[소부장반차장] IoT, 모바일 컴퓨팅, 스마트시티, 스마트홈 진화에 따른 일상 변화

[디지털데일리 김문기 기자] 언제 어디서나 네트워크에 접속할 수 있는 유비쿼터스 시대가 열렸다. 사물인터넷(IoT)과 모바일 컴퓨팅, 스마트시티, 스마트홈 등 여러 분야에 걸쳐 광범위하게 적용되고 있는 이 진화양상은 다양한 산업과 일상생활에도 큰 영향을 미치고 있다.

글로벌 시장조사업체들에 따르면 IoT 기기는 지난해 전세계적으로 약 146억개가 출하됐으며, 내년 약 300억개로 2배 이상 증가할 전망이다. 시장 규모 역시도 지난해 3100억달러로 추정됐으나 2028년까지 약1조1500억달러에 이를 것으로 추정된다. 아울러 스마트폰 사용자수도 지난해 약 67억명을 기록하면서 전세계 인구의 약 84%를 차지하고 있다.

이미 여러 환경에서 이같은 유비쿼터스가 실현되고 있다. 지난해 글로벌 스마트시티 시장 규모는 약 6200억달러로 2028년까지 약. 조5700억달러에 이를 것으로 예상되며, 전세계적으로 약 600개 이상의 스마트시티 프로젝트가 진행되고 있다. 스마트홈 분야에서도 지난해 약 970억달러의 시장 규모가 내년 약 1820억달러에 이를 정도로 가파른 성장곡선을 보여주고 있다.

네트워크 측면에서도 지난해 5G 사용자수는 약 10억명에 달하며, 2026년까지 약 35억명이 5G를 활용할 전망이다. 5G 기지국수 역시 지난해 기준 전세계적으로 약 200만개가 운영되고 있는 실정이다.

‘공장·주택·그리드·차량’ 일상을 바꾸는 연결성…’개방형 표준' 노력 경주

모든 것이 연결되는 시대에서는 시스템간의 수십업개의 데이터 포인트가 공유돼야 한다. 데이터를 간섭없이 안전하게 전송할 수 있는 기술이 필수로 요구된다. 이 기술은 단순히 두 지점간에 데이터를 공유하는 것을 넘어 혁신을 발견하고 시스템이 보다 진화하는 계기가 마련될 것으로 기대된다.

특히, ▲공장 ▲주택 및 건물 ▲그리드 ▲차량 등 우리 일상생활에 직접 연관된 분야의 발전이 돋보인다. 예를 들어, 제품 수요가 변화할 때 공장에서 실시간으로 생산량을 조정할 수 있고, 초인종 카메라가 스마트폰과 연결돼 문 밖을 살펴볼 수 있다. 그리드 분야에서는 양방향 충전으로 알려진 가정용 태양광 패널과 전기 자동차에서 여분의 에너지를 재할당해주거나 차량의 센서, 카메라 및 네트워크는 지연없는 데이터 전송이 가능해 사고를 방지하는 데 도움을 준다. 도시 자체는 교통 혼잡과 오염을 완화하기 위한 자율적인 시스템 구축도 물론이다.

이러한 일상의 변화를 보다 가속화하기 위해서는 기술적 관점의 개방형 표준이 필요하다. 연결 자체가 복잡하거나 비용이 많이 들지 않아야만 보다 빠른 보급이 가능하다. 개방형 표준은 많은 전문가의 지식과 경험을 활용해 모든 사람이 지연 시간을 줄이고 더 큰 가능성을 열어 줄 수 있도록 도울 수 있다.

이미 각 기업들은 이같은 개방형 표준을 수립하기 위한 노력을 기울이고 있다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 경우 유선분야에서 PROFINET, 이더넷, EtherCAT, CAN 및 LIN 표준 등의 개발에 참여하고 있다. 또한 RS-232, RS-485, UART 및 SPI와 같이 널리 사용되는 인터페이스를 지원하는 솔루션도 제공한다.

