

• HD 미디어 플레이어, 캠코더, 및 고해상도 스틸 카메라

• 표준 PC 문서 읽기 및 편집이 가능한 기능 및 메세지, 음성, 영상을 통한 통합 통신 및 이메일과 같은 생산성 툴

• GPS 연동 지도, 교통정보 업데이트 및 경로 제시와 같은 내비게이션 툴

• 3D 그래픽을 갖춘 풍부한 양방향 게임

MID 최종 장비는 휴대 전화, 휴대형 미디어 플레이어, 휴대형 내비게이션 툴 및 전자책을 포함한 분야와 더불어, 손실없는 인터넷 기능, 무선가능 넷북, 모바일 디지털 TV, 모바일 소셜 네트워킹 기기 및 가상 세계 시스템과 같은 기능에 이르기까지 다양하다. 이 시장이 여전히 부상하고 있기 때문에 다수의 기타 애플리케이션의 출현도 기대할 수 있다.

대부분의 MID는 소비자와 기업을 겨냥하지만, 제품의 유연성 덕분에 수직 시장에서도 매력을 얻는 제품이 되었다. 애플리케이션들로는 무인 판매 시스템 및 휴대형 POS, 닥터 패드 및 개인용 의료 모니터링 기기가 있으며, 교육, 기업, 운송, 정부 및 방위 산업 등 다양한 용도로 쓰이고 있다. 기술 발달로 MID의 휴대성이 높아지고 기능이 더욱 다양해짐에 따라, 이러한 제품들은 바쁘게 활동하는 소비자와 기업가들의 생활 양식을 점진적으로 바꾸어 놓을 것이다.

MID의 세 가지 그룹
일반적으로 크기, 규모, 기능으로 구분되는 세가지 분야의 MID가 부상하고 있다. 시스템의 가격은 기능에 따라 다르지만, 대체로 $300 이내이다.

첫 번째 그룹인 ‘포켓 MID’은 디스플레이가 약 3~5인치이며 무게는 1/4 파운드(약 100g) 정도이다. 이러한 시스템들은 전화 서비스와 더불어 풀 웹 브라우징, 멀티미디어, 카메라 및 소형 폼팩터에 적합한 그 밖의 기능을 제공한다.

포켓 MID는 수억대 이상으로 추정되는 전화 시장 규모에서 스마트폰 기술의 업스케일링을 대표한다. 오늘날, 출시된 대다수의 스마트폰에는 전력 효율적인 ARM 마이크로프로세서와 TI의 앞선 디지털 신호 처리 기술에 입각한 TI의 OMAP 기술이 채택되어 있다. 포켓 MID는 근원이 되는 반도체의 새로운 발전을 활용하여 재충전 없이 하루 종일 사용할 수 있는 한층 우수한 기능을 제공한다.

두번째 그룹은 수천만 대로 추정되는 컴퓨터 시장, 규모축소형(scaled-down) PC 노트북이나 넷북이 있다. 디스플레이의 크기는 약 7 인치 이상이며, 시스템의 무게는 1 파운드(약 450g)이며, 완전한 인터넷 및 멀티미디어 기능과 함께 사무 생산성 기능을 제공한다. 이러한 시스템의 기능은 ARM 기반 포켓 MID가 제공하는 이례적인 웹 브라우징과 멀티미디어로 증명하듯, 레거시 PC 아키텍처에 전혀 의존하지 않는다.

포켓 MID와 넷북 사이에는 디스플레이가 4~7인치이며 무게가 약 1/2 파운드(약 220g)인 다양한 태블릿 MID가 있다. 다수의 태블릿에는 MID 기능에 스틸 카메라, 캠코더, 내비게이션 시스템, 미디어 플레이어 및 게임 플레이어와 같은 소비자 제품이 결합되어 있다.

태블릿 그룹은 타 그룹에 비해 여전히 그 범위의 한계가 정의되지 않았기 때문에 새로운 제품 혁신의 여지가 무궁무진하다. 무선 전화 시장의 반도체 솔루션의 전력 최적화를 활용할 수 있는 태블릿들은 성능이나 기능의 손실 없이 고도의 이동성을 제공할 수 있을 것이다. 그림 1은 MID의 세 그룹에 대한 정의와 선택적인 기능을 보여준다.

