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FPGA와 ASIC을 활용한 하이브리드 디바이스 플랫폼의 개발

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글/심연수, Centron Technology Inc.

보안, 네트워크, 고해상도 IP 카메라 등 카메라 시스템의 토탈 솔루션 제공업체인 DCOD(디코드)사가 FPGA 기술의 혁신기업인 Efinix(에피닉스)사의 T20 FPGA를 사용하여 FPGA와 ASIC을 사용한 하이브리드 디바이스 플랫폼을 개발했다. 

본 기사에서는 다음에서 소개할 두 가지 어플리케이션을 통해, FPGA와 ASIC의 효율적인 조합·사용이 어떠한 이점을 가지고 있는지 다룰 것이다.

[그림 1] 에피닉스(EFINIX) T20 FPGA와 디코드(DCOD)의 EN781F를 사용한 평가보드

Application 1: Medical Endoscope Platform 

그림 2에서 보여주는 내시경 플랫폼 어플리케이션은 위경, 대장경, 기관지경, 방광경 등, 다양한 내시경에 사용될 수 있는 단일 통합솔루션을 제공한다. 기존 시장에도 다양한 내시경 센서들이 있지만, 1) 디바이스에 따라 출력 인터페이스가 LVDS, MIPI, Parallel 등으로 나뉘어져 있으며, 2)각 센서별로 데드픽셀이나 고정패턴 노이즈 등의 영상 특성이 매우 상이한 특징이 있다. 반면, DCOD 사의 EN781F는 뛰어난 영상처리 엔진을 기본으로, 의료용 카메라에서 사용하고 있는 HD-SDI 뿐만 아니라, Analog와 parallel 출력을 지원하고 있어 성능과 시스템 효율 면에서 매우 뛰어난 ASIC 디바이스이다. 하지만 유연성이 부족한 ASIC 제품의 한계로 센서별로 상이한 인터페이스 처리와 최적화된 영상처리를 제공하는 데에는 다소 제약이 있을 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서, 프로그래밍 유연성이 탁월한 FPGA의 필요성이 대두된다.

[그림 2] 의료용 내시경 플랫폼 어플리케이션

EFINIX 사의 T20W80 FPGA는 3.6 x 4.5mm의 작은 사이즈에도 불구하고, 33개의 GPIO와 한 쌍의 mipi rx/tx를 갖고 있어 앞서 1)항에서 언급된 디바이스 별 인터페이스 이슈를 해결하기에 매우 적절하다. 또한 19,728 logic elements의 로직은 의료용 센서에서 대두되는 상기 ‘2)’ 항의 영상 특성을 처리하기에 충분한 로직 량을 가지고 있다. 특히 센서의 color filter array가 다양한 non-bayer 타입으로 분화하면서 대용량의 FPGA에 의존하거나 전용 ISP 개발이 요구되는 상황에서, T20W80의 활용은 해당 어플리케이션의 time-to-market 우위를 달성에 도움을 줄 수 있다. 

최근 마스크 및 NRE 등의 비용 증가뿐만 아니라 반도체 공정 기간이 길어지면서, ‘대량생산 vs 비용’의 ASIC 딜레마가 더욱 심화되고 있다. 특히 Medical과 같이, 빠르게 성장하고 있으나 De-Facto Standard(사실상 표준)가 명확하지 않은, 다시 말해 불확실성이 높은 시장에서는 프로토타입(prototype)과 대량생산(mass production) 사이의 시장 갭을 보상하기 위한 전략이 필요하다. 이번 플랫폼 개발사례처럼, FPGA와 ASIC 제품의 하이브리드 디바이스 플랫폼은 개발 시간 단축과 비용 절감이라는 근본적인 문제들을 해결하는 데에 도움을 줄 수 있다.

Application 2: Golf Swing Camera - High speed camera(1000fps@VGA or 500fps@HD)

골프시장이 국민스포츠로 급성장함에 따라 많은 골드 연습 및 보조 기기들이 출시되었다. 특히, 스윙분석기와 론치모니터는 많은 골프애호가들에게 필수 아이템으로 자리를 잡고 있다. 하지만, 골프스윙은 매우 빠른 순간에 이뤄지기 때문에 정확한 결과를 취득하기 위해서는 수백 프레임의 초고속 카메라를 통한 영상 취득이 필수로 요구되나 일반적인 센서와 디바이스로는 쉽게 구현이 불가능하다. 

[그림 3] 초고속촬영 골프스윙 분석 카메라 어플리케이션

DCOD사는 기성의 영상처리 ISP(EN781F사용)을 EFINIX사의 Ti90 FPGA와 결합하여, 성능과 경제성을 모두 확보한 고효율의 초고속 골프 스윙 분석 카메라를 개발했다.

① 골프공 타격이 이뤄지면 해당 센서로부터 event 정보가 EFINIX Ti60와 EN781F로 입력된다.

② Ti90은 지연 없이 CMOS에 Trigger 신호를 전송하고, EN781F에서는 LED 광원을 제어하여 최적의 영상획득을 유도한다.  

③ 2개의 CMOS에서 약 1.5Gbps/lane의 LVDS(또는 MIPI) 데이터가 Ti90으로 입력된다. 

④ Ti90의 DDR 컨트롤러를 통해 외부 저장장치에 영상데이터가 실시간 저장된다.

⑤ 저장된 스윙영상은 메모리에서 read out되어 EN781F로 전송된다. 

⑥ EN781F는 영상을 최적화 처리하여 HDMI, HD-SDI, USB 등으로 전송한다. 

본 시스템은 CMOS 로 입력되는 Trigger의 위상을 180도 조정하여 프레임 단위를 2배로 증가시키거나, 초고속 3D 깊이영상(Disparity map)을 획득하는 스테레오 카메라(Stereo camera)로 응용 범주를 확장할 수 있다. 

또한, 상위 FPGA family를 사용한다면 DDR 컨트롤러와 I/O을 확장한다면 추가 성능 개선을 기대할 수도 있다. 

기성 ASIC 제품의 경우라면 전력과 효율, 가격적인 측면에서 FPGA나 범용 SoC 제품에 비해 비교우위에 있으나, 시스템적인 유연성이 부족하여 시장의 변화의 빠른 대응은 불리하다.  본 어플리케이션은 EFINIX 사의 FPGA 와 기성 ASIC 제품을 효율적으로 조합(사용하면서, 기존 제품에서 약점으로 지적되는 발열, 전력, 가격 등의 문제를 극복한 사례라고 할 수 있겠다.

마무리

영상처리기기를 위한 설계단계에서, 개발자는 많은 이미지 및 AI를 처리하고 수행할 수 있는 최적의 디바이스를 고민해야한다. 빠르게 변화하는 시장의 대응에 맞춰 유연하게 반응해야만 하는 지금, ASIC만 사용하기엔 그 기술적 특성에 의한 한계에 부딪히고 만다. 비용과 성능대비 크기이점, 확장성과 유연성을 근본적으로 해결하기 위해서 이제 FPGA는 아키텍처에서 필연적으로 고려해야할 사항이 될 것이다. FPGA와 ASIC의 효율적 조합과 사용은 시장에서 요구되는 개발시간 단축 및 비용절감, 그리고 빠른 변화대응을 근본적으로 해결 할 수 있을 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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