Nikkei Automotive_2021.4 특집 요약 (p62-67)

차량탑재 프로세서의 2강 격돌
통합 ECU에서 기술 경쟁

차세대 자동차의 ‘두뇌’라고 할 수 있는 통합 ECU(전자제어유닛)을 둘러싼 반도체 업체의 경쟁이 격화되고 있다. 중앙처리장치(Central Gateway)용 차량탑재 SoC(System on Chip)에서 르네사스(Renesas Electronics)에 추월 당한 네덜란드 NXP Semiconductors는 독자적인 액셀러레이터를 탑재한 신제품으로 반격을 노리고 있다. 이에 대해 르네사스는 고속∙저전력의 AI(인공지능) 회로 기술을 강점으로 점유율 확대를 목표하고 있다. 차량탑재 프로세서의 강자인 르네사스와 NXP의 경쟁으로 인해 통합 ECU의 진화는 가속될 것으로 보인다.

“2022년 이후의 트렌드 중 하나는 중앙처리장치에 바디계 도메인 ECU를 포함하는 움직임이다”. NXP의 일본법인 NXP Japan 제1사업본부 마케팅총괄부의 야마모토(山本) 부장은 자동차의 전기/전자(E/E) 아키텍처의 진화를 이렇게 설명한다.

선행사례로 독일 폭스바겐의 EV(전기자동차) ‘ID.3’가 있다. ID.3가 탑재하는 통합 ECU의 하나인 ‘ICAS1(In-Car Application Server 1)’는 중앙처리장치와 바디계 도메인 ECU의 두 기능을 갖고 있다. 단, ICAS1은 심장부인 차량탑재 SoC에 르네사스의 ‘R-Car M3’를 채용했다. NXP 입장에서는 르네사스에 추월 당한 모양새다.

NXP와 르네사스는 차량탑재 프로세서 시장에서는 2강이다. 복수의 업계 관계자들은 이번 르네사스의 차량탑재 SoC가 ID.3에 채용된 배경으로, NXP의 차량탑재 SoC 개발의 지연을 지적하고 있다. 16년에 미국 퀄컴이 NXP의 인수에 착수했지만 미중 무역 마찰을 배경으로 중국의 규제 당국에 의한 승인을 얻지 못하고 18년에 인수를 단념했다. 업계 관계자들은 이 영향으로 NXP의 차량탑재 SoC 개발이 늦어졌을 가능성이 있다고 말한다.

NXP는 20년 1월의 ‘CES’에서 발표한 차량탑재 SoC ‘S32G’로 반격을 노린다. S32G는 차량탑재 네트워크의 패킷 처리를 담당하는 네트워크 액셀러레이터를 탑재해 CPU의 부담을 경감할 수 있고, 사이버 보안에도 강하다. NXP는 IC카드용 시큐어 마이크로컴퓨터에서 높은 점유율을 차지한다. 그 기술을 S32G에도 사용하고 있다. “S32G에 대한 문의는 많다. 채용을 검토하고 있는 업체가 국내외에 다수 있다”(NXP Japan의 야마모토 부장).

액셀러레이터로 인해 여력이 생긴 CPU를 사용해 다양한 어플리케이션을 실행할 수 있다. 예를 들면, 드라이브 레코더나 DMS(운전자감시시스템)와 같은 기능을 중앙처리장치에 담을 수 있다. 드라이브 레코더나 DMS의 영상을 AI로 처리하고, 그 정보를 클라우드에 송신하면 운전 상황에 따라서 보험료를 할인하는 서비스에 사용할 수 있다. NXP Japan 제1사업본부 마케팅총괄부의 하야사카(早坂) 부장은 “AI 액셀러레이터를 전개하는 파트너기업과 기술을 개발하고 있다. 자동차업체나 1차부품업체(티어1)에 제안하고 있다”라고 말한다.

