임베디드 비전의 프로세싱 플랫폼 개념
프로세싱 보드는 임베디드 비전에서 중요한 역할을 합니다. 이들 보드는 다양한 방식으로 디자인할 수 있습니다. 생산 대수, know-how, 하위 시스템 유형 및 화상 처리 니즈에 따라 다양한 컨셉이 있을 수 있습니다. 가능한 옵션들로는 작은 싱글 보드 컴퓨터가 결합된 클래식한 비전 시스템부터 주문형 캐리어 보드에 SoM 또는 SoC가 탑재된 모듈 시스템 또는 완전히 새로운 완전 주문형 디자인까지 다양합니다. 기성품 구성 요소에서 선택된 프로세싱 플랫폼으로 개발자가 더 많이 이동할 수록 개발 및 통합 비용이 커지지만 대량 생산할 경우 단가는 더 낮아집니다. 이용하는 애플리케이션에 어떤 컨셉이 가장 적합할까요? 이 글이 여러분의 이해에 조금이나마 도움이 되셨기를 기대합니다.
소형 프로세싱 보드와 소형 카메라 모듈의 조합을 "임베디드 비전(Embedded Vision)"이라고 합니다. 임베디드 비전은 의료 진단 기기부터 산업 자동화에 이르기까지 다양한 어플리케이션 분야에 이점을 제공합니다.
시스템 온칩 (SoC)은 임베디드 아키텍처의 심장입니다. 이것은 화상 처리가 실제로 이루어지는 부분입니다. ‘SoC’를 ‘프로세서’와 같은 의미의 용어로 사용하는 경우가 많습니다. 하지만 실제로 SoC에는 훨씬 많은 의미가 담겨 있습니다. 싱글 또는 멀티 코어 CPU (central processing unit) 이외에도 GPU (graphics processing unit), 인터페이스 컨트롤러 (예: USB, 이더넷, I²C용), 내부 버스 시스템, 멀티미디어 하드웨어 (예: 비디오 인코드 및 디코딩용), 내부 전원 관리 등이 모두 단일 칩 한 개에 들어 있습니다. 요약하자면 SoC는 PC의 많은 핵심 구성 요소를 하나의 깔끔한 패키지로 결합합니다.
시스템 온칩 (SoC)
시스템 온 칩(SoC)은 모든 임베디드 아키텍처의 핵심이자 실제 이미지 처리가 이루어지는 곳입니다. 대부분 "SoC"라는 용어는 "프로세서"와 동등한 의미로 사용됩니다. 하지만 실제로 SoC에는 훨씬 더 많은 것이 포함되어 있습니다. 싱글 또는 멀티코어 CPU(중앙 처리 장치) 외에도 GPU(그래픽 처리 장치), 인터페이스 컨트롤러(USB, Ethernet, I²C 등), 내부 버스 시스템, 멀티미디어 하드웨어(비디오 인코딩 및 디코딩 등), 내부 전원 관리 등이 모두 하나의 칩에 포함되어 있습니다. 간단히 말해, SoC는 PC의 여러 핵심 구성 요소를 하나의 깔끔한 패키지에 결합한 것입니다.
현 세대 SoC의 대표적인 대표주자로는 NVIDIA의 Tegra K1, Qualcomm의 Snapdragon 820, NXP의 I.MX 시리즈가 있습니다.
SoC 개발은 근본적으로 스마트폰과 태블릿의 급속한 확산이 주도했습니다. 애플 및 삼성과 같은 메이저 제조업체들은 자체적인 SoC 생산 역량을 보유하고 있습니다. 자체 SoC 개발에는 수백만에서 수십억 달러의 투자가 필요하며 이를 감당할 수 있는 기업은 소수에 불과합니다.
SoC는 본질적으로 임베디드 방식의 컴퓨팅 유닛입니다. SoC에는 CPU, GPU, 버스 시스템 및 인터페이스 컨트롤러가 포함됩니다.
