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비용 효과적인 케이블 기가비트 직렬 링크의 구현

지난 10년 동안 실리콘 기술의 발전으로 인해 많은 애플리케이션들이 더욱 많은 데이터를 처리할 수 있게 되었고, 그 애플리케이션에서 지금껏 상상했었던 것 이상으로 더욱 높은 품질 결과를 내놓을 수 있게 되었다. 오늘날, 마이크로프로세서 기술의 발전은 훨씬 더 많은 애플리케이션들이 과거 그 어느 때보다도 더욱 풍부한 데이터 유형들을 처리하고 훨씬 더 빠른 결과를 생산할 수 있는 길을 열어주었다.

글_ Atul Patel, 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)

더욱 많은 데이터를 처리할 수 있는 새로운 능력을 갖게 됨으로써 현재 텔레콤, 산업자동화, 비디오, 항공전자공학 등에서의 전자시스템은 자체 프로세싱 장치와 데이터를 효과적으로 주고 받아야 될 필요성이 생겼다. 이러한 시스템들에서 데이터 이동에 필요한 속도는 지금 현재 초당 수 기가비트에 달할 수 있다.

역사적으로, 기가비트 데이터 속도의 애플리케이션은 텔레콤과 데이터 통신 시스템에 속해 있었다. 그러나 현재는 의료용 이미징, 머신 비전, 기타 등등의 시스템들 역시 고속 이미징 카메라와 고해상도 이미징 시스템, 데이터 프로세싱 장치 같은 소스들 사이에서 효율적으로 데이터를 이동하기 위해 자체 시스템에 기가비트 직렬 링크를 구현해야 할 필요성을 가지고 있다.

기가비트 직렬 링크 구현은 전기공학계에서는 전혀 새로운 일이 아니다. 그러나 기가비트 직렬 링크는 역사적으로 전기신호를 빛으로 바꾸거나 그 반대로 바꾸는 광학 모듈과, 광섬유 케이블을 사용해 구현되어 왔다. 광학 미디어는 매우 높은 비트 속도의 데이터를 이동시키는데 매우 뛰어나다. EMI, 표면효과, 혼선 등과 같이 전기신호를 떨어뜨리는 장애들에 영향을 받지 않기 때문이다. 높은 비트 속도의 전기신호가 구리 미디어를 통해 전송되면 전기 영역에서 이러한 장애들은 종종 비트 오류를 발생시키게 되고, 이러한 오류는 대부분의 애플리케이션에서 수용되지 못하는 것이 일반적이다.

10-15년 전에 어떤 엔지니어가 애플리케이션내에 멀티-기가비트 직렬 링크를 구현하고자 했다면, 그 당시 반도체 기술 상황을 감안했을 때 광학 링크가 유일하게 선택할 수 있는 대상이었을 것이다. 광학 링크는 장점이 많지만, 몇 가지 주요 단점들 때문에 대다수 애플리케이션에서 사용이 어렵게 되어 있다. 이 단점들에는 구현 비용이 높다는 점도 있다. 대부분의 경우 광학 구현은 구리 케이블 애플리케이션에서 드는 비용의 몇 곱절로 비용이 들 수도 있다.

더욱이, 광학 영역 내에서 필요한 기술 세트, 광학신호에 필요한 특수 테스트 장비 등인 단점들이 있다. 광학 링크 작업을 해보지 않은 엔지니어는 이 직렬 링크를 구현할 때 훨씬 더 가파른 학습곡선을 가지게 될 것이다. 이러한 단점들은, 대부분의 애플리케이션들이 시장 침투에 필요한 특정한 유인 가격대를 가지고 있다는 점을 감안했을 때, 종종 대다수 애플리케이션들이 감내할 수 없는 개발생산 비용의 증가로 이어진다.

지난 10년 동안 실리콘 기술의 발전으로 인해 두 가닥으로 꼬인 케이블과 백플레인 트레이스 같은 구리 미디어에서 멀티 기가비트 직렬 링크가 가능하게 되었다. 수신 이퀄라이제이션(receive equalization)과 전송 프리엠퍼시스(transmit pre-emphasis) 같은 반도체 기술들은, 엔지니어로 하여금 꼬인쌍선의 두 가닥 구리 미디어에서 최대 20-40 미터까지 도달할 수 있는 멀티-기가비트 직렬 링크를 구현할 수 있게 해준다. 또한, 이러한 신기술들(이퀄라이제이션과 전송 프리엠퍼시스)은 시스템 엔지니어로 하여금 케이블과 백플레인 기반 직렬 링크를 구현하기 더 쉽게 해주는 기가비트 serdes (Serializer/De-Serializers) 같은 통합 회로 디바이스에서 훨씬 더 많이 발견되고 있다. 이러한 반도체 기술의 발전으로 인해 시스템 설계자는 자신들의 애플리케이션에서 기가비트 직렬 링크를 비용효과적으로 구현할 수 있게 되었다.

신호 조정, 이퀄라이제이션

이퀄라이제이션에 대한 심층 기술 분석은 본고의 범위를 넘어선 것이다. 그러나 수신 이퀄라이제이션과 전송 프리엠퍼시스 같은 이퀄라이제이션 방식이 신호 조정 기술의 범주에 들어가는 것을 이해하는 것은 중요하다. 일반적으로, 이퀄라이제이션(신호 조정)은 미디어 채널이 신호에 미치는 감쇠 효과를 보정하려고 한다. 예를 들면, 단순 프리엠퍼시스 체계는 링크의 전송 쪽에서 신호의 사전 왜곡을 시도한다. 이렇게 사전에 강조된 신호가 구리 케이블 같은 미디어를 통해 이동한 후 수신기에 도달하게 되면, 그 신호는 트랜스미터에서 발진된 신호와 매우 흡사하게 된다.

