소프트웨어 정의 차량: AD 및 ADAS 컴퓨팅 시스템 관련 최첨단 기술과 과제

March 18, 2025

Alan Yoon

(출처: Masque / stock.adobe.com, AI로 생성)

자율주행(AD) 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)과 같은 자동차 메가트렌드로 인해 설계자들은 기존의 전자 제어 장치(ECU,[1] )에서 도메인 제어 장치(DCU,[2])로 전환하고, 중앙 통신 장치(CCU)와 구역 제어 장치(ZCU)의 채택을 더욱 가속화해야 하는 과제를 안고 있다.[3] 맥킨지 미래 모빌리티 센터(McKinsey Center for Future Mobility [4])에 따르면 구역 컴퓨팅을 활용한 차세대 전기/전자(E/E) 아키텍처가 시작되었으며, 2023년부터 2030년까지 약 44~45%의 연평균 성장률(CAGR)을 기록할 것으로 예상하고 있다. 동 기간 동안 DCU 사용량은 미화 4400만 달러로 증가할 전망이다(그림 1).

그림 1: 차량용 컴퓨팅 유닛 시장(미화 백만 달러)(출처: 맥킨지 미래 모빌리티 센터)

각 기능 시스템마다 제어 장치를 전담하는 일반적인 도메인 기반 전기 아키텍처는 영역별 접근 방식으로 바뀌고 있다.[5] 이 같은 진화는 근본적으로 네 가지 요인에 의해 주도된다:

안전한 무선(OTA) 업데이트 촉진: 많은 수의 ECU는 업데이트 병목 현상과 복잡성을 유발하여 안전성, 신뢰성 및 규정 준수 문제를 야기할 수 있다. 도메인 또는 영역 아키텍처가 제공하는 통합은 업데이트 실패 시 롤백을 용이하게 하는 중요한 기술적 진전이다.
모듈식 및 협업 하드웨어, 소프트웨어: 모듈식 및 협업 하드웨어와 소프트웨어는 개발 시간을 단축할 수 있는 잠재력을 제공한다. 이를 통해 더 빠르게 리엔지니어링하고 시장 출시 시간을 단축할 수 있다.
실리콘 소결(consolidation) 및 통합(integration) 향상: 영역 컨트롤러는 여러 가지 ECU의 기능을 채택하여 실리콘 소결 및 통합을 달성한다. 한편 노드 크기가 작아지면 전력 효율성이 향상된다. 새로운 '시스템 온 칩(SoC)' 설계는 여러 개의 중앙 처리 장치(CPU), 메모리, 전용 하드웨어(HW) 가속기 서브시스템을 통합한다. 당연히 최신 영역 컨트롤러용 SoC는 16나노미터(nm) 이하의 노드 크기를 기반으로 한다.
와이어링 하네스 복잡성 감소: 영역 컨트롤러는 입출력(I/O) 애그리게이터 역할을 하며 자동차의 기계적 구조에 배치되는 경우가 많으므로 와이어링 하네스의 복잡성이 줄어들어 표준화를 촉진하고, 생산 공정의 자동화를 지원하며, 직원의 기술 요구 사항이 낮아져 비용을 절감할 수 있다. 최신 차량의 와이어링 하네스 비용은 전체 E/E 아키텍처 예산의 20%를 차지하는 경우가 많기 때문에 상당한 이점을 제공한다.

최근 몇 년 동안 자율주행 전기 자동차 개발은 연구자들과 엔지니어들로부터 각광을 받고 있다.[6] 다양한 변화들이 자동차 EE 아키텍처를 혁신하고 있으며, 이는 자율주행과 그에 따른 과제로 이어지고 있다. 자율주행 차량은 인간의 개입 없이도 환경을 감지하고 안전하게 주행할 수 있어야 한다.[7] 미국 도로교통안전국(NHTSA)은 비자동화에서 완전 자동화에 이르는 5가지 레벨의 자율성을 정의했다[8] .

자율주행 레벨이 높을수록 차량은 LiDAR, 카메라, GPS 등 다양한 센서를 사용하여 주변 환경을 감지해야 한다. 차량은 센서 입력을 기반으로 실시간으로 자신의 위치를 파악하고, 의사 결정을 내리고, 주행에 필요한 조치를 취해야 한다. 이와 같은 센서들은 주행 안전성을 향상시키는 것을 목표로 하며, 이를 센싱(Sensing)이라고 한다. 반면, 표 1과 그림 2에서 볼 수 있듯이 센싱 데이터를 처리하고, 의사 결정을 내리고, 액추에이터(브레이크, 스티어링 등)에 명령을 내리는 AD 시스템의 기능을 인지(Cognitive)라고 한다.

표 1: 더 높은 자율성 레벨에서 정보 수집 및 의사 결정의 상위 단계.

