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IEEE1394가 IT기기 연결 표준 규격으로 급부상하고 있다. 95년 애플컴퓨터에 의해 처음 제안된 이후 워킹그룹에 구체화된 IEEE1394 표준은 측량 가능성과 유연성, 사용편리성, 플러그앤드플레이 등의 특장점으로 디지털 컨슈머 제품과 PC를 통합하는 저비용 인터페이스로 인기를 모으고 있다.
파이어 와이어(FireWire) 기술로 잘 알려진 IEEE1394a는 디지털 데이터 전송 시리얼 버스 표준으로 초당 400Mb까지 데이터 전송이 가능하고 광 미디어와 연결이 가능한 1394b의 데이터 전송 속도는 800Mb, 증폭을 통해 3.2Gb까지 올릴 수 있고 최대 100미터까지 연결이 가능하다.
비동기식과 동기식 데이터 전송을 모두 지원하는 1394는 시간에 민감한 오디오나 비디오 데이터를 정확하게 전송하고 전송지연에 따른 메모리 버퍼를 감소시켜 PC주기판, 디스크드라이브, MP3플레이어, 캠코더, 디지털TV 등 소비자 제품군의 표준 연결 규격으로 자리잡을 전망이다.
◇I/O 장치 설계시 1394의 장점=대부분의 IT기기 시스템 개발자들은 I/O관련 장치를 개발할 때 다음과 같은 문제점에 빠진다.
‘성능’ 면에서 I/O 장치는 당장의 응용 프로그램뿐만 아니라 가까운 장래에 도래할 것으로 예상되는 다양한 영역의 요구 사항을 효과적으로 충족시킬 수 있어야 한다. 이는 기준 속도(raw speed)와 대역폭에서 충족이 돼야 하는데 1394는 100Mbps에서부터 변환장치를 통해 3.2Gbps까지 지원이 가능해 광 저장장치, 디스플레이 등 다양한 애플리케이션에 적용이 가능하다.
소형화 추세에 맞춰야 하는 ‘크기’ 문제에서 1394는 6핀과 4핀 방식의 소형 커넥터를 이용해 이런 문제점을 해결했고 4핀 방식의 초소형 풋프린터뿐만 아니라 4핀 방식의 USB 커넥터의 표준도 마련돼 있다.
‘표준화 및 수용성’ 문제에서 1394는 윈도, 매킨토시, 솔라리스, 리눅스 등 다양한 운용체계를 지원하고 있으며 ‘총 설계 비용’에서도 접착용 논리 소자(glue logic)를 포함한 핵심 반도체 원가, 커넥터 원가, 실리콘 장치 구동전원 원가 및 설계 모듈 탑재를 위한 보드 공간 등이 모두 반영돼 주기판 상에 탑재되는 경향이다. 이에따라 1394b는 전용 단일칩으로 개발돼야 하는 기술과제에 직면한 상황이다.
◇1394b 반도체 디자인 과제=첨단 I/O 버스 사양과 관련된 역방향 호환성은 항상 하나의 심각한 문제점으로 대두되어 왔으며 1394b의 경우에 있어서도 이러한 상황은 결코 예외일 수 없다. 1394a의 역방향 호환성을 충족하는 과정에서 부딪히게 되는 주요한 디자인 상의 1차적 우려 사항은 디지털 구현 장치의 대용량 코너 케이스(corner case) 및 직렬 인터페이스 상에 적용되는 아날로그 수준과 직접적으로 결부돼 있는 것이다. 1394a는 데이터-스트로브(D-S) 방식의 신호 프로토콜을 채용하고 있기 때문에 수신자 측의 클록과 데이터 복구 과정은 단순히 조합형 논리를 통해 달성할 수 있게 된다. 1394a의 효율성과 범용성은 차분형 아날로그 신호를 유효 적절하게 활용함으로써 창출될 수 있다. 예를 들어 데이터 전송 속도는 차분형 공통 모드 전압 값으로 표시한다(어떤 조건의 전압 이동 과정도 S100 형식과 같이 표시될 수 없으며 200㎷는 S200, 400㎷는 S400을 나타낸다). 이러한 유형의 아날로그 변수들이 1394 장치에 의해 지원되는 온도, 전압 및 케이블 편차를 안정적으로 유지하는 과정에서 하나의 난제로 작용하고 있는 실정이다.