그림 1 – MID 그룹과 기능

MID 시스템 요구사항
MID는 견고한 기능을 제공하기 때문에 고성능이 요구된다. 예를 들면, 소비자 애플리케이션에 인터넷 커넥티비티 기능이 추가된 MID는 기본적인 통신 기능을 제공할 뿐만 아니라, 해당 애플리케이션에 대한 소비자의 기존 기대를 충족시킬 수 있어야 한다.

디지털 스틸 카메라(DSC)의 경우, 8~12 메가픽셀 이미지, 광학 줌, 오토 포커스, 1초 미만의 셔터 지연시간 등이 요구된다. 캠코더는 이미지 안정화와 HD 녹화 및 재생을 요구하며, 게임 콘솔에는 3D 그래픽이 요구된다. 미디어 플레이어는 모든 오디오 및 비디오 포맷을 지원하고 고해상도 디스플레이를 제공해야 한다. 내비게이션 시스템 사용자는 GPS 기반의 경로 탐색과 실시간 교통정보 업데이트를 요구하며, 웹 브라우저는 전면 표시 장치(full page display)와 모든 플러그인 및 폰트를 지원해야 한다. 이러한 요구사항은 시작에 불과하며, 그 밖의 소비자 애플리케이션이 앞으로 출현할 것이다.

소비자들에게 항상 동일한 사용자 경험을 제공하려면, MID는 광대역 및 개인 커넥티비티의 적절한 조합을 제공하여야 한다. 광역 네트워크와 개인영역 네트워크 기술 – Wi-Fi, WiMAX, 3G 셀룰러 및 블루투스 무선 기술 포함 – 을 조합하면 다중 모드 동작과 다양한 무선 네트워크 접속에 대한 액세스가 가능하다. 또한 GPS 내비게이션 기술은 비동기식 및 동기식 셀룰러 네트워크 내의 빠르고 정확한 위치 기반 서비스에 대한 액세스를 제공한다. 이런 사항이 적절히 조합된다면 소비자들은 언제 어디서든 접속하여, 엔터테인먼트를 즐기고, 최신 정보를 입수하며, 생산적인 활동이 가능해진다.

MID 시스템은 이러한 성능 요구사항을 충족시키는 동시에 가능한 작고 경량이어야 하며 단 한번의 배터리 충전으로 장기간 사용 및 대기가 가능해야 한다. 가격에 민감한 소비자 시장을 타깃으로 하는 기기의 경우, MID 제조업체들은 설계 시행에 가장 비용 효율적인 수단을 강구해야 한다. 급변하는 시장에서 개발 업체는 자사의 초기 설계를 신속하게 시장에 출시하고, 새로운 수요에 발맞춰 기존 제품에 참신한 변화를 주며, 향후 제품 개발에 대한 분명한 이동 경로를 확보할 수 있어야 한다.

MID 성공의 열쇠인 반도체
이런 사업의 바탕을 이루는 반도체 솔루션은 MID 시스템 설계 요구사항을 충족하는데 있어 필수적이다. 이 솔루션은 사용자가 요구하는 통신 및 멀티미디어 작업을 이룰 수 있도록 특별한 프로세싱 및 전용 엔진을 제공해야 한다.

보드 크기와 제조 비용을 통제하려면, 프로세서는 다중 프로세싱 코어, 충분한 메모리 및 모든 필수 시스템 주변장치가 포함된 시스템온칩(SoC) 통합을 이뤄야 한다. 제조 공정과 회로 설계는 실제 작동시 단위 소비 전력당 최대 성능을 확보할 수 있어야 하며 대기 동안에는 전력 누설이 거의 없어야 한다.

전력 절감을 통해 제조업체는 시스템에 더 작은 배터리를 사용할 수 있게 되며, 이로 인해 제품의 크기와 무게를 축소할 수 있게 된다. 이에 따라 시스템 및 배터리 요구사항은 더 적어지고 제조업체는 소비자의 눈길을 끌 수 있는 세련된 폼팩터를 개발할 수 있는 유연성을 제고시킬 수 있다.