무선의 경우 와이파이6, 블루투스 LE, 위-썬(Wi-SUN)과 같은 기술 개발에도 참여하고 있다. 복잡한 장치 간 상호 작용을 관리하기 위해 매터(Matter) 프로토콜과 시간에 민감한 네트워킹(TSN)의 이더넷 확장을 지원한다. 대규모 와이파이 얼라이언스, 블루투스SIG, 커넥티비티 스탠다드 얼라이언스 회원으로 협력사와 개방형 생태계 활성화를 진두지휘하고 있다.

'제조 공정 최적화 위험 요소 관리·무인화 작동' 위한 네트워크 역량 필수

스마트 공장은 첨단 기술을 활용해 제조 공정을 자동화하고 최적화해야 한다. 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅, 로봇 공학 등 다양한 기술을 통합해 운영 효율성을 극대화하고 생산성을 향상시키는 것이 목적이다. 이를 위한 네트워크 연결성은 이같은 목적의 근간을 이루기에 무엇보다 중요하다.

즉, 스마트 공장 내 산업 환경은 더 나은 생산성과 보다 안전한 환경, 예기치 않은 가동 중단을 줄이기 위해 데이터 기반의 전환이 필수적으로 요구되고 있다.

공장 환경은 잡음이 많고 전자기 간섭이 많기 때문에 다양한 신호 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 장거리에 걸쳐 데이터를 안정적으로 전송하는데 사용할 수 있는 유선 인터페이스가 필요하다. TI는 데이터 무결성을 유지하기 위해 이더넷, RS-232 및 RS-485와 같이 공장에서 일반적으로 사용되는 프로토콜을 처리해준다. 까다로운 환경을 극복할 수 있도록 광범위한 인터페이스 장치 포트폴리오를 제공 중이다 .

아울러, 스마트 공장에서의 고전압은 고가의 자동화 장비 그 자체뿐만 아니라 장비를 작동시키고 유지해주는 해당 직원에게 위험을 초래할 수 있다. 고전압으로 인해 많은 시스템에서 인명 피해나 장비 손상이 없도록 절연 솔루션이 무엇보다 중요하다. 범용, UART 및 SPI 신호와 절연 인터페이스 IC, 절연 RS-485 인터페이스 및 절연 CAN을 위한 디지털 아이솔레이터는 확립된 산업용 프로토콜에서 절연을 지원할 수 있다는 게 업계 조언이다.

더욱 빠른 데이터 전송을 지원하기 위해 TI는 이더넷 및 이더넷 파생 프로토콜을 지원하는 회로(IC)를 통합했다. 더 높은 대역폭이 필요한 상황에서 TI는 M-LVDS와 같은 제품을 제공해 대역폭 제한을 극복하고 장거리에서 데이터를 정확하게 보내고 받을 수 있도록 해준다.

자동화는 인지 역량을 향상시켜야 하고 실시간으로 지속적인 모니터링과 조정이 필요하다. 이를 위한 인프라 중 실제적으로 동작하는 부품이 바로 센서다. 수많은 센서에서 발생하는 데이터 관리는 공장의 자동화를 돕는데 필수요건이다.

가령, V3링크 시리얼라이저/디시리얼라이저는 여러 센서를 집계하고 동기화해 더 빠른 프로세싱 및 의사 결정을 지원할 수 있다. TI의 경우 산업 환경을 위한 고속 네트워킹 하드웨어를 지원하기 위한 프로세서와 마이크로컨트롤러 간 단일칩 솔루션을 보유하고 있다.

신규 솔루션은 다양한 기존 및 신규 산업 장비에 필요한 여러 직렬 프로토콜을 사용할 수 있다. 예컨대 PROFIBUS는 기존 공장 및 프로세스 자동화 시스템에 널리 사용되는 프로토콜로 꼽힌다. 최신 산업용 장비에서 이더넷은 EtherCAT, PROFINET, 이더넷 산업용 프로토콜(이더넷/IP), Sercos와 같은 산업용 이더넷 프로토콜이 부상하고 있다. 이들은 소프트웨어 선택 가능 이미지를 통해 TI의 마이크로컨트롤러와 프로세서를 사용해 활용할 수 있다. 혹독한 환경을 견딜 수 있는 낮은 지연 시간 및 결정적 지연 시간 이더넷 PHY를 선택하면 TCP/IP 지원, 견고한 통신 채널을 제공할 수 있다.