시스템 온 모듈(SoM)
중소 규모 기술 기업들은 가운데 끼인 처지가 되었습니다. 이에 반해, 소형 패키지에 강력한 프로세서를 담을 수 있는 SoC 기술은 보다 작고 빠른 차세대 제품 생산에 있어 아주 매력적입니다. 한편 자체 SoC 개발에 소요되는 엄청난 비용때문에 기업들은 사내 개발 추진에 주저하게 됩니다. 이러한 기업들은 기존 대형 제조업체의 기존 SoC를 사용하는 편이 낫습니다.
일련의 기업들(Toradex, Inforce, SECO,...)이 소위 시스템 온 모듈(SoM 또는 컴퓨터 온 모듈[CoM])을 개발해 이 난처한 상황을 긍정적으로 전환하려 시도해왔습니다. SoM에는 SoC와 함께 RAM, 전원 관리 및 기타 구성 요소를 제어하고 SoC를 실질적으로 유용하게 만들기 위한 버스 시스템과 같은 주요 구성 요소들이 포함되어 있습니다. 비유를 들면, SoC는 외부와 연결되지 않은 공장이며 SoM은 창고, 전원 공급 장치 및 우수한 운송 연결 기능을 추가하는 것에 해당됩니다. 이것은 공장 관리자와 통신을 주고 받을 수 있게합니다.
SoM에는 하나 이상의 플러그 커넥터(종종 표준화된 플러그 커넥터)가 있으며, 이 플러그 커넥터는 SoM(그리고 SoC를 포함한 SoM의 모든 구성 요소)이 외부 세계와 통신하는 데 사용할 수 있습니다. 하지만 이러한 플러그 커넥터를 통해 외부 장치(예: 네트워크, 전원 공급 장치 또는 카메라)를 직접 연결할 수는 없습니다. 이를 위해서는 캐리어 보드가 필요합니다.
그럼에도 SoM과 관련해서는 SoC가 이미 해당 구성 요소에 포함되어 있습니다.
시스템 온 모듈(SoM) + 캐리어 보드
이미 설명한 바와 같이 SoC에는 인터페이스 컨트롤러만 포함되어 있습니다. 빠져 있는 것은 물리적 커넥터입니다(예: 이더넷 플러그). 캐리어 보드가 이 역할을 채워줍니다. 위에서 설명한 바와 같이 SoM에는 아래쪽에 표준화된 플러그 커넥터가 있어 캐리어 보드에 연결할 수 있습니다. 그러면 캐리어 보드는 디스플레이, 제어 장치 및 카메라와 같은 주변 장치 연결에 필요한 물리적 커넥터를 제공합니다. SoC 또는 SoM과 달리 캐리어 보드는 비교적 개발이 쉽습니다. 임베디드 기술에 대한 모듈식 접근을 통해 개발자들은 SoM 기성품을 구입한 뒤 직접 캐리어 보드를 개발하게 됩니다. 완전 주문형 디자인(아래 내용 참조)에 비해 비용이 적게 들지만 개발자가 캐리어 보드에 포함시킬 플러그를 결정할 수 있어 유연성이 매우 뛰어납니다. USB, GigE 또는 한 개 이상의 dart BCON 카메라를 연결하기 위한 28핀 LVDS 커넥터와 같은 전용 카메라 커넥터도 가능합니다.
참고: 특수한 경우에는 SoM에 이미 물리적 커넥터가 내장되어 있는 경우도 있습니다. 예를 들어 임베디드 비전용 Basler PowerPack의 Xilinx Zynq SoM에는 USB 2.0 및 GigE 커넥터가 사전 장착되어 있습니다. 드물긴 하지만 예외도 있습니다.
