자동차 기술 탐구 - SDV란? (3) 자동차의 두되이자 심장이될 AP

자동차 통합된 시스템 구축 위해서는 고성능 SoC 프로세서가 핵심

 

스마트카의 핵심인 연결성, 자율주행, 그리고 이를 구현하기 위한 전동화 기술에 공통적으로 필요한 요소 기술이 중앙집중형 컴퓨팅 시스템에 적용될 고성능/저전력 프로세서, 즉 AP(Application processor)이다. 

 

고성능 AP는 기존의 수많은 MCU들을 대체해 차량제어기능을 수행할 뿐만 아니라 C-V2X 모뎀을 통해 망연결성을 구축하고, 다양한 센서에서 수집된 대용량 데이터를 실시간 연산처리하고 판단해 자율주행을 수행하게 될 것이다. 

 

스마트폰과 PC는 통신과 데이터 프로세싱, 그리고 입출력 등의 모든 기능을 하나의 AP 혹은 각각의 CPU, GPU, 모뎀칩 등이 처리한다. 이처럼 스마트카의 자율주행, 커넥티비티, 인포테인먼트 등의 모든 핵심 기능을 하나로 합쳐진 SoC 혹은 몇 개의 프로세서로 처리하도록 설계하는 것이 통합제어 시스템이다.

 

현재 Lv2~3 수준의 자율주행을 위해 사용되는 AP에서는 50W 내외 소비전력으로 100~300TOPS(1TOPS: 1초에 1조회 연산)의 성능이 요구되고 있다. 또한 Lv4 이상의 완전자율주행을 위해서는 동일한 수준의 소비전력에서 1,000TOPS 이상의 성능이 뒷받침되어야 할 것으로 전망된다. 

 

향후 완성차 제조사들은 이와 같은 요구 사항을 충족시키는 고성능 AP를 선정하고 소비자들에게 경쟁사 대비 차별화된 기능과 서비스를 제공하는 것이 중요한 과제일 것이다.

 

이를 위해 완성차 제조사들은 여러 가지 솔루션을 생각해볼 수 있다. 

 

중앙집중형 E/E 아키텍처들 중 전통 완성차 제조사들이 지금 가고자 하는 도메인 방식에서는 각각의 기능별로 전용 SoC와 MCU를 사용하거나 하나의 고성능 SoC를 통해 다중 도메인 통합제어기를 구축할 수 있다. 

 

도메인별로 구분할 경우,

 

1) 인포테인먼트는 Qualcomm의 스냅드래곤 라이드, 삼성전자의 엑시노스 오토 V 혹은 텔레칩스의 TCC 등을,

2) ADAS 및 자율주행은 nVIDIA의 드라이브 페가수스 혹은 Mobileye EyeQ Ultra, Qualcomm 스냅드래곤 라이드, Ambarella의 CV-3 등을,

3) 신뢰성과 안정성이 요구되는 드라이브와 바디 영역에서는 정확한 동작을 위한 MCU를 적용해 도메인 게이트웨이로 연결하는 것이 대표적인 예이다.

 

 

반면 고성능 SoC 기반 다중 도메인 통합제어 시스템을 구축한다면 하나의 시스템에서 인포테인먼트, ADAS, 자율주행 등을 모두 구현할 수 있다.

 

이 경우 단일 SoC에 많은 기능을 효율적으로 통합할 수 있기 때문에 공급 제약을 완화하고 차량 설계 및 개발을 단순화해 비용을 크게 낮추고 와이어링 하네스의 복잡성과 무게를 줄일 수 있다.

 

 

 

 

Tesla는 HW 3.0 에서 독자 개발한 고성능 SoC 탑재

 

존(Zone) E/E 아키텍처는 중앙집중형 컴퓨팅 플랫폼을 구축해 통합 제어하는 것이 기본적인 방향이다. SDV 선도 업체인 Tesla 는 지난 2014 년 9 월에 HW 1.0 을 도입한 이후 2~3 년마다 업그레이드하며 통합제어시스템을 구축했고, 이미 HW 3.0 까지 발전시켰다. HW 3.0 의 핵심은 자체 개발한 고성능 SoC 를 탑재했다는 것이다. 

 

2.6GHz 연산 속도의 12 개 ARM Cortex-A72 CPU(3-쿼드코어)와 2GHz 로 동작하는 2 개의 NPU(Neural processing unit)가 일반적인 멀티 태스킹을 처리하고, 1GHz 로 작동하는 1 개의 Mali GPU 가 600GFLOPS (1GFLOPS: 1 초에 10 억회 연산) 파워로 32/64 비트 플로팅 연산(부동소수점 연산)을 수행한다. 그럼에도 불구하고 전력소모량은 220W 로 전작인 HW 2.5 의 300W 보다 적은 전력을 소모하면서도 10.5 배의 높은 처리능력을 제공하며 비용은 80%로 줄였다.

 

 

 

 

Tesla 외 대부분 완성차 업체들은 nVIDIA 의 고성능 SoC 를 채택할 수 밖에..

 

차량용 고성능 반도체 시장에서 빼놓을 수 없는 곳이 AI 컴퓨팅 분야의 선두주자인 nVIDIA 이다. Tesla 를 포함해 일부를 제외한다면 대부분 완성차 제조사들은 가장 최상의 솔루션을 제공하는 nVIDIA 의 SoC 를 채택할 가능성이 높다. 최근 일부 완성차 제조사들이 자체 운영체제를 구축하기 위한 플랫폼이나 완전자율주행을 위한 반도체 칩 개발에 나서며 내재화를 준비 중인 경우도 있다.

