ETRI, 무인자율차 전용 프로세서 첫 개발 1GHz급 고성능·자율주행 프로세서(CPU)'알데바란'개발

ETRI, 무인자율차 전용 프로세서 첫 개발 1GHz급 고성능·자율주행 프로세서(CPU)'알데바란'개발

배포일2016.12.01.담당자 ICT소재부품연구소

 

 

 

 

<안전한 무인차를 위한 혁신적 프로세서 반도체 개발>
ETRI, 무인자율차 전용 프로세서 첫 개발
- ISO국제표준 맞춰 기능안전성 99%...세계 첫 프로세서
- 1GHz급 고성능·자율주행 프로세서(CPU)‘알데바란’개발
고사위기 반도체설계 산업 단비...지능형반도체 도약 신호탄

국내 연구진이 무인 자율주행차의 핵심기술 중 하나인‘고성능 네 개의 슈퍼스칼라 프로세서와 인식 엔진을 집적하고 ISO 26262의 기능안전성(Functional Safety)을 만족하는 지능형 자율주행용의 GHz급 자동차 프로세서
 프로세서 컴퓨터에서 어떠한 형태의 소프트웨어든 실행하는 반도체를 말함. CPU, 즉, 중앙처리장치라고도 불림. 
’개발에 성공했다. 프로세서 기술은 무인차의 센서, 레이더 등과 더불어 가장 중요한 기술로 센서가 모아준 데이터를 분석 및 처리하는 역할을 한다.
ETRI(한국전자통신연구원)는 1와트(W)내외의 저전력 독자적인 아키텍처 개발을 통해 저전력 프로세서 코어를 구현. 해외 자율주행을 위한 인식 프로세서가 수백 와트(Watt)의 전력을 소모, 알데바란 프로세서는 한 개의 프로세서는 1GHz 동작시 0.24와트, 네 개의 프로세서가 동시에 동작할 때도 1와트 이하의 전력을 소모, 다른 동급 프로세서에 비해 100분의 1 수준 전력소모.
으로도 무인자율차의 기능을 통합하여 실행하는 기가헤르츠(GHz)급 자동차 전용 프로세서(CPU) 기술개발에 성공했다고 1일 밝혔다.
그동안 프로세서 시장은 외국산이 국내 시장을 잠식해 왔다. 이번 ETRI가 자체기술로 개발에 성공한 알데바란 프로세서는 차량 급발진의 경우처럼 전자장치가 고장났을 때 99%의 확률로 이를 확인하여 해결한다.  
특히 고장확인 및 해결 기능은 국제표준화단체 ISO ISO가 마련한 자동차 기능안정성(Functional Safety) 국제 표준(ISO 26262). 자동차 전자시스템의 시스템, 하드웨어, 소프트웨어, 양산관리 규정을 표준화하고 있음. 알데바란 프로세서는 국내 최초로 ISO 26262 Part 11 과 5에서 규정한 자동차 프로세서 반도체의 기능안전성 규정을 준수하는 지능형 안전주행 1.0 GHz급 프로세서임.
의 기능안전성을 만족하는 세계 최초 기술로 프로세서에 내장된 칩이 차량의 고장여부를 스스로 체크할 수 있는 혁신적 자동차용 반도체 기술이다.
외국산 프로세서가 수백와트(W)의 전력을 소모하는데 반해 ETRI 프로세서는 1GHz 동작시 0.24와트로, 칩에 탑재된 4개 프로세서가 동시 동작할 시에도 1와트 이하의 전력을 소모, 타 동급 프로세서 대비, 100배 정도 우수한 에너지 효율을 갖는다.
아울러 본 기술은 ETRI가 독자적으로 개발한 쿼드코어(Quad-Core) 구조 기술 기반으로‘네 개의 동시 동작하는 두뇌’를 통하여 무인자율차의 복잡한 기능을 실행할 수 있는 것이 큰 특징이다.