1394b 사양서에는 신종 S800, S1600 및 S3200 속도 효율에 대해 8b/10b 신호 프로토콜을 사용하도록 규정되어 있다. 이 8b/10b 신호 프로토콜은 광 채널 및 기가 비트급 이더넷 사양에 동시 사용되고 있다. 특히 8b/10b는 D-S 신호 프로토콜과 달리, 소스로부터 데이터를 수신하기 위해 클록-데이터 복구 회로를 필요로 하게 된다. 특정 1394b 장치가 8b/10b 신호 프로토콜을 채택하고 있는 경우에 ‘베타 모드’에 있다고 명명한다. 이 1394b 사양은 8b/10b 신호 프로토콜 또는 ‘베타 모드’ 상태가 S100, S200 및 S400 속도에서도 구현될 수 있도록 지원해 줄 것이다. 1394b는 S100∼S1600 수준의 보다 광범위한 데이터 운용 범위에서 작동하도록 정의되어 있기 때문에 1.0625Gbps 및 2.125Gbps로 제한되어 있는 광 채널보다 훨씬 더 높은 효율을 자랑하고 있다.
1394b의 추가적 성능 개선 조치 중 하나는 다음과 같이 3중 포트 유형을 지원해 준다는 점이다. 즉, 최대 역방향 호환성을 구현하기 위한 1394a 전용 작동 상태는 ‘레거시(legacy)’ 모드라 지칭되고 있으며, 베타 전용 포트는 1394b 베타 모드 상태에서 작동하는 동시에, 최대 대역폭 및 최장 거리를 지원한다. ‘이중 언어’ 포트는 허용 가능한 범위에서 최대 속도로 작동할 수 있도록 동등 부가 접속 기능을 수행해 줄 것이다. 1394b는 또한 단거리 동축 케이블(STP) 1394a와 이중 언어 포트 외에도 플라스틱 광섬유(pof) 베타 전용, 유리 광섬유 (gof) 베타 전용, cat-5 베타 전용 규약 등과 같이 가용 신호 프로토콜을 이용하여 추가 매체 유형을 접목하고 있다. 이러한 사실은 작동 과정 중 수많은 온칩 I/O 버퍼 편차를 설계 및 지원해야 한다는 점을 의미한다.
◇혼합 신호 요구사항=광 채널 및 기가비트급 이더넷 영역에 산재되어 있는 광범위한 제품군으로 인해 1394b 베타 전용 포트와 관련된 아날로그 신호 단계에 있어서의 디자인 문제가 현재 널리 인식되고 있는 상황이다. CAT-5 매체의 경우, 1394b는 데이터 전송률을 베타 전용 S100 모드로 또한 통신거리를 50 미터로 제한하고 있다. 물론, 상당수의 애플리케이션은 50 미터 범위를 상회하는 거리 확장 기능을 통해 상당한 이점을 제공받게 될 것이다. 한편, 1394b 베타 전용 모드에 있어서의 POF 또는 GOF 트랜시버 송수신 신호도 알려져 있다. 특히, 엄격한 아날로그 신호 기준을 충족하는 과정에서 만나게 되는 가장 어려운 과제는 이중 언어용 1394b 포트의 설계 문제와 관련된다. 이 포트는 베타 전용 포트에 필수적으로 소요되는 +/- 400Mv 차분 스윙 뿐만 아니라, 1394a로부터의 공통 모드 전환 및 +/- 200mV 차변 스윙 사양 조건을 모두 충족해야 한다. 이런 맥락에서, 현재까지 공식 발표된 몇몇 초기 1394b 제품이 1394a 및 베타 전용 포트를 상호 결합한 상태로 제공되고 있으며, 이중 언어용 포트를 지원하지 않고 있다는 현실은 그다지 놀랄만한 사실이 아닐 것이다.
동기 시간 (lock time), 캡처 범위, 파형 지터 (jitter) 및 전력 소실 등을 포함한, 클록 데이터 복구 (CDR) 회로 부문에 있어 널리 알려진 몇 가지 모순점이 1394b 상에서 포착되고 있는 상황이다. 1394b 장치에 있어 특히 중요한 문제점은 캡처 범위, 파형 지터 및 전력 소실 현상이라 할 수 있다. 파형 지터 효과가 감소되는 안정적 작동 과정을 위해서는 당연히 캡처 범위를 최소화해야 한다. 이렇게 되면 광 채널의 경우 1.0625bps와 2.125bps, 이더넷의 경우 1.25Gbps로 데이터 전송률이 고정되어 있는 광채널 또는 이더넷 전용 애플리케이션에 아주 적합한 방식으로 작동하게 된다. 1394b의 베타 모드는 S100, S200, S400, S800 및 S1600 사양에서 동작하도록 지정되어 있으며 현재 S3200 사양에 대해서는 완전한 개념 정립이 이루어 지지 않고 있는 상황이다. 이러한 데이터 전송률의 광폭(16x) 범위가 상당수 CDR 설계 과정에 전형적으로 채택되고 있는 2-4x 수준을 상회하고 있는 것은 분명하다. 이러한 관점에서 시중에 출현한 가장 최초의 1394b 제품이 베타 모드에서 S100-S400 또는 S400-S800라는 데이터 전송률을 공식적으로 천명할 수 있었다는 사실은 어쩌면 당연한 결과였을지도 모른다.