 

하지만 기술 경쟁력을 확보하기 위해서는 엄청난 투자와 노력, 인력 확보가 뒷받침되어야 하기 때문에 결코 쉬운 일은 아닐 것이다. 2021 년에 출시된 nVIDIA 의 차량용 SoC 인 드라이브 오린(Drive Orin)은 2GHz 로 작동하는 Cortex-A78AE 12 코어 CPU 와 2048 코어 암페어 GPU 를 이용해 최대 200TOPS 의 인공지능 연산 능력을 확보했다. 전작인 AGX 자비어(Xavier)의 32TOPS 보다 6 배 이상 증가한 수치이다.

 

 

 

 

nVIDIA는 다중 도메인 컴퓨팅이 가능한 차량용 SoC인 ‘드라이브 토르’뿐만 아니라 차세대 플랫폼인 ‘드라이브 하이페리온9’ 통해 SDV 토탈 솔루션 제공

 

지난해 9월 공개한 차세대 차량용 SoC인 드라이브 토르(Drive Thor)는 무려 2,000TOPS의 연산 속도를 보인다. 

 

 

이를 통해 다중 도메인 컴퓨팅이 가능하기 때문에 ADAS 및 자율주행뿐만 아니라 차량 내 디지털 클러스터, 인포테인먼트 등의 동작을 분할해 활용할 수 있다. 또한 차량 한대에서 리눅스와 QNX, 안드로이드 오토모티브 등의 다양한 소프트웨어를 동시에 실행 가능하다. 

 

드라이브 토르는 2025년에 출시될 자동차 모델들에 적용되기 시작할 예정이다. 또한 nVIDIA는 드라이브 토르 기반 SDV 토탈 솔루션(① 통합제어 시스템, ② 구동 OS, ③ 자율주행) 개념의 차세대 개방형 플랫폼인 하이페리온9을 출시하고 2026년부터 생산할 계획이다. 

 

하이페리온9 아키텍처에는 총 14개의 카메라, 9개의 레이더, 3개의 라이더, ADAS 및 자율주행용 20개의 초음파와 함께 차량 내 승객 감지용 3개의 카메라와 1개의 레이더가 포함된다. 중앙집중형 E/E 아키텍처 전체에 충분한 센서와 고성능 컴퓨팅 시스템 및 통합형 OS를 제공함으로써 최고 수준의 성능과 보안을 갖췄다는 평가다. 

 

SDV를 구현하기 위한 자체 기술력을 구축하지 못한 완성차 OEM들은 중앙집중형 E/E 아키텍처, OS를 포함한 통합제어 시스템, 자율주행 등을 구현할 수 있는 기술을 효율적으로 제공받을 수 있는 것이다. 이 경우 자체 플랫폼 확보를 위해 막대한 연구개발비를 투자해야 하는 위험 부담을 줄일 수 있다는 이점이 있다. 

 

 

다만 nVIDIA에 대한 의존도가 높아지면서 원가경쟁력 및 경쟁사와의 서비스 차별화 요인 부재 등에서 어려움을 겪을 가능성이 있다.

 

 

 

 

후발주자로 차량용 AP 시장에 뛰어든 Qualcomm

 

모바일용 AP 시장 점유율 1위 업체인 Qualcomm은 올해 초 CPU, ISP(Image sensor processor), VPU(Video processor unit) 등 다양한 기능이 통합된 스냅드래곤 라이드 플렉스(Snapdragon Ride flex) SoC를 공개했다.

 

스냅드래곤 라이드 플렉스는 ADAS & 자율주행, 디지털 콕핏, 커넥티비티 등의 단일 SoC에서 구현 가능하다. 또한 하이퍼바이저 가상화를 이용해 HUD와 계기판 클러스터, ADAS 기능을 제어하는 RTOS(Real-time OS)와 각종 미디어 기능을 실행하는 리눅스 운영체제를 동시에 구동한다.

 

스냅드래곤 라이드 플렉스 SoC는 현재 주요 고객사를 대상으로 시제품을 공급 중이며 오는 2024년부터 양산될 예정이다. 퀄컴은 지난해 Veoneer의 자율주행 플랫폼 소프트웨어 개발 부문인 Arriver를 인수하기도 했다. 이를 통해 스냅드래곤 라이드 SoC와 Arriver의 차세대 비전 인식 소프트웨어의 결합을 가속화할 계획이다.

 

 

 

삼성전자는 아직까지 하나의 칩 형태는 아니지만 부분적으로 채택 가능한 솔루션 제공

 

2018년에 첫 출시된 삼성전자의 차량용 SoC인 엑시노스 오토는 인포테인먼트용 V 시리즈, 반자율주행 및 ADAS용 A 시리즈, 그리고 텔레매틱스 시스템용 T 시리즈로 구분되어 있다. 

 

하나의 칩 형태는 아니지만 기술력 확보를 위해 시간이 필요한 상황에서 부분적으로 채택 가능한 솔루션을 제공하고 있으며, 특히 인포테인먼트 시스템에 무게를 두고 있다. 최근 출시된 엑시노스 오토 V9 프로세서는 컨텐츠를 위해 최대 6개의 차량 내 디스플레이를 동시에 지원한다.

 

또한 운전자 모니터링, 전방 및 후방 대시보드 카메라, 전자거울 등의 첨단 운전자 보조 기능을 위한 다중 카메라 설정을 위해 최대 12 개의 카메라를 동시에 지원할 수 있다.

 

 

 

출처: 하이투자증권, nVIDIA, Tesla, Qulacomm, Clean Technica, System Plus

 

뜨리스땅

 

 

 

 

 

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