연구진이 개발에 성공한 프로세서 반도체 칩 차량용 네트워크 CAN, 직렬 통신 UART, I2C 외 다양한 인터페이스를 구현, 비디오 입출력 모듈, 차량 인식 및 보행자 인식 가속기를 한 개의 칩에 구현
은 크기가 7mm x 8mm 수준으로 패키징을 하면 ECU ECU(Electronic Control Unit) : 자동차의 엔진, 자동변속기, ABS 등 상태를 컴퓨터로 제어하는 전자제어 장치
보드를 약 10cm 내외로 만들 수 있어 향후 자동차 내부에 쉽게 장착할 수 있다.
자율주행 자동차는 영상, 레이다, 라이다(LiDAR 라이다(Light Detection and Ranging) : 레이더가 극초단파를 이용하여 대상물까지의 왕복 시간을 관측함으로써 거리를 구하는 것처럼 라이다도 레이저를 이용하여 동일한 원리로 거리를 측정
), 초음파 등 센서를 통해 입력된 정보를 분석, 자동차를 스스로 제어하는 프로세서 반도체에 의하여 구동된다. 만약 프로세서에 고장이 발생하면 의도치 않은 조향 제어 등에 의해 차량 탑승자의 안전은 심각한 영향을 받게 되므로, 프로세서의 고장확인 및 해결기능은 매우 중요하다.
ETRI는 본 프로세서가 향후 무인차에 뿐만 아니라, 로봇, 전자제품 등 향후, 반도체가 들어가는 모든 전자부품에 활용이 될 것으로 내다봤다. 특히 본 기술은 지능적인 인식 기능이 포함되어 있고, SW가 실행되는 모든 곳에 적용될 수 있다고 연구진은 설명했다.
연구진은 IT 산업의 핵심인 반도체 산업에서 가장 중요한 분야를 IP설계기술로 보고 있으며, 알데바란을 통하여 기존의 설계비용을 25%수준으로 낮추어 국내 기업과 협의중이다.
따라서 더 이상 국내기업이 외국산 설계 및 프로세서를 사오는 일이 없이 무인차의 센서 데이터 처리 및 자동차를 제어하는 반도체 기술을 보유케 된 것이라고 ETRI 연구진은 밝혔다. 
ETRI 엄낙웅 ICT소재부품연구소장은 “최근 세계적 프로세서 기업이었던 암(ARM)사가 일본의 소프트뱅크에 인수되었다. 전 세계적으로도 프로세서가 큰 관심을 갖고 있는 시점에 의미 있는 기술개발이다”라고 말했다.
ETRI는 본 기술이 지난 2006년부터 약 10년간에 걸친 연구개발 노력으로 이뤄진 결과라고 밝혔다. 그동안 미래창조과학부의 지능형반도체 사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술 개발사업의 일환으로 이뤄졌다.
연구진은 기술개발과정을 통해 SCI급 논문 10여편, 특허출원 100여건, 기술이전을 5곳에 했다고 밝혔다. 상용화는 내년말로 보고 있다.
ETRI 연구책임자인 권영수 프로세서연구실장은“향후 지능정보기술이 대두됨에 따라 신경망코어, 신경망구조를 본 칩에 적용하도록 추가 연구를 진행하고 있다”고 설명했다.
향후 연구진은 세계적인 추이에 발맞춰 자동차 내 들어가는 모든 칩을 원 칩(One-chip)화 하는데도 주력할 계획이다. 이로써 모든 센서로부터 수집되는 데이터를 하나의 칩으로 통합처리하는 것이 가능해질 전망이다.
ETRI는 ㈜넥스트칩, ㈜언맨드솔루션과 협력, 칩 기술을 개발하고 칩 제작은 삼성전자가 협력했다고 밝혔다. 또 본 프로세서의 명칭을 1등성 별의 하나인‘알데바란’(Aldebaran)이라고 명명하였다.
한편, 연구진은 지난달 24일, 특허청 주관 『제17회 대한민국 반도체대전』에서 본 기술로 대통령상인 대상을 수상한 바 있다. <보도자료 본문끝>