아울러, 부분 및 완전 자동화된 공장 현장은 사람의 개입이 최소화되거나 사람이 없는 완전 무인으로 작동하기 위해서는 산업용 네트워크에 의존해야 한다. 패턴 관찰과 학습을 통해 환경 개선이 필요하다. 공장 현장은 향상된 데이터 처리를 통해 더 지능적이고 생산적인 아웃풋을 낼 수 있다. 또한 센서에서 프로세서로 공급되는 데이터에 즉시 접근할 수 있다면, 현재 안전하지 않은 상태를 식별하고 허용범위를 벗어난 도구를 강조하거나 예정된 유지관리를 권장하는데 도움을 받을 수 있다.

스마트홈 ‘매터’ 부상…’연결성’ 앞세워 가정 밖까지 범위 확장

스마트홈은 다양한 첨단 기술을 활용해 주택 내 여러 기기와 시스템을 자동화하고 제어하는 주거 환경을 의미한다. 해당 기술은 편의성, 에너지 효율성, 안전성 등을 크게 향상시키며, 사용자에게 보다 나은 생활 환경을 제공하는 것이 목적이다. 관련 시스템은 일반적으로 사물인터넷(IoT) 기술을 기반으로 하며, 다양한 기기들이 서로 연결돼 통신하고 제어한다.

최근 스마트홈 관련 장치를 위한 공통 언어인 매터(Matter)가 부상하고 있다. 매터는 스마트 홈 기기 간의 상호 운용성을 크게 향상시켜, 사용자 경험을 개선하고 스마트 홈 생태계를 더욱 확장하는 데 중요한 역할을 해준다. 매터 지원 기기의 수는 빠르게 증가하고 있으며, 많은 제조업체들이 자사 제품에 매터를 통합하고 있다.

TI 역시 매터 개발을 위해 협력하고 있다. 특히, 개방형 매터 표준은 서로 다른 기업과 생태계에 포함돼 있는 각각의 스마트홈 장치에 대한 연결성을 획득하게 해준다. 각각의 제품들이 서로 연결될 수 있다는 의미는 제품 출시를 가속화하는 한편, 이미 설치돼 있는 스마트홈 장치를 보다 효과적으로 통합시켜 준다.

TI는 매터용 와이파이 및 쓰레드(Thread) 기술 기반에 대한 폭넓은 경험을 제공하고 있다. 아울러 스마트홈의 범위가 가정 내 뿐만 아니라 가정 밖까지 확장하고자 하는 소비자 수요가 증가할 것으로 예상된다. TI는 와이파이, 서브-1GHz 및 블루투스를 통해 주변의 장치까지 무료 무선 네트워킹을 확장하는 ‘아마존 사이드워크 프로토콜'을 지원하기로 했다. 이 프로토콜은 실외 카메라를 연결하는 것부터 심지어는 잃어버린 개를 찾는 것까지 해결해준다.

TI 심플링크(SimpleLink) 저전력 소프트웨어 개발 키트는 블루투스, 메시, 지그비(Zigbee), 매터, 아마존 사이드워크, WiSUN, MITOY, 무선 M-버스 및 쓰레드를 포함한 다양한 무선 네트워크 프로토콜에서 작동한다. TI의 하드웨어 네트워킹 칩은 단일 안테나를 통해 소프트웨어 정의, 현장 업그레이드 가능한 방식으로 여러 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 이 설계를 통해 제품 설계자는 개발 비용을 늘리지 않고도 주요 제품을 시장에 출시할 수 있다.

다중 주파수 대역을 활용할 수 있는 ‘와이파이6’는 저전력 및 혼잡 감소에 탁월하다. 안정성과 성능에 영향을 주지 않고 더 많은 장치를 연결할 수 있다.