차량탑재 네트워크의 허브인 중앙처리장치의 특징을 활용한 용도도 있다. 바디계나 파워트레인/샤시계, 콕피트계의 각종 센서 정보를 모아 AI로 분석해서 고장을 예측하거나 사이버 공격을 감지하거나 한다. “이 용도도 파트너기업과 구체적인 대책을 추진하고 있다”(하야사카(早坂) 부장).

-- 존(Zone) ECU는 바디계부터 --
NXP Japan의 야마모토 부장은 E/E 아키텍처의 트렌드로서 존 ECU의 등장에 대해서도 지적했다. 중앙처리장치가 바디계의 기능을 담으면, 그 밑으로 연결되는 부분이 최초의 존 ECU가 될 것으로 보인다. 예를 들면, 차량의 오른쪽과 왼쪽에 하나씩 바디계 존 ECU를 배치한다. 존을 분리함으로써 배선을 줄일 수 있는 등의 이점이 생겨난다.

존 ECU 시장을 목표로 NXP가 투입하고 있는 차량탑재 SoC가 ‘S32K’다. “최신 ‘S32K3’에서는 록스텝(Lockstep) 대응의 멀티코어 CPU를 채용하고 있으며, 바디계 존 ECU에 딱 매치한다. 많은 문의가 들어온다. 실제로 채용을 결정한 유저도 있다”(NXP Japan의 하야사카(早坂) 부장). 국제표준인 오토사(AUTOSAR)나 보안계 펌웨어 등의 소프트 류를 무상으로 칩에 부속시킨 점도 평가를 받고 있다.

“존 ECU의 밑으로 연결되는 ECU는 여전히 남아 있다. 그곳에는 주로 마이크로컴퓨터가 사용된다”(하야사카(早坂) 부장). 그러나 말단부의 ECU를 서서히 존 ECU에 통합해 나가는 움직임이 있다. 또한 일부 자동차업체는 존 ECU에 게이트웨이 기능을 부여하는 것도 검토하고 있다. 이 때문에 S32K의 차세대품에서는 보다 고성능화를 추진하고, 네트워크 액셀러레이터를 탑재하는 것도 검토한다.

-- 게이트웨이에 레벨2+도 집약할 것인가? --
NXP Japan의 야마모토 부장은 “30년 이후에는 중앙처리장치에는 바디계 기능뿐 아니라 다양한 기능이 집약될 것이다”라고 지적한다. 예를 들면, 레벨2+의 ADAS(선진 운전 지원 시스템)계는 30년 무렵에는 전체 차량에 표준 탑재될 가능성이 있다. 그 경우에는 중앙처리장치에 넣는 편이 비용이 저렴하다. 레벨3 이상의 자율주행 기능을 탑재하는 일부 고급 차량에는 별도의 자율주행계 도메인 ECU를 탑재하는 것으로 대응한다.

NXP는 콕피트계 도메인 ECU도 독립해서 계속 존재할 것으로 보고 있다. 콕피트계는 ‘Android OS’ 등을 탑재해 스마트폰에 가까운 진화를 달성한다. 그 경우 하드는 1~2년의 짧은 사이클로 성능 향상이 요구되기 때문에 독립한 ECU가 될 가능성이 높다. NXP에서는 민생기기 시장에서 축적한 ‘i.MX’라는 SoC를 콕피트계에 투입하고 있다.

NXP는 중앙처리장치나 존 ECU, 콕피트계 ECU는 표준 탑재를 전망할 수 있기 때문에 특히 주력하고 있다. NXP는 ADAS용 ‘S32V’나 자율주행용 ‘S32A’와 같은 차량탑재 SoC도 전개하고 있지만 레벨3 이상의 자율주행 차량은 출하 대수가 적을 적으로 보인다. 또한 미국 NVIDIA나 이스라엘의 Mobileye와 같은 경쟁사도 있기 때문에 “볼륨(양산 규모)을 노릴 수 있는 중앙처리장치나 존 ECU, 콕피트계 ECU에 주력할 생각이다”(야마모토 부장).

