FPGA 기반 테스트 및 측정 맞춤형 솔루션의 5가지 장점

프로젝트가 진행됨에 따라 테스트 요구 사항은 고정된 상태로 유지되는 경우가 드뭅니다. 엔지니어는 종종 새로운 장비, PXI 모듈 또는 라이선스 업그레이드를 추가하여 설정을 확장하거나 재구성해야 합니다. 많은 경우, 팀은 몇 가지 핵심 기능을 위해 고가의 장비를 구매하게 되지만, 시스템의 대부분 기능은 활용되지 않습니다. 이는 시스템 복잡성 증가, 통합 시간 연장 및 비용 상승으로 이어집니다.

FPGA 기반 계측은 새로운 접근 방식을 제시합니다. FPGA를 사용하면 엔지니어가 하드웨어 수준에서 계측기 동작을 맞춤 설정할 수 있으므로 불필요한 기능에 비용을 들이지 않고 필요한 것만 정확하게 구축할 수 있습니다. 과거에는 FPGA 개발에 상당한 전문 지식과 비용이 소요되어 접근성이 제한적이었지만, Moku Compile과 같은 사용자 친화적인 플랫폼 덕분에 이러한 장벽이 빠르게 낮아지고 있습니다. 이 글에서는 테스트 환경을 위한 FPGA 기반 맞춤 설정의 다섯 가지 장점과 이러한 접근 방식의 경제성 및 접근성이 어떻게 변화하고 있는지 살펴봅니다.

그림 1: Moku Compile을 사용하여 Moku:Delta 내부의 FPGA를 프로그래밍하는 모습.

#1: 실시간 처리 및 결정론적 타이밍

소프트웨어 기반 테스트 환경에서 타이밍은 궁극적으로 호스트 PC에 의해 좌우되며, 운영체제 스케줄링, 인터럽트 처리 및 인터페이스 지연 시간의 영향을 받습니다. 따라서 진정한 의미의 결정론적 타이밍을 달성하기 어렵고 시스템이 실시간 신호에 반응하는 속도에도 제약이 따릅니다.

FPGA 기반 플랫폼은 측정 및 제어 로직을 하드웨어에서 직접 실행함으로써 이러한 의존성을 제거합니다. 소프트웨어 계층이 없고, 인터페이스 왕복이 필요 없으며, 처리 오버헤드도 없으므로 타이밍 관계는 클록 사이클에 따라 결정됩니다.

이로써 다음 사항이 실현 가능해집니다.

• 고급 트리거링: 소프트웨어 지연 없이 의사 결정 경로에서 여러 신호 또는 복잡한 논리를 기반으로 사용자 지정 트리거 조건을 생성할 수 있습니다.
• 다중 채널 동기화: 채널 및 장비 전반에 걸쳐 위상 일관성을 유지하여 신호 생성 및 수집을 보장하며, 장비 간 편차를 보정할 필요가 없습니다.
• 폐루프 제어: 최소한의 지연 시간으로 제어 알고리즘을 하드웨어에서 직접 실행합니다.

그림 2: 사용자 정의 계측기를 포함한 여러 소프트웨어 정의 계측기가 모두 동일한 FPGA 상에 구현되어 있습니다.

그 결과, 획득, 처리 및 생성이 단일하고 결정론적인 환경 내에서 실시간으로 이루어지는 시스템이 구축됩니다.

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#2: 인라인 디지털 신호 처리

기존의 테스트 환경은 계측 장비와 소프트웨어 기반 처리 방식을 조합하여 사용합니다. 데이터는 수집, 전송된 후 외부에서 처리되므로 지연 시간, 측정값의 공백, 처리량 제한 등의 문제가 발생합니다. FPGA 기반 플랫폼은 이러한 병목 현상을 해소하여 하드웨어에서 직접 연속적인 인라인 신호 처리를 가능하게 함으로써 데이터 전송 지연이나 공백 없이 효율적인 데이터 처리가 가능하도록 합니다.

그림 3: DSP를 인라인으로 통합하면 랙에 필요한 장비 수가 줄어들고 신호 분석에 필요한 후처리 작업도 줄어듭니다.

이를 통해 다음이 가능합니다.

• 끊김 없는 처리: 누락된 이벤트 없이 지속적인 실시간 분석이 가능합니다.
• 고속 실행: DSP 알고리즘은 하드웨어 속도로 실행되므로 소프트웨어 또는 데이터 전송 오버헤드의 제약을 받지 않습니다.
• 인라인 측정 가속: 신호를 사후 처리하는 대신 획득하는 즉시 처리합니다.

측정 장비와 동일한 FPGA 내에서 모든 과정이 이루어지기 때문에 외부 프로세서로 결과를 전송할 필요가 없습니다. 인터페이스나 소프트웨어 계층으로 인한 지연 시간이 발생하지 않아 데이터 수집과 분석 사이에 지연이 발생하지 않습니다.