단순 수신 이퀄라이제이션 체계는 종종 수신기 채널에서 구현되며 들어오는 신호를 잡아 여과 작업을 한다. 이를 통해 신호의 높은 주파수 구성요소들이 증폭되며 미디어 채널의 감쇠 영향이 원래대로 “되돌아간다.” TI와 같은 반도체 업체들은 단순 체계를 훨씬 뛰어넘는 수준으로 신호 조정을 발전시켰다. 예를 들어, TI는 복잡한 분산 피드백 이퀄라이제이션 방식들을 짜 넣어 적응형 이퀄라이제이션을 구현한 여러 가지 솔루션을 가지고 있다.

전송 프리엠퍼시스와 수신 이퀄라이제이션 같은 신호 조정 기술들을 조합하여 함께 사용하면 시스템 설계자는 비용 효과적인 기가비트 직렬 링크를 구현할 수 있는 강력한 툴 세트를 얻게 된다. 직렬 링크 구현을 더욱 단순화할 수 있도록 실리콘 공급업체들은 직렬 링크 신호 체인 구현의 일부인 serdes 디바이스들에 이퀄라이제이션 기술들을 구현하였다. 이제, 이러한 기술들을 이용해 달성할 수 있는 직렬 링크들의 종류에 무엇이 있는지 살펴보자.

미디어에 대한 이해

두 가닥으로 꼰 구리 케이블 같은 구리 미디어에서 기가비트 데이터 속도의 직렬 링크를 구현할 때에는 대상 케이블의 손실 프로파일에 대해 이해하는 것이 중요하다. 다양한 길이의 HDMI 케이블의 손실 프로파일은 그림1, 2에 나와 있다.

미디어의 손실 프로파일에 대해 파악하고 나면, 설계자는 SerDes(Serializer/Deserializer) 같은 디바이스와 해당 신호조정 수준(수신 이퀄라이제이션/전송 프리엠퍼시스)의 신호조정 버퍼를 선택함으로써 링크의 신호 무결성을 최적화하여 그 미디어와 관련된 손실을 극복할 수 있다. 예를 들어, TLK3131, TLK3132, TLK3134 같은 serdes 디바이스들은 이퀄라이제이션의 레벨을 선택할 수 있고, 설계자가 이용 가능한 완벽한 적응형 이퀄라이제이션 체계를 가지고 있다. 또한, 설계자는 TI의 TLK6201EA, SN65LVCP404, SN65LVCP402, SN75LVCP412, SN65LVCP408과 같은 신호조정 버퍼를 활용하여 SerDes 기능 없이도 이퀄라이제이션의 레벨을 선택할 수 있다.

얼마나 빠르고 얼마나 멀리까지 가능할까?

이제 비용효과적인 기가비트 케이블 링크 구현에 중요한 항목들을 기본적으로 파악했으니, 전송 거리와 데이터 속도 측면에서 무엇을 달성할 수 있는지 살펴보자.

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표 1은 3Gbps로 30m 표준 HDMI 케이블을 구동하는 SerDes 디바이스의 성능을 보여주고 있다. 이 실험에서 10-12 BER (비트 오류 속도)가 달성된 점을 감안했을 때, 이 serdes 디바이스의 전송 프리엠퍼시스와 수신 이퀄라이제이션의 신호 무결성 특성이 장거리 케이블 애플리케이션을 가능하게 한다는 것이 분명해진다. 비슷한 광학 구현에서라면 어차피 필요한 SerDes 외에도 다중 광학 모듈이 필요했을 것이고 섬유광학 케이블과 커넥터도 필요했을 것이다. 10-12 BER는 다수의 통신 표준들에서 벤치마크로 자주 사용된다는 점에 주목하자.

SerDes의 TLK313x 제품군과 같은 디바이스들에서 달성할 수 있는 케이블 성능의 또 다른 예가 표 2에 나와 있다. 이 경우, 우리는 Gore’s Eye Opener Cable을 목표로 삼았다. 결과에서 알 수 있듯이, Eye Opener cable을 구동하는 TLK3134에서 SerDes 디바이스에 해당 이퀄라이제이션 설정을 하고 최대 40 미터의 전송 거리를 달성할 수 있다. 비슷한 광학 구현에서라면 비용이 더 발생했을 것이며, 구현시간도 더 많이 소요되고 특수 광학 테스트 장비도 필요했을 것이다.

본고의 예들은 현대 신호조정 반도체 기술로 달성할 수 있는 것들의 겉만 살짝 건드린 것이다. 이러한 기술들이 설계자들에게 친숙한 SerDes와 신호조정 버퍼 디바이스에 통합되게 되면 시스템 설계자 집단의 대부분이 단거리 및 중거리 구리 미디어 기반 기가비트 직렬 링크의 구현을 훨씬 더 쉽게 받아들이게 될 것이다.

저자 소개
Atul Patel은 텍사스 인스트루먼트의 고속 인터페이스 제품 그룹 내에서 기가비트 SerDes 제품 마케팅 및 신규사업 개발 매니저를 맡고 있다. Atul은 센트럴 플로리다 대학에서 컴퓨터공학 학사 학위와 MBA 학위를 받았다.

아이씨엔 매거진 2010년 04월호

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