싱글 보드 컴퓨터 (SBC)
모듈식 SoM + 캐리어 보드 컨셉을 넘어 싱글 보드 컴퓨터 또는 SBC를 사용할 수 있는 옵션도 있습니다. 싱글 보드 컴퓨터는 대체로 단일 회로기판에 SoM + 캐리어 보드를 집적한 것(즉, 싱글 보드 컴퓨터) 그 이상입니다. 가장 널리 알려져 있는 모델은 Raspberry Pi입니다. 이 SBC는 보드에 일련의 커넥터(4x USB2, 1x MIPI CSI-2, …)가 사전 통합되어 있어 별도의 캐리어 보드를 개발하지 않고도 주변 장치를 연결할 수 있습니다. 장점: SBC는 조작이 매우 쉽습니다. 단점: 5번째 USB 2.0 커넥터가 필요할 경우 Raspberry Pi에서 사용된 융통성 없는 SBC 컨셉으로 인해 커넥터를 제공할 수 없습니다. 따라서 SBC가 개발 시간과 비용 면에서 가장 낮은 수준이지만 융통성도 가장 떨어집니다. 기업들이 애플리케이션 맞춤형 CPU를 대량으로 판매할 계획이라면 SBC는 좋은 선택이 아닌데 이는 거의 항상 애플리케이션에 필요하지 않은 커넥터나 구성 요소를 갖추고 있기 때문입니다. 이러한 통찰은 우리를 마지막 임베디드 아키텍처 컨셉인 완전 주문형 디자인으로 이끕니다.
완전 주문형 디자인
임베디드 아키텍처의 다양성을 자세히 설명하려면 완전 주문형 디자인(FCD)의 등급에 대해서도 언급해야 합니다. FCD는 FCD를 개별적으로 판매하려는 의사 없이 애플리케이션에 사용하기 위해 기업이 개발한 싱글 보드 컴퓨터입니다. 대신 보다 큰 시스템에 사용하기 위한 목적으로 개발됩니다. 따라서 FCD는 SoM + 캐리어 보드를 철저히 고객 맞춤형으로 하나의 보드에 구성합니다.
예: 한 의료 엔지니어링 회사가 피부에 있는 의심스러운 점의 이미지를 캡처하고 추적하기 위한 휴대용 디바이스의 개발을 계획하고 있습니다. SoM + 캐리어 보드 접근 방식이 한 가지 옵션이 될 수 있지만 캐리어 보드에 SoM을 탑재하려면 너무 많은 공간을 차지하기 때문에 실용적이지 않습니다. 이 회사는 또한 수천 개의 제품을 판매할 계획입니다. 이때 회사는 그러는 대신 맞춤형 SBC(단일 회로 기판에 SoM + 캐리어 보드)를 개발하는 것이 경제적으로 타당하다고 결정합니다. 이는 어플리케이션에 따라 매우 다르지만 실제로 필요한 부품만 포함하므로 비용 최적화에도 매우 유리합니다.
이 회사는 또한 수천 개의 제품을 판매할 계획입니다. 이때 회사는 그러는 대신 맞춤형 SBC(단일 회로 기판에 SoM + 캐리어 보드)를 개발하는 것이 경제적으로 타당하다고 결정합니다. 이는 어플리케이션에 따라 매우 다르지만 실제로 필요한 부품만 포함하므로 비용 최적화에도 매우 유리합니다.
요약
프로세싱 보드는 임베디드 비전에서 중요한 역할을 합니다. 이들 보드는 다양한 방식으로 디자인할 수 있습니다.
생산 대수, know-how, 하위 시스템 유형 및 화상 처리 니즈에 따라 다양한 컨셉이 있을 수 있습니다. 가능한 옵션들로는 작은 싱글 보드 컴퓨터가 결합된 클래식한 비전 시스템부터 주문형 캐리어 보드에 SoM 또는 SoC가 탑재된 모듈 시스템 또는 완전히 새로운 완전 주문형 디자인까지 다양합니다.
선택한 처리 플랫폼이 기성 구성 요소에서 멀리 떨어져 있을수록 개발 및 통합에 더 큰 노력이 필요하지만, 이 경우 대량 구매 시 단가는 더 낮아집니다. 어떤 콘셉트가 고객님의 어플리케이션에 적합할까요? 이 글이 결정을 내리는 데 도움이 되기를 바랍니다.
