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8비트 MCU의 실제 가치 평가 방법

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글/마크 비첨(Mark Beecham), MCU 및 센서 제품 매니저, 실리콘랩스(Silicon Labs)

머리말
오늘날 8비트 MCU는 Arm Cortex-M 프로세서와 같은 새로운 플랫폼으로부터 경쟁이 유입되고 강력한 시장 점유율 확대가 이루어지는 가운데 여전히 전체 마이크로컨트롤러(MCU) 시장에서 많은 부분을 차지한다. 임베디드 시장에서 8비트 MCU의 지속적인 강세는 광범위한 툴 기반과 함께 낮은 가격, 단순성, 빠른 제어 기능, 성숙된 생태계와 같은 여러 요인에 기인한다.
8비트가 MCU 기술로 성숙되고 단위당 가격이 한계에 이를 만큼 낮아짐에 따라 개발자들은 숨겨진 과제에 직면해 있다. 임베디드 설계를 위한 저가 8비트 MCU를 볼 때 유사한 가격과 기능을 갖는 많은 우수한 옵션이 있지만 어떤 옵션이 가장 좋은 선택일까? 종종 간과되는 한 가지 측면은 다양한 벤더의 유사한 8비트 MCU 하드웨어의 진정한 가격과 가치를 살펴보는 일이다. 여기 8비트 MCU의 실제적인 가격을 궁극적으로 밝혀줄 몇 가지 중요한 고려사항들이 있다.

에코시스템

(1)툴
가격이 임베디드 설계를 움직이는 주요 동인인 경우 컴파일러 라이선스나 코딩 환경에 대한 자본 지출을 피하는 것이 현명하다. MCU를 선택하기 전에 벤더와 그들이 제공하는 소프트웨어 예제를 무료 개발 플랫폼에서 사용할 수 있는지 확인한다. 그렇지 않으면 부품 수량에 따라 평균 판매 가격(ASP)이 동일한 그림을 그리지 않더라도 한 벤더의 실제적인 가격이 다른 벤더보다 낮을 수 있다.
예를 들어 경쟁 벤더의 두 가지 8051 기반 MCU 옵션은 하드웨어 명세가 비슷하지만 툴 비용이 다를 수 있다. 만약 한 MCU 벤더가 자신들의 8051 기반 디바이스에 컴파일러나 통합 개발 환경(IDE) 라이선스를 제공하지 않는다면, 개발자는 Keil이나 IAR을 사용해야 하고 라이선스 비용을 지불해야 하므로 프로젝트의 전체 투자 비용이 상승한다. 더 비용 효율적인 선택은 무료 IDE와 제한 없는 Keil 라이선스의 지원을 받는 8비트 플랫폼을 사용하는 것이다.

(2) 소프트웨어
컴파일러와 개발 환경이 이해되었다면, 다음의 숨겨진 사양으로 MCU 플랫폼에서 소프트웨어 예제의 사용 가능성과 생태계를 살펴보아야 한다. 일례로 우선 주변장치에 많은 코드 예제를 제공하는 MCU 벤더를 찾도록 한다. 많은 코드 예제가 있으면 PWM, UART, ADC와 같은 필요한 각각의 주변장치를 쉽게 찾고, 이들을 하나의 프로젝트에 결합하여 설계를 더 빠르게 완료할 수 있다. 따라서 신속하게 시장에 진출하고, 풍부한 지원을 받는 MCU 생태계의 통상 더 높은 ASP는 가격 프리미엄을 형성할 수 있기 때문에 잠재적으로 수익을 증가시킬 수 있다.