#3: 재구성 가능한 하드웨어를 통한 신속한 프로토타이핑

새로운 설계나 실험을 프로토타입으로 제작할 때 엔지니어와 과학자들은 종종 딜레마에 직면합니다. 특수 장비는 고급 기능을 제공하지만 비용이 많이 들고, 범용 FPGA 개발 보드는 유연성이 뛰어나지만 맞춤형 로직을 구현하려면 HDL 전문 지식, 복잡한 툴체인, 그리고 디버깅, 타이밍 클로저, 하드웨어 인터페이스 전반에 걸친 상당한 노력이 필요합니다.

재구성 가능한 계측기는 하드웨어 인터페이스, 클록 관리, 타이밍 클로저와 같은 저수준 FPGA 인프라를 처리함으로써 세 번째 접근 방식을 제시합니다. 이를 통해 엔지니어는 오버헤드 없이 필요한 기능만 정확하게 구현할 수 있습니다. 고가의 계측기 구매가 필요했던 맞춤형 신호 처리 파이프라인, 제어 루프, 측정 로직 등을 몇 시간 만에 구축, 검증 및 반복할 수 있어 알고리즘 개발과 실제 테스트 간의 피드백 루프를 훨씬 강화할 수 있습니다.

• 신속 프로토타이핑: 하드웨어 또는 FPGA에서 새로운 알고리즘을 신속하게 테스트하고 개선합니다.
• 반복적 배포: 설계, 측정 및 검증 간의 긴밀한 피드백 루프.
• 적응성: 하드웨어를 변경하지 않고도 요구 사항이 변화함에 따라 테스트 설정을 업데이트할 수 있습니다.

이를 통해 기존의 사용자 프로그래밍 가능 FPGA에서 요구되는 하드웨어 추상화, 타이밍 및 저수준 FPGA 프로그래밍의 복잡성 없이도 더 빠른 실험, 더 빠른 검증 및 더 짧은 개발 주기를 구현할 수 있습니다.

#4: 내장형 계측기를 통한 랙 통합

기존의 테스트 환경은 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 파형 발생기 및 컨트롤러를 포함한 여러 개의 개별 장비로 구성되며, 각 장비는 고유한 인터페이스, 케이블 및 구성을 갖습니다.

이미 여러 계측기를 통합한 플랫폼이 실험대 위의 여러 장비를 대체하고 있습니다. FPGA 기반 맞춤 설정은 여기서 한 단계 더 나아가 내장 계측기와 동일한 플랫폼에 맞춤형 DSP 및 제어 로직을 추가할 수 있게 해줍니다.

그림 4: 부분적인 FPGA 재구성을 통해 여러 계측기가 동시에 작동합니다.

실질적으로 이는 맞춤형 DSP 블록을 케이블이나 호스트 PC, 별도의 클록 도메인 없이 동일 장치에서 오실로스코프와 파형 발생기 사이에 배치할 수 있음을 의미합니다. 이점은 다음과 같습니다.

• 통합 디버깅 및 평가: 내장된 계측 도구를 사용하여 사용자 지정 처리 중에 신호를 관찰하고 검증할 수 있습니다.
• 랙 통합: 박스와 케이블 수를 줄여 더욱 안정적인 설치를 가능하게 하고, 오류, 타이밍 문제 및 신호 손실 발생 가능성을 줄입니다.
• 간소화된 통합: 과도한 장비 동기화 및 보정 작업이 필요 없어 운영 부담이 줄어듭니다.

#5: 총 소유 비용 절감

개별 장비는 개별적으로 보면 비용 효율적인 것처럼 보일 수 있지만, 기존 방식은 시간이 지남에 따라 숨겨진 비용을 누적시킵니다. 이러한 비용에는 여러 하드웨어 구매, 소프트웨어 라이선스 및 업그레이드, 연간 교정 비용, 예비 장비 및 액세서리 구매 비용 등이 포함됩니다.

여러 계측기를 단일 FPGA 기반 플랫폼으로 통합하고 통합 및 유지 관리 오버헤드를 줄임으로써 장기적으로 총비용이 크게 절감됩니다.

요구사항이 진화함에 따라 프로그래밍 가능한 FPGA를 통해 추가 하드웨어 구매 없이 새로운 기능을 추가할 수 있습니다. 플랫폼을 통합하고 재사용할수록 투자 수익률이 높아집니다.

맺음말

FPGA 기반 맞춤 설정은 더 이상 전문 하드웨어 팀에만 국한되지 않습니다. Moku Compile과 같은 사용자 친화적인 도구를 통해, 복잡성을 추가하지 않고도 유연하고 고성능의 테스트 시스템이 필요한 엔지니어들이 쉽게 접근하고 확장할 수 있는 방식으로 활용되고 있습니다. FPGA 기반 계측을 통해 엔지니어는 문제를 시스템에 맞추는 것이 아니라, 문제에 맞춰 시스템을 설계할 수 있습니다.

모쿠 컴파일 FPGA 전문가가 아닌 사람들이 이 접근 방식을 사용하기 어렵게 만들었던 대부분의 요소를 제거합니다. 그리고 곧, 생성 계측 이를 통해 엔지니어는 자연어로 측정값을 설명하고 이를 기반으로 작동하는 Moku 계측기를 생성할 수 있으므로 요구 사항 정의부터 배포까지의 과정을 더욱 단축할 수 있습니다.

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