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Web 2.0 시대의 Instrumentation 2.0은 무엇인가

지난해말 타임지(The TIME)는 올해의 인물로 Web 2.0 세대를 살아가는 사람들,‘YOU’를 선정한 바 있다. 이를 계기로 Web 2.0에 대한 관심이 크게 떠올랐다. Web 2.0이란 이용자 참여 중심의 인터넷 환경을 뜻한다고 할 수 있다. 기존 인터넷이 세계를 하나로 묶어주는 웹 1.0 환경이었다면, 인터넷망의 광대역화와 디지털 기기의 발달에 따라 누구나 손쉽게 멀티미디어 콘텐츠를 생산해 인터넷에서 공유할 수 있도록 한차원 업그레이드된 환경이 바로 웹 2.0이라고 할 수 있다.

Instrumentation 2.0

지난 수십 년 동안 제품 개발 엔지니어 및 테스트 엔지니어들은 계측기 제조사에서 미리 지정해 준 계측기의 프런트패널 메뉴 기능을 바탕으로 제품 검사를 수행해 왔다. 전자 산업이 급격히 발전하면서 제품 설계 과정이 복잡해지고 나아가 테스트 과정도 복잡해 졌다. 하지만 시장은 제품 출하 간격(Time-to-Market)을 단축하도록 요구한다. 따라서 테스트 현장에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 여러 경로로 모색하는 중이다.

이전에는 고가의 턴키(Turn-Key) 솔루션을 구입하거나 정확한 필요 사항을 만족시킬 수 없는 범용 솔루션으로 만족해야 했다. 그러나 오늘날의 테스트 및 측정 산업은 소프트웨어의 기능을 주된 축으로 하는 사용자 정의 접근 방향으로 이동하고 있다. 이러한 변화는 최신 프로세서 기술, 버스 아키텍처, 그리고 FPGA 기술이 더욱 가속화 시킨다.
사용자가 직접 자신의 계측기를 정의할 수 있는 방식은 새로운 기술 패러다임에서 출발했으며, 이는 “Instrumentation 2.0”이라고 부를 수 있다. 또한 Instrumentation 2.0은 사용자가 직접 정의할 수 있는 소프트웨어 기반의 계측 방법이라고 정의할 수 있다.

최근 유행하는 “Web 2.0”과 마찬가지로 Instrumentation 2.0의 중심에는 사용자의 용도에 맞게 계측기의 기능을 변경시킬 수 있는 소프트웨어 기술이 자리한다. Web 2.0 트렌드의 대표적인 사례인 블로그나 UCC 는 사용자가 직접 웹 페이지의 내용을 관리하고 개별화 시킬 수 있는 웹 기반의 플랫폼이라 할 수 있다. 그리고 이 중심에는 수백만 명의 사용자들이 동참할 수 있는 소프트웨어 프레임워크가 존재한다. 이러한 접근 방식은 컨텐츠 소스가 하나였던 인터넷 초창기 시절과는 크게 다른 모습이다.

이렇듯, 원하는 데로 맞춤화시킬 수 있고 사용자의 정의에 따라 특별하게 구성할 수 있는 것은 온라인 컨텐츠 개발에만 국한되지는 않는다. 소프트웨어를 기반한 접근 방식은 계측 시스템을 구현함에 있어서 유용하게 사용되며, 설계 및 테스트 과정에서 고유하게 발생할 수 있는 문제들을 가장 빠르고 가장 비용 효과적으로 해결한다.

미국 감사원(U.S. Government Accountability Office: GAO)은 미 국방성에 대해 실시한 연구에서 위와 동일한 결론에 도달했다. GAO는 계측기 제조사가 장비의 모든 기능 결정권을 갖는 기존의 계측기 보다 개별 사용자에 의해 소프트웨어 응용프로그램을 수행하여 기능을 정의할 수 있는 소프트웨어 기반 계측 시스템으로 전환할 필요가 있다고 결론 내렸고 이러한 새로운 계측 장비를 “Synthetic Instrumentation”이라고 이름 붙인 바 있다.

추가적으로 GAO는 Synthetic Instrument를 도입함으로써 기존 하드웨어 기반 시스템에서 중복 사용되던 하드웨어를 제거함으로써 810억 달러의 미 국방부 예산을 절감할 수 있었다.