사양

(1) 설계, 특성화 및 테스트(GBD, GBC, GBT)에 의한 보장
비교적 단순한 8비트 MCU 사양을 추구하는 경우 쉽게 데이터시트의 요약 페이지에서 디바이스의 기능을 이해한 다음 중요한 사양의 자세한 내용에 대해 전기 사양표를 참조할 수 있다. 그러나 보기보다 다소 복잡하므로 개발자는 다음 세 가지 주요 측면을 고려해야 한다. 1) 설계의 중요한 특성에 대해 최소 및 최대값이 지정되어 있는가 2) 그러한 값의 테스트 조건이 실제 사용 사례와 비교하면 어떻게 되는가 3) 이러한 값이 설계, 특성화 또는 테스트에 의해 보장되는지에 대한 여부이다.
온도, Vdd 레벨, 동작 주파수 및 기타 요소들이 설계에서의 실제 값에 영향을 미칠 수 있기 때문에 대표값은 항상 주의 깊게 고려해야 한다. 하나의 사양이 다른 사양에 기반하는 상황에서 제한된 기능을 경험하는 일은 오늘날 업계에서 매우 흔하다. 이는 보통 데이터시트의 맨 앞 페이지에 매우 매력적인 사양을 올려놓기 위해 일어난다. 하지만 전기 사양표를 파고 들어가면, 얼핏 보기에 최고의 사양은 Vdd, 코어 주파수, 온도 등과 같은 매우 제한된 파라미터에서만 존재한다는 사실이 분명해지고, 이러한 제한된 파라미터는 설계의 다른 측면과 충돌할 수 있다. 첫 페이지의 최고 솔루션에서 벗어나 사양의 모든 주의사항을 발견한 후 설계 결정이 점점 더 모호해짐에 따라 이러한 환상이 실망으로 바뀔 수 있다.
예를 들면 그림 1에 보이는 그래프는 데이터시트의 첫 페이지에 나온 것이다. 20MHz 사양은 저렴한 MCU와 같은 디바이스에는 훌륭하지만, 작은 글씨로 이 성능은 4.5V Vdd 이상에서만 달성할 수 있다고 쓰여 있다. 이는 시스템에서는 불가능하거나, 이러한 동작 속도를 얻기 위해 더 큰 부스트 컨버터를 사용해야 하는 비용이 발생한다.

[그림 1] 안전한 동작 영역 그래프

그림 1의 그래프는 다른 요소들에 많이 의존하는 다른 사양에 대해 의문을 제기한다. 중요한 사양이 4MHz의 테스트 조건을 갖지만 설계가 20MHz에서 동작한다면, 특정 사용 사례에서는 정확하지 않을 수 있다는 점을 염두에 두고 사양을 취할 필요가 있다. 특히 아날로그 사양일 경우 상당히 부정확하다고 가정할 수 있다.
또한 사양표를 살펴볼 때 각주를 꼼꼼히 보고 이 사양이 설계, 특성화 또는 각각 GBD, GBC, GBT라고 하는 테스트에 의해 보장되는지 확인하는 것이 중요하다. 일반적으로 GBD는 사양에서 가장 낮은 수준의 신뢰도를 제공하는 반면, GBT는 사양에서 가장 높은 신뢰를, GBC는 중간 수준의 신뢰를 제공한다.
일반적인 MCU 제품 데이터시트에서 볼 수 있는 표 1의 예는 GBD 및 GBC의 두 가지 옵션을 보여준다. 트리밍 된 고속 발진기에 제공되는 유일한 사양이 GBD일 때 애플리케이션이 엄격한 타이밍 요구사항을 갖고 매우 정확한 발진기를 필요로 한다면 GBD는 다소 우려스럽다. 만약 트리밍 되지 않은 HSI 발진기의 5% 부정확도 수치에 가까워진다면 UART와 같은 고속 통신 인터페이스가 잘못될 수 있다. 일정한 타임 윈도우에서 이벤트를 카운트하거나 추적해야 하는 계측 또는 계량과 같은 애플리케이션에서 발진기의 드리프트는 측정하는 대상의 정확도에 영향을 미친다.

[표 1] 일반적인 8비트 MCU의 HSI 발진기 특성

유연성과 확장성

각 프로젝트에서 아키텍처와 기술 사이에 뛰어드는 것은 설계의 완성을 지연시키고 제품 출시를 늦출 수 있다. 벤더 A의 디바이스가 당면한 프로젝트에 최상의 선택일 수 있으며, 벤더 B는 후반기에 추진할 프로젝트에 더 나은 다른 디바이스를 제공할 수 있다. 이것이 각 프로젝트에 대한 최적화의 균형이고, 프로젝트 간 개발과 지식의 재사용이 된다. 현재 설계에 대한 벤더 선택을 평가할 때 벤더가 미래의 제품에도 적합한 솔루션을 갖고 있는지 확인한다. 예를 들어 1회성 디바이스가 한 프로젝트에 최상의 선택일지라도 다음 프로젝트에서 다른 벤더의 디바이스를 사용해야 한다면 프로젝트를 지연시킬 수 있다. 따라서 항상 확장 가능한 8비트 플랫폼을 찾아야 한다. 그림 2에 보이는 실리콘랩스의 EFM8 포트폴리오가 이러한 예이다. 이 EFM8 포트폴리오는 확장 가능한 메모리와 GPIO 옵션을 제공하고 무료 IDE 및 제한 없는 Keil 라이선스에 의해 지원된다. 확장 가능한 플랫폼은 유사한 아키텍처로 많은 GPIO와 메모리 옵션을 제공하므로 프로젝트 간에 디바이스를 쉽게 전환할 수 있다.

