기술 제공업체는 복합 임베디드 시스템을 더욱 빠르게 구축할 수 있도록 임베디드 플랫폼을 개발하고 있다. 가정용 기기에서 TV, 태블릿 등등…. 우리는 일상에서 임베디드 시스템을 접하고 있는 실정이다. 스마트 파워 미터링, 가정 자동화, 가정용 의료기기는 향후 몇 년 안에 우리 생활 속 도처에 자리 잡을 것이다. 
     
일상에서 접하는 임베디드 시스템이 많아지면서 시스템은 더욱 복잡해졌다. 예를 들면 10년 전의 휴대전화는 하나의 프로세서와 통화용 셀룰러 라디오만을 탑재했지만, 현재는 ▲셀룰러 ▲블루투스 ▲Wi-Fi 라디오 및 여러 프로세서 등을 탑재한 스마트폰으로 진화해 ▲이메일 ▲캘린더 ▲영상 ▲음악 ▲전화 기능을 수행하고 있다. 자동차도 ▲엔진 ▲브레이크 ▲견인 ▲내비게이션 시스템을 제어하기 위해 100개 이상의 프로세서를 탑재한 복합 시스템으로 진화했다. 이런 소비자 영역의 트렌드가 업계에서도 동일하게 나타났다. 기술 제공업체는 임베디드 디자인 시장의 요구사항을 해결하고 시장 출시시기를 더욱 앞당길 수 있도록, 하이 레벨 통합 및 기능이 향상된 컴포넌트, 모듈 또는 완성된 임베디드 플랫폼을 개발하고 있다. 디자인 팀은 궁극적으로 임베디드 디자인에 통신, 처리, 시스템 I/O, 통합형 시스템 디자인 소프트웨어가 포함되는 완성 플랫폼을 지향할 것이다.

기술 사례
SOC와 SOM에는 단일 패키지 또는 모듈의 시스템이 필요한 모든 전자 회로를 포함하고 있다. SOC와 SOM은 임베디드 시스템의 세 가지 주요 요소들인 ▲통신 인터페이스 ▲처리 ▲시스템 특정 I/O를 포함하기도 한다. 예를 들면 비디오 DSP(Digital Signal Processing), 오디오 DSP, 라디오 솔루션, 네트워킹 솔루션, 단일 칩 또는 모듈이 완성된 컴퓨팅 플랫폼이 있다. Computer-module(COM)은 특수 SOM 하위범주로 구성되어 있다. 업체는 전체 컴퓨터나 임베디드 서브시스템을 하나의 디바이스에 통합함으로써 ▲기능 향상 ▲뛰어난 통합 ▲전반적으로 테스트된 디자인 ▲작은 패키지 ▲낮은 전력 소모를 통해 임베디드 디자이너들에게 많은 가치를 제공하고 있다. 현재 수많은 디자인 팀들이 SOC와 SOM을 사용하고 있다. 일부 애플리케이션 영역에서는 거의 모든 팀이 동일한 SOC 또는 SOM을 사용하고 있다. 동일한 SOC 또는 SOM을 사용하는 팀들에게 최종 디자인에서 차별성을 갖추기란 쉽지 않다. 차별성을 갖추기 위해 대부분의 디자인 팀들은 추가적인 개별 컴포넌트와 프로그래밍 가능한 로직을 이용하여 SOC와 SOM을 늘린다. FPGA와 같은 추가적인 프로그래밍 로직을 디자인에 이용하면 특수 처리 추가, 성능 증대, 개발 도중 또는 임베디드 시스템을 배포한 후 원하는 때에 로직을 업데이트할 수 있어 디자인의 향후 검증도 가능하다. 임베디드 시스템에 FPGA를 추가하는 트렌드는 새로운 SOC가 출시되면서 한 패키지에 완성된 마이크로프로세서와 FPGA를 둘 다 포함시키면서 일반화됐다.

해결과제
SOC와 SOM의 많은 발전을 거듭했지만 완벽한 임베디드 플랫폼을 제공하기에는 아직 미흡한 점이 많다. 10년 후, 소프트웨어 툴은 시스템 디자인과 개발에서 더욱 중요한 역할을 하게 될 것이다. 과거 많은 임베디드 디자인들이 임베디드 하드웨어 기능에 의해 정해졌고 디자인이 시스템 요구사항에 맵핑됐다. 하지만 지난 10년 동안 임베디드 하드웨어의 전력 소모, 비용 및 크기가 줄어들었기 때문에 하드웨어가 더 이상 임베디드 디자인 선택에 걸림돌이 되지 않는다. 생산성 역시 마찬가지이다. 임베디드 디자인의 생산성은 대부분의 엔지니어들이 사용할 수 있을 정도로 직관적인 환경을 제공하는 통합형 소프트웨어 디자인 툴로 상용 하드웨어의 기능을 사용함으로써 증진될 것이다.