내쇼날인스트루먼트가 오래 전부터 주창해 온 “버추얼 인스트루먼트(Virtual Instrument) 기술”은 GAO가 주시하고 있는 Synthetic Instrument의 개념과 동일하며 두 가지 모두 Instrumentation 2.0과 맥을 같이한다. GAO의 자료에는 기존 계측 구성(또는 Instrumentation 1.0)과 버추얼 인스트루먼트 구성(또는 Instrumentation 2.0)의 차이점이 설명되어 있다.

Instrumentation 2.0 기술을 기반하는 계측 시스템은 강력한 소프트웨어 프레임워크 외에도 일반적으로 모듈 형태인 하드웨어를 포함한다. 이러한 모듈식 구성을 통해 계측 시스템은 채널 확장 및 어플리케이션 확장이 용이하며 중복되는 측정 구성 요소를 최소화 시킬 수 있어서 전체 시스템 구성 비용을 줄일 수 있다. 따라서 계측 플랫폼의 구성은 하드웨어 기반 시스템에서 소프트웨어 기반 시스템으로 바뀌고 있다.

업계를 선도하는 기술

버추얼 인스트루먼트 기술 분야를 개척한 내쇼날인스트루먼트는 20여 년 전부터 플러그인 디지타이저를 출시하고 있다. 게다가 기존 하드웨어 위주의 계측기 제조사들도 최근 몇 년 사이에 소프트웨어 기반의 접근 방식을 시작했다. 예를 들어, Tektronix는 자사의 고성능 오실로스코프에 LabVIEW SignalExpress 소프트웨어를 추가해 출시했다. Agilent는 USB 기반 데이터 수집 하드웨어를 출시했으며 몇몇 PXI 제조사를 인수하면서 PXI 제품군을 강화했다. 그리고 Keithley Instruments도 최근엔 PXI 제품을 판매하기 시작했다. 정도의 차이는 있을 수 있지만 이러한 움직임은 버추얼 인스트루먼트 기술을 도입한 사례가 될 것이다.

버스 아키텍처의 발전이 모듈식 I/O를 기반한 계측 시스템의 발전을 일구었다는 것이 업계 전반의 인식이다. 마찬가지로, 프로세싱 기술의 발전과 소프트웨어 응용 프로그램의 지속적 향상으로 소프트웨어 기반 시스템은 계속해서 까다로워지는 측정 요구에 대응하고 있는 것이다.

Instrumentation 2.0은 사용자 정의 계측 기능과 실시간 데이터 전송, 자유로운 유저 인터페이스, 모듈형 하드웨어, 그리고 기본적인 PC 연결 지원을 그 특징으로 한다고 할 수 있다.

데이터 전송 버스
데이터 버스는 소프트웨어 중심 계측 시스템의 핵심 기술로 원시 데이터의 고속 수집/측정을 가능케 한다. 아날로그-디지털 변환 속도가 증가하면서 데이터 버스는 디지털화된 신호를 처리하기 위해 더욱 높은 대역폭을 제공해야 한다. PCI 버스의 등장으로 테스트 엔지니어는 오디오 측정 및 고속 데이터 수집 등 새로운 영역의 측정을 실시할 수 있게 되었다. 나아가 버스 대역폭이 극적으로 향상된 PCI Express 버스의 등장으로 소프트웨어 기반 계측기는 RF 통신, 디지털 테스트 및 고속 이미징 분야로까지 진출하게 되었다.

멀티코어 프로세싱
계속해서 강력해지고 있는 프로세서도 Instrumentation 2.0으로의 이동을 이끄는 핵심 기술 중 하나라할 수 있다. 버스는 기기가 신호를 디지털화하는 속도에 보조를 맞춰야 하는 것과 마찬가지로 프로세서도 버스로부터 데이터를 처리하는 속도에 보조를 맞춰야 한다. 그러나, 단순히 클럭 속도와 트랜지스터 밀도를 높이는 이전의 접근 방식은 전력 소모와 냉각 문제를 야기시켰다. 꾸준한 성능 강화를 이어가기 위해 프로세서 개발업체는 ‘멀티코어’ 프로세서의 개발을 채택했다. 현재에는 하나의 프로세서가 다중 처리 코어에서 코드를 병렬로 실행하여 데이터를 처리할 수 있다.