참고1

 알데바란 기술개발 관련 참고사항

ETRI는 최근 고성능 자율주행 프로세서인‘알데바란(Aldebaran) 프로세서'를 개발했다. 최근 자동차 및 IT 업계가 자율주행 등 고속 연산이 필요한 신기술 개발에 초점을 맞추면서, 자율주행 및 지능정보 처리 전용의 핵심 프로세서 시장이 폭발적으로 성장하고 있다. 알데바란 프로세서는 ETRI가 순수 국내 기술로 자체 개발한 고성능 프로세서로서 4 개의 슈퍼스칼라 프로세서와 인식 엔진을 집적하고 ISO 26262의 기능안전성(Functional Safety) 사양을 모두 만족하는 자율주행 자동차용 프로세서이다.
자동차에 장착되는 전자부품의 복잡도가 심화되고, 전자시스템의 탑재 수량이 지속적으로 늘어나면서, 자동차는 이제‘사람을 태우고 달리는 전자부품’으로 변모해가고 있다. 전자부품은 장시간 사용시 또는 외부적인 요인에 의해 고장(Failure)이 발생할 수 있는데, 자동차가 사람을 태운 상태에서 전자시스템이 고장 나면 바로 인명 손상을 유발한다. 특히 기후, 온도, 진동 등의 주행 조건에 의하여 크게 영향을 받는데, 동작 환경이 열악한 환경은 자동차 프로세서 등의 전자부품이 오작동을 일으킬 확률이 높다. 자율주행 자동차의 경우, 그 위험성은 더욱 크다. 자율주행 자동차의 핵심 부품은 프로세서 반도체로 영상, 레이다, 라이다, 초음파 센서 등을 통하여 입력된 정보를 분석하여 자동차를 직접 제어하는 역할을 한다. 이 프로세서가 고장이 난다면 의도치 않은 방향 제어가 발생하여 탑승자의 안전에 심각한 영향을 주게 되므로, 기능안전성을 갖추는 것은 매우 중요한 기술임을 국제 표준화 그룹에서 인정하고 있다.
자율주행 자동차 프로세서 기술은 SW와 SoC의 원천기술을 망라하는 난이도 높은 기술로서 국내 기업의 투자는 미미한 실정이며 전량 수입에 의존하고 있다. 국내기업이 기존 외산 자동차 프로세서에 인식 엔진을 탑재할 경우 SW업체와의 라이센싱을 통해 기능을 구현하게 되므로 개발 비용 및 제품 단가 측면에서 큰 부담이 되고 있는 상황이다.
고성능 슈퍼스칼라 프로세서와 인식 엔진을 탑재하고 ISO 26262의 기능안전성 사양을 모두 만족하는 알데바란 프로세서 기술은 자율주행 자동차 프로세서 기술의 국산 솔루션 자립을 통한 국내 기업의 로열티 부담 해소 및 제품 가격  경쟁력 확보에 크게 기여할 것으로 판단된다.
ISO 26262는 국제 표준화 기구 ISO가 마련한 자동차 기능안정성(Functional Safety)을 위한 국제 표준이다. ISO 26262는 자동차 전자시스템의 하드웨어, 소프트웨어, 및 양산관리 규정까지를 표준화하고 있을 뿐만 아니라 2018년도에 제정이 완료되는 ISO 26262 2nd Edition 에서는 자동차에 사용되는 반도체의 설계 규정까지도 포함할 것을 명시하고 있다(Part 11, 2015년, ISO TC22/SC32/WG8 회의 확정).
ETRI가 개발한 알데바란 프로세서는 국내 최초로 자동차 프로세서 반도체의 기능안전성 규정인 ISO 26262 Part 11 과 Part 5를 완벽히 준수하는 지능형 자율주행을 위한 1.0 GHz 프로세서이다(그림1, 그림2, 그림3). 알데바란 프로세서가 내장하고 있는 여러 개의 코어는 서로 협업하여 상호 동작을 실시간 확인하며 고장 방지 기능을 구현함으로써 자율 주행의 안전성을 극대화 한다. 또한, 다수의 카메라를 통해 입력되는 영상 신호 처리를 위하여 4 개의 코어(Quad Core)가 각각 최대 1.0 GHz의 동작 주파수로 독립적으로 연산할 수 있도록 하여 방대한 영상 정보를 고속으로 병렬 처리할 수 있다. 알데바란 프로세서의 입출력 인터페이스로는 자동차 엔진과 브레이크 상태를 모니터링 하고 적합한 주행 제어를 위한 CAN(Controller Area Network) 및 CAN-FD(Flexible Data rate)와 직렬 통신인 UART, I2C를 탑재하고 있으며, 그 외 비디오 입출력 모듈, 차량 및 보행자 인식을 영상처리 가속기를 포함하고 있다.