Apple Genius
2007년 애플이 아이폰을 출시하면서 스마트폰과 개인 엔터테인먼트 기술을 급격히 변화시켰다. 아이폰 하드웨어는 대부분 스마트폰 고객들의 니즈를 충족시켰다. 하지만 아이폰이 차별성을 가지는 진짜 이유는 아이폰의 iOS와 아이튠즈 및 앱스토어에 등록된 수십만 개 앱이란 소프트웨어 때문이었다. 통합형 임베디드 디자인 플랫폼은 애플이 아이폰 에코시스템으로 실현해온 통합, 품질 및 확장성과 동일한 수준에 도달해야 한다. 완전히 통합된 임베디드 플랫폼에는 이기종(heterogeneous) 처리 시스템을 프로그래밍하는 단일 소프트웨어 개발 환경을 반드시 포함하고 있어야 하며, 대규모 분석 라이브러리 및 컨트롤 알고리즘도 포함해야 한다. 또한 통신 및 어플리케이션 특정 I/O와도 긴밀히 통합되는 동시에 디자인 팀이 애플리케이션 요구사항에 따라 다양한 프로그래밍 방식에서 선택할 수 있어야 한다. 임베디드 플랫폼은 전체 디자인 과정(프로토타입부터 최종 배포까지) 동안 동일한 코드를 이용하여 시스템을 진화시킬 수 있을 만큼 유연한 모듈형이어야 한다. 임베디드 디자인 플랫폼의 목적이 아이폰과는 다르긴 하지만 본질 자체는 같다고 볼 수 있다. 그 본질은 긴밀히 통합된 하드웨어/소프트웨어 방식을 임베디드 디자인에 적용하여 전체 디자인을 향상시키는 것이다.

재구성 가능한 컴퓨팅
고급 임베디드 컨트롤 및 모니터링 시스템은 프로그래밍 가능한 로직을 사용하여 디자인의 향상을 주도해왔다. 과거에는 저가형 마이크로컨트롤러를 선택할지 뛰어난 성능의 CPU를 사용할지 결정하기가 어렵지 않았다. 선택은 임베디드 시스템에서 예상되는 시스템 요구사항을 기초로 이뤄졌다. 컨트롤 및 모니터링 시스템이 더 많은 기능을 탑재하면서 추가적인 임베디드 처리 및 프로그래밍 가능한 로직이 다음과 같은 고급 기능을 일반적으로 처리할 수 있게 됐다.

-실패를 대비하고 안전을 높이기 위한 머신 모니터링
-무선 통신 및 인터넷 연결
-보다 정확한 측정을 위한 아날로그 및 디지털 신호의 필터링
-지능형 센서와 기타 서브 시스템에 대한 디지털 통신
-데이터 축소를 위한 I/O 레벨  사전 처리

대부분의 임베디드 디자인은 프로세서 기반 컴포넌트로 시작하며, 마이크로컨트롤러나 마이크로프로세서로부터 명령을 받아 기본적인 컨트롤과 모니터링 태스크를 스케줄링하고 처리하며, 사용자 인터페이스와 통신하고 디자인의 기타 모든 부분을 감독한다. 이 아키텍처는 기존의 임베디드 시스템에서 모든 컨트롤 루프를 제공하고 로그 파일을 처리하는 데 충분한 처리력을 제공했다. 고급 컨트롤 및 신호 처리 태스크를 통합하는 보다 복합적인 시스템의 경우, 더욱 뛰어난 속도의 데이터 처리와 결정성 있는 컨트롤 구현을 위해 FPGA, DSP 그리고 GPU와 같은 추가적인 처리 컴포넌트를 이용할 수밖에 없었다.

프로그래밍 가능한 로직
FPGA는 동일한 PCB 상에 있는 여러 컴포넌트간의 디지털 글루 로직으로서 30년 동안 사용됐다. FPGA의 재구성 가능한 로직은 뛰어난 안정성과 결정성으로 복합 상태 머신과 프로세서 클록 사이클과는 독립적으로 작동하는 디지털 회로에 이상적이다. 지난 몇 년 동안 FPGA의 성능은 급격히 성장했으며 전력 소모와 비용도 상당히 줄어들었다. 따라서 임베디드 측정 및 컨트롤 디자인에서 사용하는 FPGA는 단순한 글루 로직에서 신호 처리뿐 아니라 태스크 처리(맞춤 디지털 필터, FFT, PID 컨트롤을 위한 로직)까지 처리할 수 있도록 확장됐다. FPGA를 처리에 사용했을 경우 얻을 수 있는 주된 이점은 프로세서의 순차 아키텍처와 달리 여러 알고리즘이 병렬로 실행 가능하다는 것이다.
FPGA가 제공하는 뛰어난 성능과 유연성 때문에 임베디드 디자인에서 마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서의 역할을 FPGA가 대체하고 있다. 마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서는 FPGA보다 비용이 낮으며 잘 정립된 소프트웨어 에코시스템(OS, 표준 하드웨어 드라이버, 쉬운 부동소수점 연산으로 신호 처리를 위한 라이브러리 포함)을 포함하여 출시된다. 하지만 FPGA 기술이 채택되면서 프로세서와 FPGA가 결합되어 뛰어난 성능의 시스템이 탄생했고 순차 및 병렬 아키텍처를 통해 복합적인 알고리즘 처리가 가능해졌다. 프로그래밍 가능한 하드웨어를 디자인에 통합하는 것은 PCB를 다시 디자인하는데 시간과 비용을 소모하지 않고 디자인을 반복할 수 있는 가장 빠른 방법이다.