하지만 Intel 및 AMD 등 주요 프로세서 업체들이 제시하는 로드맵을 보면 미래의 아키텍처에 대한 투자가 멀티코어 프로세서에 집중되고 있음을 엿볼 수 있다. 실제로, Intel은 1테라플롭의 성능을 발휘하는 80코어 프로세서를 2011년까지 출시를 목표로 개발하고 있다고 발표한 바 있다.

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향상된 프로세싱 파워는 새로운 칩을 구입하는 것만으로 얻어지는 것은 아니다. 진정한 멀티코어 기술의 혜택을 실현하기 위해 프로그래머는 여러 개의 코어를 동시에 다룰 수 있는 멀티쓰레드 프로그래밍에 익숙해질 것을 요구한다. 멀티쓰레드 코드를 작성하는 일은 매우 어려운 작업이기 때문에 멀티쓰레드를 자동으로 처리할 수 있는 컴파일러를 개발하기 위해 많은 컴퓨터 과학 연구가 진행 중이다. 현재 2 코어를 위한 프로그래밍도 쉽지 않은 상황에서 80코어용 프로그래밍은 불가능해 보일지도 모른다.

NI LabVIEW로 개발된 어플리케이션은 태생적으로 병렬 처리를 수행한다. 단일 루프는 하나의 코어를 처리 대상으로 지정하거나, 또는 다중 병렬 루프는 작업을 여러 코어 사이에 자동으로 분할한다. 따라서 LabVIEW 사용자는 코드를 변경할 필요 없이 멀티코어 기술을 즉시 활용할 수 있게 되는 것이다.

FPGA 기술을 이용한 사용자 정의 계측기 설계
테스트 엔지니어는 FPGA 기술을 바탕으로 하드웨어적인 논리 회로를 개발할 수 있다. FPGA 기술은 이미 수 많은 계측기에 활용됐지만 고객/사용자가 직접 정의할 수 있는 유연성을 주지 못했고 제조사만이 펌웨어를 정의할 수 있었다. 이제는 테스트 엔지니어가 직접 계측기에 내장된 FPGA에 접근해 측정 솔루션을 임베딩 시킬 수 있다.

그렇다면 테스트 엔지니어도 FPGA 프로그래밍에 사용되는 텍스트 기반의 Verilog 또는 VHDL와 같은 언어를 숙지해야만 할 것인가? 내쇼날인스트루먼트는 FPGA에 관련된 전문적인 지식이 없어도 FPGA를 프로그래밍할 수 있도록 그래픽 기반 프로그래밍을 지원하는 LabVIEW FPGA Module 등을 출시했다. 궁극적으로, 소프트웨어 기반 접근 방식은 유연성과 맞춤화 수준을 높이기 위한 솔루션인 것이다.

계측기 구성의 미래

미래를 전망해볼 때 소프트웨어 기반 접근 방식이 전체 설계 프로세스에 가장 우수한 유연성을 제공할 것이다. 또한 단일 소프트웨어로(특히, 단일 소프트웨어 플랫폼) 모든 과정을 총괄할 경우 제품 사이클 각 단계를 연결시킬 수 있다. 설계가 더욱 복잡해지고 제품 출시의 압력이 증가함에 따라 Instrumentation 2.0은 전체 장치 설계 및 테스트 프로세스를 능률화할 설계 도구로 중요한 역할을 할 수 있다고 보여진다.

PCI Express 및 멀티코어 프로세서 등의 기술이 가진 잠재력을 실현하는 버추얼 인스트루먼트 기술은 고속 디지털 및 RF 통신 등의 분야에서 생겨나는 새로운 어플리케이션 요구를 만족시킬 사용자 정의 솔루션을 제공할 것이다. 더욱이, 버추얼 인스트루먼트 기술 활용자는 LabVIEW FPGA를 통해 하드웨어의 동작을 더욱 자유롭게 제어할 수 있어 유연성이 더욱 향상될 것으로 전망된다.

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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