산업용사물인터넷(Industrial IoT) 에지(Edge)의 토대 기술들은 어떻게 진보해 왔고 진보하고 있는가?

글: 브랜든 루이스(Brandon Lewis)
제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

초기 시절의 사물인터넷(IoT)은 센서를 곧바로 클라우드로 연결했다. 그런데 다양한 산업 분야로 좀 더 높은 사업적 가치를 끌어내고자 진지하게 IoT 아키텍처를 검토해 보니, 이러한 천편일률적 접근법으로는 여러가지 이유에서 현실과 맞지 않는다는 것을 알게 되었다.

산업용사물인터넷(IIoT)을 구축하고자 할 때 클라우드 우선(cloud-first) 모델은 다음과 같은 과제들을 제기한다:
• 데이터 및 디바이스 보안: 보안이 불안한 엔드포인트가 클라우드와 곧바로 통신함으로써 해커가 보안 취약성을 활용해 민감한 산업 네트워크에 접근할 수 있다.
• 감당하기 벅찬 네트워킹 비용: 센서-대-서버 데이터 전송에 많은 비용이 소요되어(특히 공공 통신망을 사용할 때) 많은 IIoT 구축에 요구되는 수천 개 노드로 확장하는 것을 어렵게 한다. 여기에 산업용 센서로 다량의 측정 및 상태 데이터가 생성되고 네트워크 혼잡, 패킷 지연, 비효율적 대역폭 활용 같은 문제들이 발생될 수 있다는 점을 고려해야 한다.
• 항상 켜져 있어야 하는 센서 노드의 전력 소모: 원격 센서 노드는 네트워크에 지속적으로 연결되어 있어야 하고, 그러기 위해서 에너지 소스를 필요로 한다. 광산이나 농장 같은 원격지 환경으로는 에너지를 조달하는 것이 까다로운 문제일 수 있다. 이런 장소들로 배터리를 교체하거나 네트워크 장애를 해결하기 위해 엔지니어를 파견하려면 높은 비용이 든다.

이러한 과제들을 극복하기 위해서 새로운 차원의 보안적인 하드웨어, 네트워킹, 배터리 기술이 등장하고 IoT 시스템 아키텍처와 산업용 디바이스 설계로 변화를 가져오게 되었다. 에지 지향적 실리콘으로 보안과 에너지 효율을 결합하는 것에서부터 기술 혁신이 시작되었다.

IoT 프로세서의 저전력 토대

2009년에 실제적으로 어떤 IoT가 요구되는지에 대한 그림이 명확해지면서 등장한 Arm® Cortex®-M0 CPU는 이전 세대의 32비트 명령어가 아니라 전적으로 16비트 “썸(thumb”) 명령어를 사용해서 동작할 수 있게 되었다. 썸 명령어는 컴팩트한 인코딩 기법을 사용해서 Cortex-M0 같은 프로세서로 코드 밀도를 거의 30퍼센트까지 향상시킨다. 이것은 메모리 사용을 줄이고, 다이 크기를 줄이고, 전력 소모를 낮추고, 궁극적으로 비용을 낮추는 것으로 이어진다. 오늘날 Arm Cortex-M33 아키텍처를 기반으로 한 디바이스들은 썸 명령어를 채택하고 TrustZone® 같은 기능을 통해 하드웨어 보안을 포함한다.

TrustZone은 보안적인 RoT(root-of-trust)를 통해서 하드웨어 기반의 데이터 및 디바이스 보안을 제공한다. Cortex-M33 CPU 코어의 에너지 효율에 TrustZone을 더함으로써 보안적인 배터리 구동 IoT 디바이스가 원격지 장소에서도 배터리를 통해 장시간 작동할 수 있도록 한다. 그렇다고 CPU 성능을 떨어트리지도 않는다. Cortex-M33 프로세서는 에지(Edge) 상에서 복잡한 작업을 처리하면서 1.5 DMIPS/MHz 및 4.09 CoreMark/MHz의 놀라운 성능을 제공함으로써 중앙집중적 클라우드 프로세싱에 대한 의존도를 낮출 수 있도록 한다.

IoT가 처음 등장할 때부터 오늘에 이르기까지 Cortex-M 계열 칩이 계속해서 다양한 IoT 활용 사례들을 뒷받침하고 있다.