-- 차세대 제품은 5nm 프로세스를 채용 --
현재 S32G 등은 세계 최대 파운드리(반도체 위탁생산) 업체인 대만 TSMC의 16nm 세대 프로세스로 제조하고 있고, 차세대품은 5nm 세대 프로세스를 사용할 예정이다. 르네사스가 채용하는 7nm 세대가 아니라 5nm 세대를 사용하는 이유는, 30년을 대비한 제품 개발에서는 고성능과 집적도가 필요하기 때문이다. 25년의 시장 투입을 목표하고 있다.

5nm 세대의 SoC에서는 S32 시리즈와 i.MX, 이동전화 기지국용 ‘Layerscape’에서 IP를 공통화한다. 이 때문에 5G 이동통신 프로토콜 처리 등을 중앙처리장치 측에 통합할 수 있다. 이 경우 차량탑재 통신 모듈은 RF의 처리 등에 특화될 가능성이 있다.

현재는 차세대판 차량탑재 SoC의 사양 검토와 더불어 이러한 5nm판 IP 개발을 추진하고 있다. IP를 조합해 서브시스템을 만들고, 그것들을 조합함으로써 다양한 요구에 유연하게 대응할 수 있도록 한다. 차세대 ECU의 요구 성능을 불투명하기 때문에 이러한 대책이 필수라고 한다.

-- 르네사스는 과거 최고 성능의 칩을 투입 --
한편 르네사스는 20년 12월, 자사의 차량탑재 SoC ‘R-Car’로서 과거 최고 성능을 갖는 ‘R-Car V3U’를 발표했다. AI 추론처리용으로 최대 60TOPS(매초 60조회)의 성능을 갖는 전용 회로를 탑재하고, 영국 Arm의 CPU ‘Cortex-A76’를 8코어 집적한다. AI에 의한 물체 인식과 더불어 각종 센서 정보의 통합(Sensor Fusion)부터 판단까지, ADAS나 자율주행 시스템의 주요 처리를 하나의 칩으로 실현할 수 있다. 20년 12월부터 샘플 출하를 시작, 23년 2/4분기에 양산한다.

르네사스 차량탑재 디지털마케팅총괄부의 이가(伊賀) 디렉터는 “ADAS나 자율주행 시스템에서는 AI가 주목을 받기 쉽다. 그러나 CPU를 다용하는 프로그램 형태도 많아 고성능 CPUS는 빠뜨릴 수 없다”라고 말한다. 또한 통신계 등의 실시간 처리용으로 Arm의 ‘Cortex-R52’도 탑재한다. 이를 통해 외부에 장착하는 마이크로컴퓨터가 필요 없을 가능성이 있다. 하나의 칩으로 기능 안전 규격 ‘ISO 26262’의 ‘ASIL-D’에 대응 가능할 것으로 보이며, 시스템을 대폭으로 간소화할 수 있다고 한다.

60TOPS라는 AI의 추론 성능은 NXP와 비교하면 높기는 하지만 IT계 반도체 업체와 비교하면 그렇게 높다고는 말할 수 없다. 예를 들면, Mobileye의 차량탑재 SoC ‘EyeQ6’는 V3U와 거의 같은 시기인 23년의 양산을 목표하고 있지만 AI의 추론 성능은 128TOPS로 높다. 또한 NVIDIA가 독일 다임러용으로 24년에 양산할 예정인 차량탑재 SoC ‘Orin’은 하나의 칩으로 200TOPS을 실현한다.

이 점에 대해 르네사스의 이가 디렉터는 “현 시점에서 볼륨(양산 규모)을 전망할 수 있는 ADAS/자율주행 시스템용 차량탑재 SoC를 생각하면, 비용이나 소비전력의 밸런스에서 60TOPS가 최적이라고 판단했다”라고 말했다. IT계 반도체업체의 칩은 고성능이지만 수냉시스템이 필요하기 때문에 비용이 증가한다. V3U는 60TOPS로 높은 성능을 보유하면서도 공랭이 가능하다고 한다. 하나의 칩으로 200TOPS와 같은 고성능을 실현하는 것은 기술적으로는 가능하지만 소비전력이나 비용이 너무 비싸진다. 또한 이와 같은 고성능 칩이 요구되는 용도는 극히 일부의 고급 차량 등에 한정되므로 양산 규모는 크지 않다고 한다.