[그림 2] 실리콘랩스 EFM8 MCU 플랫폼 사양의 예

또한 MCU 제품군의 각 디바이스를 면밀하게 검토하여 더 큰 GPIO 디바이스로 마이그레이팅 할 경우 적합한 통신 포트, DAC 또는 PWM 채널 수와 같은 중요한 사항을 희생시키지 않도록 기능이 일관되는지 확인한다.

수명 주기와 공급 보장

8비트 시장은 성숙되어 있고, 8비트 디바이스는 수십 년 간 존재해 왔다. 그 결과 현재 8비트 ASP는 매우 낮은 가격대를 형성한다. 이는 개발자에게는 좋은 일이지만, 수익성이 바닥에 가까워짐으로써 반도체 벤더는 어려움을 맞고 있다. 일부 벤더는 8비트 포트폴리오에 대한 신규 투자를 중단한 상태이다. 벤더가 EOL(end-of-life)이나 “새로운 설계에 권장되지 않음(NRND)” 통지를 할 때, 이는 최종 제품의 수명을 위협할 수 있으며, 이러한 상황은 심각한 우려를 낳을 수 있다. 실리콘랩스는 8비트 기술에 투자를 지속하는 소수의 MCU 벤더 중 하나이다. 이러한 지속적인 투자는 8비트 시장에 대한 강력한 의지를 보여주고 핵심 공급업체들이 MCU 제품 공급을 중단하지 않을 것이라는 확신을 심어준다.
많은 벤더들이 MCU 제품 수명 주기에 관한 정보를 공개한다. 일부 벤더는 디바이스를 얼마나 오랫동안 지원할 예정인지 정확한 날짜까지 명시한다. 예를 들어 실리콘랩스는 각 8비트 제품군에 대해 최소 지원 일정을 제공함으로써 보다 장기적인 설계를 위해 어떤 제품을 사용해야 하는지 명확히 명시한다. 실리콘랩스의 8비트 제품에 대한 최소 수명 주기 날짜 목록은 https://www.silabs.com/products/mcu/8-bit/longevity-commitment 에서 확인할 수 있다.
MCU 제품의 수명 주기는 수명이 짧고 빠르게 감소하는 소비자 제품과 같은 신속한 설계에서는 중요한 문제가 아닐 수 있지만, 최종 제품 설계에 2-3년이 걸리고 천천히 성장하여 잠재적으로 10년 이상 평탄한 수준을 유지하는 의료, 자동차, 산업용 애플리케이션에서는 매우 중요하다. 저렴한 8비트 MCU가 생산이 중단됨으로써 중요하고 이윤이 높은 최종 제품을 계속 제작할 수 없게 되는 것은 큰 손실이 될 수 있다.

결론

8비트 MCU는 끊임없이 발전하는 MCU 분야에서 고유한 위치를 구축해 왔으며, 이에 따라 임베디드 개발자는 새로운 고려사항을 변수에 넣어야 한다. 8비트 MCU를 사용하는 이점은 비교적 저렴한 가격과 사용 편의성이 포함되며, 이러한 특성은 툴의 숨겨진 비용, 비효율적인 지원 소프트웨어, 잘못 판단할 수 있는 데이터시트 파라미터 및 확장성 결여에 의해 영향을 받기 때문이다. 다음 설계를 위해 적합한 MCU를 평가할 때 이러한 모든 고려사항을 염두에 둔다면 현재는 물론 장기적으로 시장 성공의 기회를 현저히 높일 수 있다.

저자
마크 비첨(Mark Beecham)은 실리콘랩스의 8비트 및 32비트 마이크로컨트롤러와 센서 제품을 지원하고 정의하는 제품 마케팅 엔지니어다. 임베디드 시스템과 센서를 전문으로 하며, 2015년에 실리콘랩스에 입사했다. 이전에는 IBM과 TI에서 일했다. 텍사스 A&M 대학에서 BSEE 학위를 받았다.