LPWAN의 등장

에너지 효율적인 IIoT 에지 노드의 성공은 호스트 프로세서의 발전 때문만이 아니라 디바이스를 어떻게 연결하느냐에 대한 기술 발전 덕이기도 하다. 2000년대 후반에 4G 기술이 등장하면서 이전 통신망들은 쇠퇴하게 되었으며, IoT 디바이스로 원거리 통신을 가능하게 하는 새로운 저전력 광역 통신망(LPWAN) 기술의 필요성이 제기되었다.

LoRa® 같은 LPWAN 기술이 배터리 구동 IoT 디바이스를 네트워크로 연결하기 위해서 매력적인 기술로 부상했다. LPWAN은 원거리가 가능하고 에너지 소모가 낮으므로 자산 추적, 환경 모니터링, 산업 자동화, 스마트 농업, 스마트 시티 같은 IIoT 애플리케이션에 사용하기에 잘 맞는다.

오늘날 LoRa 트랜시버 모듈은 15킬로미터까지 이르는 거리로 LPWAN 통신이 가능하며 전송 시에 대략 40mA의 전류를 소모한다. 대체적으로 LoRa 모듈은 UART를 통해서 Cortex-M 계열 디바이스 같은 호스트 프로세서와 인터페이스하고 ASCII 명령을 통해서 통신한다. 그러므로 IoT 디바이스와 통합하는 것을 간소화한다.

이러한 트랜시버에 LPWAN 네트워크의 주파수 요구를 충족하는 서브 GHz 안테나가 짝을 이룰 수 있다. 이러한 많은 안테나가 컴팩트한 SMD 폼팩터로 제공되므로 에지 디바이스의 제한적인 공간에 집어넣기에도 좋다. 일부 안테나들은 LoRaWAN 같은 프로토콜을 지원하는 것에 더해서 와이파이, 지그비, 블루투스 같은 근거리 무선 기술들을 지원하므로 백홀 가능 무선 센서 네트워크를 형성할 수 있다.

IoT 에지 노드 용으로 리튬 배터리 기술의 진보

보안적이면서 효율적인 컴퓨팅 기술과 LPWAN 네트워킹을 이용할 수 있게 됨으로써 배터리 구동 IIoT 센서 노드가 현실적으로 가능하게 되었다. IIoT 업계가 배터리 구동 센서를 받아들이자 신뢰할 수 있는 고밀도 전원 소스에 대한 수요가 높아졌다.

리튬 이온 배터리가 일정한 전력 밀도와 향상된 신뢰성으로 이러한 센서를 구동할 때 선호되는 전원 소스로서 부상했다. 이러한 리튬 이온 배터리를 사용해서 IoT 디바이스가 한 번의 배터리 충전으로 장시간 동작할 수 있게 되었다. 이것은 많은 농업, 광산, 산업용 애플리케이션에서 중요하게 요구되는 조건이다. 리튬 이온 배터리 기술의 향상된 신뢰성은 유지보수 및 가동 비용을 절감하고 중단없는 데이터 수집과 통신을 가능하게 했다.

LoRaWAN 기술과 코인 전지 배터리의 호환성에 관한 Qoitech의 연구에 따르면, 이 짝이 저전력 무선 IoT 센서 노드를 감당할 수 있는 것으로 확인되었다.^[1] 이 연구에서 연구원들은 배터리 프로파일링 툴을 사용해 코인 전지 배터리의 성능을 테스트했다. 전압이 0.6V 또는 2V 아래로 떨어지면 트리거하는 출구 조건으로 40mA(피크 전류) LoRaWAN 전력 프로파일을 측정했다. 이 연구는 몇 가지 통찰을 제시했다. 제조사들 간에 코인 전지 성능에 있어서 차이가 있는 것으로 드러났다. 높은 전류 수준일 때 특히 그랬다. 또한 LoRaWAN 디바이스를 구동하기 위해서 코인 전지 CR2032와 CR2450를 사용할 수 있는 것으로 확인되었다.

LPWAN 기술과 고밀도 리튬 이온 배터리가 짝을 이룸으로써 IIoT의 지평을 넓히고 새로운 에너지 효율적 무선 센서 노드가 가능하게 되었다. 리튬 이온 코인 전지 배터리가 컴팩트한 크기, 우수한 에너지 밀도, 오랜 수명으로 이러한 디바이스들을 위한 당연한 전원 소스로 부상했다. 다양한 IoT 애플리케이션에 사용하도록 다양한 소재와 구성으로 다양한 리튬 코인 전지 배터리들이 제공됨으로써 개발자들에게 선택의 자유를 부여하게 된 것이다.