또한, 프로세싱 솔루션은 프로그래머블하며 신속한 개발과 간단한 업그레이드 및 설계 변경을 위해 사용이 용이한 툴 뿐만 아니라, 필수 시스템 및 애플리케이션 소프트웨어를 포함해야 한다.

마지막으로, 반도체 공급업체는 더 낮은 전력으로 우수한 성능을 제공함은 물론 더 높은 수준의 통합과 보다 다양한 기능을 제공하는 향후 디바이스에 로드맵을 제공해야 한다. 이 모두가 시스템 제조업체들이 차세대 제품에 기존의 소프트웨어 개발품을 전적으로 활용할 수 있도록 설계되어야 한다.

무선 통신 시장의 속성 때문에, TI는 해당 요구사항에 부응하기 위해 15 년간 이상 모바일 전화용 프로세싱 솔루션을 구축해 왔으며, 제품들은 지금까지 여러 세대에 거쳐 꾸준히 진화해 왔다.

이와 반대로, PC 솔루션은 일차적으로 이동성 요구사항에 맞게 설계하지 않았기 때문에 이제 PC 솔루션 공급업체들은 거의 원점으로 돌아가 적절한 기술을 모색해야 한다. 공간과 비용을 최소한으로 유지하면서 저전력으로 고성능을 확보하는 문제는 무선 핸드셋에서는 이미 다루었지만 휴대형 컴퓨터에 대한 평가는 아직 진행 중이므로, MID 시스템 개발자들의 입장에서는 노트북 PC보다는 스마트폰에서 성공이 입증된 솔루션을 찾는 것이 효과적이다.

MID에 적합한 OMAP 3 플랫폼
모바일 시스템을 위한 TI의 최신 개발 기술은 MID 시스템의 요구사항을 충족하기 위해 특별히 고안된 OMAP 3 세대 애플리케이션 프로세서이다. OMAP 3 플랫폼은 슈퍼스칼라 ARM 코텍스-A8에 기반을 둔 업계 최초 애플리케이션 프로세서로, 전력소비 대 작업처리율이 높으며, 이전 세대의 ARM11 코어와 비교해 성능이 4배 향상된 앞선 ARM 프로세서이다

ARM 코텍스-A8은 완전한 기능을 갖춘 웹 브라우징, 랩톱 수준의 생산성 애플리케이션, 5초만에 이루어지는 빠른 부팅 시간과 MID에 없어서는 안 될 기타 기능을 확보할 수 있도록 TI의 의견을 수렴하여 설계되었다.

멀티코어 OMAP 3 플랫폼에는 TI의 업계 최고의 비디오 이미징 엑셀레이션인 TMS320C64x DSP및 전용 그래픽 엔진도 통합되어 있다. 이러한 강화에 따라, 이전에 출시된 OMAP 플랫폼 제품과 비교하여 최대 4배의 그래픽, 2배의 카메라 및 4배의 비디오 기능 외에도 720p HD 비디오를 재생하고 녹화할 수 있는 기능으로 멀티미디어에 있어 OMAP 3 프로세서의 성능은 새로운 고지에 도달했다. 그림 2는 OMAP3440 프로세서의 내부 블록과 더불어 나머지 시스템의 연결을 보여준다.

그림 2 – MID 시스템에 연결된 OMAP3440 프로세서

저전력으로 고성능 확보 가능
MID용으로 규모가 축소된 PC 중심 x86 솔루션에 비하여 OMAP 3 플랫폼은 크기, 가격, 전력 효율 측면에서 커다란 장점을 제공한다. OMAP 3 아키텍처는 모든 핵심 성능, 메모리 및 시스템 주변장치가 단일 디바이스에 통합되어 있어, 메모리 컨트롤러, 비디오 디코더, 그래픽 엔진 및 I/O를 포함하는 칩셋과 CPU의 두 칩 간의 기능이 분할된 최고의 PC 중심 x86 솔루션에 필요한 칩 공간을 3/4 이상 절감할 수 있다.

최고의 x86 기반 코어와는 달리, OMAP 3 코텍스-A8 코어는 스택 메모리를 지원하는 단일 칩 솔루션으로 제품 크기 축소에 중요한 보드 공간을 90 % 절감할 수 있다.