또한, 알데바란 프로세서는 독자적인 슈퍼스칼라 아키텍처, 32KB/32KB 캐시 메모리, 가상 메모리 운용을 위한 메모리 관리 유닛 (MMU; Memory Management Unit)을 포함하며 초저전력 프로세서 코어를 구현하는데 역점을 두었다. 해외의 자율주행용 프로세서가 수백 W의 전력을 소모하는데 반해, 알데바란 프로세서 내부의, 1 개의 프로세서가 1GHz 동작시 0.24 W, 4 개의 프로세서가 동시에 동작할 때도 1.0 W 이하의 전력을 소모하여 동급의 기존 프로세서에 비해서 100분의 1 전력만을 소모하는 초저전력 프로세서이다. 자동차 전자부품 수가 늘어나면서 전력 소모량은 지속적으로 증가하고 있으며 전력 소비량이 큰 전자 부품은 자동차의 신뢰성을 감소시키는 결정적인 요인이 되며, 알데바란의 저전력 프로세서의 중요성은 더욱 각광을 받을 것으로 판단된다. 운영 소프트웨어로 Linux 및 RTOS 등의 범용 운영체제를 탑재하여 칩(Chip)에서의 성능 검증을 완료하였으며, C/C++ 컴파일러를 포함한 자체 개발환경 (SDK; Software Development Kit)을 통하여 누구나 쉽게 프로그래밍 할 수 있게 하였다(그림 4). 알데바란 프로세서는 삼성전자 28nm 공정으로 제작되어 실제 동작 검증에서 1.0 GHz의 동작 주파수와 4.0 GOPS의 성능을 기록하였다. 에너지 효율은 0.24 mW/MHz로 업계 최고의 전력효율성을 달성하였다.
이에 ETRI는 자율주행 차량 제작사와 협력하여 알데바란 프로세서를 실제 자동차에 장착하여 영상인식, 차선인식(LD; Lane Detection), 차선인식 결과분석, 및 CAN(차량용 통신 인터페이스)을 통한 조향 장치 제어를 구동하여 차선유지 시스템(LKAS; Lane Keeping Assistance System)이 잘 동작함을 확인하였으며 ISO 26262 Part 11과 Part 5에서 규정하고 있는 ASIL D급 안전 메커니즘(Safety Mechanism)을 구현하였다(그림 5). ETRI는 알데바란 프로세서와 소프트웨어 개발 환경을 산업계에 기술이전을 완료함은 물론, 다양한 형태의 교육을 실시함으로써 그 적용 영역을 넓혀가고 있다.
 본 기술개발은 미래창조과학부의 지능형반도체 사업의 지원, 산업통상자원부의 전자정보디바이스 사업, 그리고 삼성전자의 협력하에 추진되었으며, ETRI는 알데바란 프로세서와 소프트웨어 개발환경을 산업계에 기술이전을 완료함은 물론, 학계를 대상으로 다양한 형태의 교육을 실시함으로써 그 적용 영역을 넓혀가고 있다.
 다가오는 자율 주행 시대에는 고성능, 초경량, 기능안전성 기술을 가진 프로세서와 소프트웨어를 갖춘 기업들의 각축장이 될 것이다. 프로세서 코어 기술 수입을 위해 수많은 기업들이 매년 수 조원의 도입 비용 및 사용로열티를 해외로 지불하고 있는 현실에서, 순수 국내 기술로 개발된 알데바란 프로세서는 정체기에 들어선 국내 반도체 산업이 메모리 반도체에만 머물지 않고 고성능 지능정보처리 지능형반도체 산업으로 도약하기 위한 주춧돌 역할을 할 것으로 의심할 여지없이 기대가 된다.

참고2

 알데바란 기술개발 관련 사진참고 설명

<그림 1. 알데바란 프로세서 Layout>
<그림2. 알데바란 프로세서 Die Microphotograph (8 X 7mm2)>

<그림 3. 알데바란 프로세서 패키징 칩>
<그림 4. 알데바란 프로세서 칩을 장착한 ECU 시스템>

<그림 5. 알데바란 프로세서 기반 ECU 시스템을 장착한 자동차>