그림 2: 폴리머 커패시터를 사용한 차량용 배치 전략(출처: YAGEO 그룹 계열사 KEMET Electronics)

AD를 위한 컴퓨팅 시스템은 계산, 통신, 스토리지, 보안/개인정보 보호, 전원 관리로 나눌 수 있다.[9]

자율성 레벨을 높이기 위한 지속적인 노력으로, AD를 위한 컴퓨팅 시스템 기능이 크게 향상되었다.[9] 양카이(Liangkai) 등에 따르면 오늘날의 AD용 '최첨단' 컴퓨팅 시스템에는 7가지 성능 지표, 9가지 핵심 기술, 11가지 미해결 과제가 포함되어 있다.

자율주행 레벨이 높아질수록 주변 환경에 대한 데이터를 수집하기 위해 장착되는 센서의 개수도 함께 증가해야 한다. 센서 수가 증가하면 SoC가 처리하는 데이터의 양이 증가하고, 데이터 처리를 수행하는 주요 반도체 장치들의 전력 소비량도 증가한다. 이 같은 진화는 지각과 의사 결정의 인지 '두뇌' 기능을 최적화하기 위해 전력 소비를 증가시킨다.

DCU 회로도 내부에는 다음과 같은 부품들이 존재한다:

센싱 ECU와 통신하는 트랜시버 회로
데이터를 처리하고 의사결정을 내리는 SoC
다양한 메모리(DDR/플래시)
SoC가 평가한 정보를 기반으로 구동을 제어하는 마이크로컨트롤러 MCU
다양한 전압 레일(<1V, 3.3V, 5V 등)로 다양한 기능을 작동하기 위한 DC/DC 컨버터 전원 공급 회로

DCU/ZCU/CCU의 저전압, 1V 미만, 일반적으로 25A 이상의 SoC에는 고전류, 저손실, 소형화, 고주파 작동, 높은 정확도(전압)가 가능한 부품이 필요하다.

DC/DC 컨버터는 입력에서 노이즈 감소와 출력에서 평활화/디커플링을 위해 T598 폴리머 커패시터를 사용하는 것이 일반적이다. 주로 입력에는 T598D476M025ATE060(EIA 7343-31 47uF25V, 60m옴)이, 출력 평활/디커플링에는 T598D477M2R5ATE006(EIA 7343-31 470uF2,5V, 6m옴)이 채택되어 성공적으로 설계되었다. 향후 요구 사항을 더욱 발전시키기 위해 KEMET은 현재 정전 용량 확대를 위한 T598D107M025ATE050(EIA 7343-31 100uF25V, 50m옴)과 최적의 출력 평활화를 위한 T598D687M2R5ATE006(EIA 7343-31 680uF2,5V, 6m옴) 등 차세대 입력 노이즈 감소용 프로토타입 샘플을 제공하고 있다.

더 높은 데이터 처리와 동작을 지원하기 위한 전력 소비 증가로 인해 T598 시리즈의 주요 장점인 높은 정전 용량과 주파수 및 온도 안정성에서의 낮은 정전 용량 롤오프, 낮은 ESR 및 높은 리플 성능, 수명 연장 성능은 지속적으로 활용될 것이다.

맺음말

자동차 산업이 더 높은 수준의 자율성을 향해 지속적으로 발전함에 따라 T598 시리즈와 같은 탄탈 폴리머 커패시터의 신뢰성과 성능은 이 같은 정교한 시스템의 안전성, 효율성 및 수명을 보장하는 데 있어 매우 중요하다. 낮은 ESR, 높은 정전 용량, 광범위한 온도와 주파수에서 뛰어난 안정성을 제공하는 이 커패시터 제품들은 첨단 자율 주행 시스템의 증가하는 전력 소비와 데이터 처리 요구 사항을 지원하는 데 이상적이다.

"소프트웨어 정의 차량: AD 및 ADAS 컴퓨팅 시스템 관련 최첨단 기술과 과제" 기고글은 크리스티나 모타-카에타노가 작성했으며, YAGEO 그룹 회사인 KEMET Electronics의 허가를 받아 마우저에서 재인용하였다.

저자

크리스티나 모타-카에타노(Cristina Mota-Caetano)
기술 제품 마케팅 이사 - 제품 관리 - 탄탈룸 BU
YAGEO Group 계열사, KEMET Electronics
크리스티나 모타-카에타노는 탄탈룸 커패시터 관련 기술 및 제품 마케팅 활동에서 27년의 경력을 쌓았으며 탄탈룸 사업부의 글로벌 기술 제품 마케팅 책임자로 활동하고 있다. 그녀는 재료 과학 교육 배경과 연구 개발부터 포트폴리오 관리, 배치 및 수요 창출 이니셔티브에 이르기까지 다양한 경험을 보유하고 있다.