Mouser Electronics는 모든 종류의 코인 전지 배터리를 제공하므로 개발자들이 자신의 IoT 프로젝트에 가장 적합한 전원 소스를 선택할 수 있다. 이와 함께 개발자들이 실제와 같은 조건으로 배터리 성능을 평가할 수 있도록 다양한 툴들이 제공된다. 그러므로 IoT 센서 노드가 장기간에 걸쳐서 신뢰하게 동작하도록 하고, 개발자들이 주어진 애플리케이션으로 가장 효율적이고 경제적인 전원 솔루션을 선택할 수 있도록 한다.

산업용사물인터넷 기술 전망

최근 산업용사물인터넷(IIoT) 기술의 진보는 에지(Edge)에만 국한되지 않고 제어 층으로까지 확대되고 있다. 이러한 진보에 발맞춰 다중의 CPU 또는 그래픽 코어를 채택하고 신경망 가속화기와 아날로그, 보안, 여타 워크로드를 실행하기 위한 전용적 IP 블록들을 포함하는 멀티코어 시스템-온-칩(SoC)이 등장했다.

이러한 고성능 칩셋은 거의 언제나 다중의 고속 I/O 인터페이스를 포함함으로써 다양한 구축 조건으로 시스템 통합을 간소화한다. 뿐만 아니라 하이퍼바이저 같은 기술을 적용한 임베디드 가상화와 온칩 코어, 메모리, I/O 자원을 파티셔닝하는 단일 루트 I/O 가상화(SR-IOV)에 사용하기에도 적합하다. 따라서 단일 프로세서로 중요도가 각기 다른 다중의 워크로드를 동시적으로 실행할 수 있다. 그럼으로써 자원 활용도를 극대화하고 다중 프로세서 솔루션과 비교해서 전체적인 크기, 무게, 전력 소모, 비용을 낮출 수 있다.

한편에서는 이더넷 TSN(시간 민감형 네트워킹) 같은 네트워킹 표준이 부상하고 있다. TSN(Time Sensitive Networking)은 제어 층으로부터 센서 노드와 엔터프라이즈 시스템으로 확정적 통신을 가능하게 함으로써, 미세 입도 타이밍 제어, 정밀 디바이스 관리, 가상 프로그래머블 로직 컨트롤러(vPLC) 같은 작업 지향적 워크플로우를 가능하게 한다. 이러한 기술들을 융합해서 IIoT 노드가 계속해서 진보하는 것에 발맞춰서 기능성이 확대되고 있다.

IIoT 기술의 진보는 먼 에지에서 시작되었으나 오늘날에는 제어 층으로까지 계속되고 있다. 가속기를 통합한 멀티코어 SoC가 등장하고 이더넷 TSN 같은 네트워킹 표준이 도입됨으로써 향상된 디바이스 관리를 달성하고 컨테이너화(containerized) 엔터프라이즈 애플리케이션을 구현할 수 있는 길을 열어놓고 있다.

IIoT의 미래를 이끌어가기 위해서 이러한 기술적 발전이 계속해서 중요한 역할을 할 것이다.

출처

[1]   Sarah Gallmann. “Will LoRaWAN IoT Device Work with a Coin Cell Battery?” Qoitech, April 31, 2020. https://www.qoitech.com/blog/lorawan-iot-coin-cell-battery/.

저자 소개

브랜든 루이스(Brandon Lewis)는 10년 넘게 소프트웨어 스타트업과 세계적인 반도체 회사와 그 사이의 모든 회사들을 위해서 딥 테크 저널리스트, 스토리텔러, 테크니컬 라이터로 활동하고 있다. 주로 다루는 영역은 전자 시스템 통합, IoT/인더스트리 4.0 구축, 에지 AI 활용 사례와 관련한 임베디드 프로세서, 하드웨어, 소프트웨어, 툴이다. 인정받는 팟캐스터, 유투버, 행사 사회자, 컨퍼런스 진행자이기도 하며, 다수의 전자 엔지니어링 전문 잡지에서 편집장과 테크놀로지 편집자를 역임했다. B2B 테크 독자들에게 영감을 불어넣는 일을 하지 않을 때는 TV를 통해서 피닉스 지역의 스포츠 프랜차이즈들을 코칭하는 일을 하고 있다.

제공: 마우저일렉트로닉스