최고의 x86 솔루션은 CPU 전용의 45nm CMOS 프로세서를 자랑하지만, 필요한 동반 시스템 컨트롤러 허브는 130nm로 구현되어 있다. CPU의 45nm 프로세스는 PC 시장의 요구사항에 부응하기 위한 목적으로 모바일 무선 시장의 요구사항을 충족시키기 위해 개발한 TI의 65nm 프로세스와 동일한 전력 대 성능 효율을 제공하지 않는다.

보다 작은 지오메트리 프로세스에서도, x86 솔루션은 OMAP 3 프로세서의 두 배에 달하는 다이 크기를 요구하며, 유사한 성능에 대해 상당히 많은 전력을 소비한다. 대규모의 무선 시장과 결합된 보다 작은 다이 크기는 비용에서도 차별화가 이루어져 단일 칩 OMAP 3 플랫폼은 최고의 x86 솔루션와 비교해 절반 미만의 비용이 소요되므로 최종 장비의 가격이 훨씬 더 저렴하다.

OMAP 3 플랫폼은 TI의 제조 프로세스 혁신과 전용 스마트리플렉스 전력 및 성능 소프트웨어를 활용하여, 전력 효율적인 고성능을 실현하도록 설계되어 있다. 800MHz에서 통합 OMAP 3 프로세서가 최악의 경우 소비하는 전력은 2칩 x86 솔루션에 필요한 약 3~5W(4~6배 이상)에 비하여 750mW이다.

나머지 시스템에 대해서도 전력 소비가 유사한 TI의 솔루션은 웹 브라우징 및 비디오 재생시 최대 3 배에 달하는 배터리 수명을 제공한다. 사실, 평균 작동 중에 OMAP 3 프로세서는 유사한 조건에서 최고의 x86 솔루션이 필요로 하는 160~220mW의 11~16% 정도인 25.6mW 전력만을 소모하므로, 이 예시를 통해 그 장점을 이해할 수 있다.

장점의 일부는 OMAP 3 플랫폼의 전력 절감을 위한 능동적인 작동과 최고의 x86 프로세서에 비하여 MHz 당 30% 이상 우수한 전력 효율을 제공하는 코텍스-A8에서 비롯된다. 하지만 더 큰 장점은 TI 프로세스와 설계 기술이 누설 전류를 최소로 유지하는 OMAP 3 프로세서의 저전력 모드에서 비롯된다.

실제로 딥 슬립(deep sleep) 모드에서 OMAP 3 프로세서는 전류를 거의 소모하지 않으면서도 사용자 요구에 즉시 응답할 수 있다. 이와 대조적으로, 최고의 x86 솔루션은 전력 절감 모드에서 대략 80~100mW를 소모하는데, 이는 다수의 용례에서 x86 솔루션이 슬립 모드에서 소비하는 전력과 동일한 전력으로 OMAP 3 디바이스는 완전히 활성화하도록 하기 위해서이다.

시간 측면에서는, OMAP 3 플랫폼 기반의 시스템은 웹 브라우징, 멀티미디어 및 여타 집중적인 테스크를 수행하면서도 재충전 없이 하루 종일 작동할 수 있지만, 최고의 x86 솔루션 기반 시스템은 단 몇 시간만 지속될 뿐이다. 대기 모드에서 최고의 x86 솔루션 기반 시스템은 하루에도 몇 번씩 충전이 필요하지만 OMAP 3 프로세서는 한 번의 충전으로 일주일 이상 지속될 수 있다.

다른 수준의 전력 소비는 다른 배터리로 지원해야 한다. x86 솔루션 기반의 MID에 대한 레퍼런스 설계에는 OMAP 3 설계에 필요한 것보다 크기와 무게가 2~3배에 달하는 배터리가 요구되므로, 최종 장비의 크기는 커질 수 밖에 없다.