“ 임베디드 플랫폼은 전체 디자인 과정 동안
동일한 코드를 이용하여 시스템을 진화시킬 수 있을 만큼 유연한 모듈형이어야 한다.”

관련 사례
다양한 업계에서 임베디드 디자인에 프로세서와 FPGA를 함께 사용하고 있다. 한 가지 예는 ePower Tech
nology(덴마크 엔지니어링 업체)로, 이 업체는 근육 테스트와 운동 장비를 위한 임베디드 컨트롤 시스템을 제작했다. SYGNUM 에너지 트레이닝 시스템은 특허 받은 5상 모터를 이용하여 운동 동작 중에 저항이 작용하였을 때 좀 더 부드럽게 제어가 가능하도록 했다. 속도와 위치에 대한 설정 값을 토대로 고속 컨트롤 루프를 처리하는 데는 FPGA를 사용했고, 보다 낮은 주파수 컨트롤 루프를 위해 리얼타임 OS가 탑재된 프로세서를 사용했다. 에너지 사업 분야에 있어서, Xtreme Power는 여러 프로세서와 FPGA 기반 임베디드 컨트롤 및 모니터링 노드로 구성된 분산 에너지 스토리지 시스템을 제작하는 업체이다. 이 업체는 FPGA 기술을 이용하여 3상 전력망에 대한 정확한 고속 측정을 수행하고 고급 알고리즘을 구현하여 불안정한 전력망에 최적으로 응답할 수 있는 방법을 판단한다. 이 시스템의 프로세서 부분은 기타 여러 분산 노드에 이더넷 통신 링크를 제공하여 시스템 관리와 진단을 위해 데이터에 원격으로 접근할 수 있게 됐다.

“ 새롭게 조성된 모바일 시스템의 에코시스템은 휴대전화 기능을 확장시킴으로써 휴대전화에 대한 기대를 높였다.”

임베디드 시스템의 혁신
임베디드 마이크로프로세서에서 FPGA는 새로운 개념이 아니다. 사실 FPGA 제공업체들은 FPGA 트랜지스터 개수가 여러 프로세서를 수용할 수 있을 만큼 성장한 이후 여러 유형의 임베디드 프로세서를 제공해오고 있다. 1990년대 말, FPGA 제공업체들은 합성 및 place-and-route 툴로 FPGA를 프로그래밍할 수 있는 소프트 코어(Verilog 또는 VHDL에서 8비트, 16비트, 32비트 프로세서 코어 또는 사전 라우팅된 넷리스트)를 제공하기 시작했다. 그 후 2000년대에는 무어의 법칙이 적용되면서 FPGA 제공업체들이 마이크로프로세서를 실리콘 칩 자체와 프로그래밍 가능한 로직 블록에 구현할 수 있게 됐다. 패브릭 자체에 코어를 구현하면 프로그래밍 가능한 로직을 위한 칩의 공간은 줄어들고 칩의 처리와 전체 성능을 높이며 전력 소모는 낮아진다.



모바일 디바이스와 클라우드
디자인 팀들은 새로운 모바일 서비스와 클라우드 기술을 차세대 임베디드 시스템에 활용할 수 있다. 모바일 컴퓨팅은 새로운 개념이 아니다. 지난 40년 동안 초기 휴대용 계산기에서 Osborne 1 휴대용 컴퓨터, 이식 가능한 데이터, 연산 및 통신까지 개념에서 시작하여 실제로 구현됐다. 지난 4년 동안에는 비즈니스 툴로만 여겨졌던 스마트폰이 다양한 기능을 탑재한 뛰어난 접근성의 모바일 컴퓨터로 변모했다. 또한 새롭게 조성된 모바일 시스템의 에코시스템(웹 및 네이티브)은 휴대전화의 기능을 더 확장함으로써 휴대전화에 대한 기대치를 높이게 됐다. 상대적으로 최근 태블릿 PC의 사용 확산은 기존의 기술 풍토를 완전히 바꿔놓고 있다. 아직까지 모바일 컴퓨터 시장의 승자가 분명히 정해지지는 않았지만, 적어도 “Wintel-like” 공통 아키텍처와는 다르게 시장이 정착되고 있는 형국이다. 예전과는 상황이 다르기 때문에 임베디드 컨트롤 및 모니터링 시스템 구축 시 엔지니어가 제공할 수 있는 새로운 기회가 나타나고 있다. 이에 추가적인 하드웨어 비용 없이도 어느 곳에서나 접근이 가능한 특수하고 풍부한 사용자 인터페이스를 사용자에게 제공할 수 있다.