60TOPS를 초과하는 요구에 대해서는 2개 또는 3개의 복수 칩을 이용하는 것을 제안한다. 이가 디렉터는 “여러 개의 칩을 사용해도 같은 성능의 하나의 칩을 사용하는 제품과 비교해 비용적으로 큰 차이는 없다”라고 주장한다.

-- AI 추론으로 13.8TOPS/W를 실현 --
R-Car V3U는 앞에서 말했듯이 저소비 전력이 특징이다. 60TOPS의 AI 추론을 실현하는 전용회로 ‘CNN-IP’는 챔피언 데이터이기는 하지만 최대 13.8TOPS/W의 성능/전력비를 실현하고 있다. 기존의 ‘R-Car V3H’에 탑재했던 CNN-IP는 2～3TOPS/W였으므로 대폭으로 개선한 것이 된다. 반도체 전반에서 봐도 상당히 높은 수준이다. 반도체의 올림픽대회인 ‘ISSCC 2021’에서 회로 기술의 상세 내용을 발표했다.

3×3의 Convolution에 대응한 전용회로를 탑재한 것 등이 저소비 전력화에 기여했다고 한다. 지금까지는 5×5의 Convolution에 대응했었지만 최신 뉴럴 네트워크는 3×3을 다용하는 것으로 보인다. 그 경우, 5×5의 회로에서는 연산기의 사용 효율이 저하되고 만다. V3H의 유저의 의견이나 AI 소프트 벤더의 의견 등을 참고로 최적의 회로 구성을 채용했다고 한다. 회로 구성과 잘 합치되는 뉴럴 네트워크의 경우, AI 추론 시에 상당히 높은 성능/전력비를 얻을 수 있다.

이 외에 V3U에서는 모델 베이스 설계용으로 SoC의 가상 모델을 제공하는 ‘Early Silicon Prototyping’이라는 대책을 실시하고 있다는 점을 주목할 수 있다. 칩이 완성되기 전부터 각종 소프트웨어를 평가할 수 있게 된다. 마이크로컴퓨터에서는 이전부터 있었지만 SoC에서는 대응이 늦어졌으나 이번 V3U부터 시작했다고 한다. SoC는 복잡한 IP 코어를 다수 집적하기 때문에 모델 구축은 상당히 어렵다고 한다.

-- 제4세대 R-Car도 볼륨(양산 규모)이 목적 --
이가 디렉터는 R-Car의 제4세대품을 포함하는 로드맵도 제시했다. 제3세대품인 V3U가 최상위이고, 제4세대품은 V3U의 하위에 위치하게 된다. 구체적으로는 V3U와 V3H의 사이에 제4세대품이 위치한다. 제4세대품은 25~26년의 양산을 상정하고 있으며, 많은 승용차가 ADAS/자율주행시스템을 탑재할 것으로 보인다. 따라서 제4세대품은 상당한 수량을 전망할 수 있다고 한다.

르네사스는 일관해서 양산 규모를 전망할 수 있는 시장에 포커스를 맞추고 있다. 구체적으로는 레벨2+를 중심으로 한 시장을 목표한다. 레벨4, 레벨5용은 아직 시장에 나오지 못할 것으로 보고 있다. 그러나 ADAS나 자율주행 트렌드는 변화가 심해 향후 동향에 따라서는 방침을 재고한다는 입장이다.

또한 V3U는 TSMC의 12nm 세대 프로세스로 제조한다. 이미 양산하고 있는 ‘V3M’나 V3H는 16nm 세대다. 16nm에서 12nm로의 미세화에서는 프로세스 상의 변경이 적어 계속해서 높은 신뢰성을 유지할 수 있다고 한다. 제4세대품은 TSMC의 7nm 세대 프로세스로 제조한다. 프로세스의 큰 변경을 동반하기 때문에 신뢰성의 확보가 과제가 된다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Automotive] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.