첨단 시스템 소프트웨어 및 개발 툴
이러한 이유로 새롭게 등장하는 MID 애플리케이션은 OMAP 3 플랫폼 기반 하드웨어의 편익을 누릴 수 있다. 향후 OMAP 기술 제품은 보다 높은 수준의 통합으로 저전력에서 보다 우수한 성능을 지속적으로 제공할 것이다. 일부는 이미 개발 중이며 나머지는 개발 예정이다.

제조업체들은 MID 시스템의 신속한 개발을 위해 TI의 지원을 고려해 보는 것도 좋을 것이다. OMAP 3 플랫폼은 시스템 소프트웨어, 멀티미디어 프레임워크 및 광범위하게 사용되고 있는 리눅스, 마이크로 소프트 모바일 및 심비안 운영 시스템에 대한 지원을 포함한다. 제조업체들은 개발을 가속화하고 시스템 내의 호환성 확보에 도움되는 입증된 알고리즘과 애플리케이션 모듈에 대하여 TI의 방대한 개발자 네트워크를 고려할 수 있다. 그림 3은 전체 플랫폼이 얼마나 서로 잘 조화되어 있는지를 보여준다.

그림 3 – MID 하드웨어 및 소프트웨어 레퍼런스 설계

TI는 MID 솔루션 공급업체 가운데 유일하게 시스템 개발에 수반되는 상당한 기간을 절감시켜, 디바이스 제조업체의 출시 기간을 단축시킬 수 있는 완벽한 하드웨어 및 소프트웨어 레퍼런스 설계를 제공한다.

개발을 간소화하는 기타 리소스들 중 하나인 줌 모바일 개발 키트(MDK)는 다양한 운영 시스템에서 사용이 가능하며, 그 기능이 지속적으로 확장되는 비용 효율적인 플랫폼이다. OMAP3430 애플리케이션 프로세서에 의거한 Zoom MDK에는 TI의 무선 커넥티비티 기술, 3메가픽셀 카메라 센서, 3.7인치 VGA TFT 터치스크린 디스플레이, TV 출력 및 기타 기능이 포함되어 있다. 제품 품질의 소프트웨어 레퍼런스 설계에는 TI 기본 드라이버와 TI 멀티미디어 프레임워크 및 코덱과 완전한 써드파티 애플리케이션 모음집과 리눅스, 윈도우 모바일 및 심비안 소프트웨어 시스템 UI가 들어 있다.

TI는 400여 소프트웨어 개발업체로 구성된 견고한 개발자 네트워크를 확보하고 있다. TI의 OMAP 개발자 네트워크는 TI의 무선 기술에 관한 혁신적인 애플리케이션, 서비스 및 멀티미디어 모듈을 지속적으로 제공한다. 광범위한 써드파티 소프트웨어 개발자 및 하드웨어 제조업체들이 탄생시킨 최적화된 OMAP 소프트웨어와 알고리즘은 핸드셋과 MID용으로 혁신적이고 매력적인 애플리케이션을 제공한다.

TI와 해당 제휴업체의 툴 및 모듈과 더불어 완벽한 OMAP 3 하드웨어와 소프트웨어 플랫폼을 이용하면, 제조업체들은 신규 MID 제품의 출시 기간을 단축할 수 있다.

MID 제품(포켓 MID, 태블릿 및 넷북)이 이제 막 부상하기 시작했지만 이 제품들은 이미 소비자의 인터넷, 엔터테인먼트, 통신 이용 방식을 변화시키고 생산성을 향상시키고 있다. 소비자는 이 제품들이 탁월한 이동성과 적절한 가격 외에도 견고한 인터넷, 멀티미디어 및 여타 애플리케이션을 제공하기를 바라고 있다.

미래의 MID 솔루션
MID 시스템 제조업체들은 고도의 성능과 첨단 기능을 제공하는 동시에 크기와 무게를 줄이고 배터리 사용 시간을 늘이며 비용을 낮출 수 있는 솔루션을 강구해야 한다.
OMAP 3 플랫폼에는 MID에 대한 이러한 과제를 충족할 수 있는 프로세스 제조, 회로 설계 및 모바일 통신에서 TI의 심층적인 전문 지식이 결합되어 있다. 이 같은 리더십은 향후 OMAP 플랫폼 기반의 발전으로 지속될 것이다.

아이씨엔 매거진 2009년 01월호

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