1394b 작동을 위한 아날로그 드라이버와 수신기를 개발하기 위한 한가지 방안은 기존의 광 채널 트랜시버를 활용하는 것이다. 이 장치는 베타 전용 1394b 포트에 매우 효과적으로 접목될 수 있다. 그러나 기존 1394a 제품과의 역방향 호환성을 위해서는 신제품에 이중 언어용 1394b 포트를 추가로 장착해야만 한다. 광 채널 트랜시버 상에 1394a 기능을 추가로 설정하기 위해서는 3가지 핵심적인 변경 작업이 필수적으로 요구될 수 있다. 첫번째 변경작업은 1394a의 신호 진폭을 광채널 또는 1394b 베타 전용 포트의 +/- 400㎷와는 달리, +/- 200㎷ 상태로 유지해야 한다는 것이다. 두번째 주요 변경 작업은 속도 신호 값, 중재 상태, 접속 검파 및 버스 재설정 등과 같이 특수한 1394a 버스 조건을 탐지하기 위해 상당수에 달하는 전용 비교기를 추가로 증설해야 하는 문제와 관련되어 있다. 그리고 세번째 주요 디자인 변경 작업은 속도 신호(S100, S200, S400) 정보를 1394a 버스 상의 다른 노드로 전송할 수 있도록 차변형 공통 모드 전압을 변환하기 위한 전기 회로도를 추가해야 한다는 조건이다. 공통 모드 전압의 변환 과정에는 대단히 중요한 영향을 미칠 수 있는 상승·하락시간과 관련된 세부 사양이 규정되어 있어야 할 것이다.
위상 동기 루프(PLL)는 1394b PHY의 중추적인 요소를 구성하고 있다. 각종 소비자용 제품을 원가 효율적인 방식으로 제작하기 위해서는 저비용·고성능의 클록 소스를 채용해야 한다. 전형적인 광채널 제품군은 기본적인 클록 소스를 지원하기 위해 정밀 오프 칩(off-chip) 규격의 125㎒ 금속 캔 클록 장치를 사용하고 있다. 소비자용 제품군은 통상적으로 저렴한 3.57㎒ TV 액정 방식으로 작동한다. 반면에 1394a 장치는 S400 전송률로 작동되는 클록 효과를 내기 위해 16배수로 증폭시켜 주기 위한 온 칩 (on-chip) PLL과 상호 결합됨으로써 24.576㎒의 기본 속도로 작동되는 액정 방식을 채용하고 있는 상황이다. S800 및 S1600 사양을 충족할 수 있도록 이 클록 소스를 확장하기 위해서는 1394b의 최대 효율을 충족하고 있어야 한다. PLL 장치는 훨씬 더 낮은 주파수 범위에서 보다 효율적인 (동기)방식으로 작동하게 될 것이다. 통상 주파수 범위가 넓어지면 질수록, 소요 동기 시간은 더욱 더 장기화될 수 있다. 파형 지터의 성능 효율에 미치는 영향력은 이 PLL 장치 상의 이율배반성에도 그대로 내재되어 있는 실정이다. 파형 지터 효과는 직렬 버스 사양, 특히 광 채널의 핵심 부분을 구성하게 된다. 특히 이 지터 효과를 감소시키고 캡처 범위를 증대하기 위한 상당수의 기법은 전력 소실을 급격하게 상승시킴으로써 이 전력 소실 문제가 PLL 설계 및 선정 과정에서 해결해야 할 네번째 중요 난제로서 부각되고 있는 것이다.
시스템 설계자들에게 있어서 1394b의 베타 모드가 보다 빠른 속도, 장거리, 보다 효율적인 전송방식(특히 1394a의 반 양방형 작동 모드를 대신하는 완전 양방향 방식), 그리고 안정적인 오류 탐지 기능을 지원해 주고 있다는 사실이다. 그러나 이 1394b 베타 모드는 광범위한 운영 환경에 있어 보다 복잡한 디지털 논리 및 클록 데이터 복구 기능을 필요로 하게 된다. 최대 2∼3배의 논리곱 소자가 요구되는 반도체 설계 과정에서 부딪칠 수 있는 주요 문제점 또한 결코 간과할 수 없는 상황이다. 종래의 레거시 1304a 제품과의 호환성이 시장의 수용성을 확장시켜 나가기 위한 하나의 핵심 관건이라 할 수 있을 것이다.
◇약력
75년 한양대학교 통신공학과 졸업
75∼82년 삼성반도체 애플리케이션 엔지니어
83∼87년 금성반도체 국제사업부 매니저
87∼93년 SGS-톰슨마이크로일렉트로닉스코리아 선임 매니저
93년∼현재 아기어시스템스코리아 지사장
spark@agere.com
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