가정 및 건물 에너지 관리 시스템에서 수집된 데이터는 유틸리티 사용, 비용 및 낭비를 줄일 수 있다. 이를 통해 전력망 연결 및 기타 유틸리티 공급에 대한 부담을 줄이는 동시에 건물의 조명 및 HVAC 지출 낭비, 특히, 근무 시간 이후에 쉽게 발견할 수 있는 문제를 해결할 수 있다. 센서와 관리 콘솔이 서로 통신하기 때문에 필요에 따라 전력 사용량을 원격으로 줄이거나 비활성화할 수 있다.

늘어나는 재생 에너지, 생산과 분배의 균형 살려야 ‘탄소중립’ 실현

스마트 그리드는 전력망에 정보통신기술(ICT)을 접목하여 전력의 생산, 전달, 소비 과정을 지능적으로 관리하고 최적화해준다. 기존 전력망과 달리 양방향 통신을 통해 실시간 데이터를 수집하고 분석해 효율성과 신뢰성을 높여준다.

다만, 그리드 환경 자체가 극한의 환경 조건과 장거리 이동을 견뎌야 하며 오류가 거의 발생하지 않아야 하기 때문에 연결성이 필수다. 또한 가정의 자동차 배터리와 태양광 패널은 단순히 전력을 공급하는 것이 아니라 다시 그리드로 에너지를 보내야만 효율성을 담보할 수 있다. 이같은 에너지 순환은 곧 최근 부상하고 있는 탄소중립과도 연관된다.

가령, 2030년까지 2000만 개의 공용 EV 충전소가 필요할 것으로 예상된다. 태양열과 풍력 등 대체 발전원은 더. 늘어날 예정이기 때문에 그리드 플랫폼은 더 분산된다. 이 때문에, 생성과 분배 방식을 개선하려면 연결된 그리드 운영자가 RS-485, CAN(컨트롤러 영역 네트워크), Wi-SUN과 같은 개방형 표준을 통해 산업용 이더넷 프로토콜을 연결시켜줘야 한다.

하지만 이러한 중요한 유틸리티 링크 사이에서 복잡하고 종종 보이지 않는 구성 요소의 상태를 유지해야만 가능하다. 그래야 원활한 작동을 가능케 한다. 가령, Wi-SUN은 메시 네트워크로 구성된 장점이 있는데, 단일 장애 지점이 전체 네트워크를 중단시킬 수 없도록 도와준다. RS-485 유선 인터페이스는 산업용 장비 통신을 위해 개발됐으며, 유량계와 같은 배터리 구동 장치에도 유선 연결이 유효하도록 지원한다. 블루투스 LE는 스마트 계량기 광학 프로브 교체를 허용해 유지 관리 팀이 계량 데이터를 쉽게 읽을 수 있도록 한다.

그리드 운영자는 수요 및 대체 공급원의 상태와 자체 자산의 상태에 대해 명확하게 이해할 수 있어야 한다. 그래야 심각한 장애를 방지하고 발생 지점으로부터 신속 복구가 가능하다. 그리드 통신은 양방향 전력을 보다 쉽게 장려할 수 있다. EV와 태양광 패널, 가정용 저장장치는 최대 수요 중에 그리드로 다시 공급되는 실용적인 과정을 거칠 수 있다. 즉, 양방향 연결이 안전하고 신뢰할 수 있는 방식으로 작동돼야 한다.

TI는 그리드에 연결된 충전기와 EV 내의 배터리 관리 시스템 모 두에서 EV 충전을 가능하게 하는 데 필요한 구성 요소를 발전시키고 있다. 그리드 및 EV 배터리의 고전압이 발생할 가능성이 있어, 절연 장치는 모든 EV 충전 또는 배터리 관리 시스템 설계에 필수적으로 따라가야 한다. 이러한 장치에는 절연 및 비절연 증폭기, 절연 및 비절연 인터페이스 IC, 신호 아이솔레이터용 전원과 같은 통신 및 보호 회로가 포함돼 있다.

지연없는 실시간 연결성 획득해야 하는 커넥티드 차량

현재 차량은 더 안전하고 편리한 환경을 구축할 수 있는 주행 기능과 인포테인먼트 옵션을 갖추고 있다. 모든 기능은 유무선 통신을 통해 실현됩니다. 차량 시스템은 유지 관리, 날씨, 교통에 대한 센서 데이터를 지속적으로 처리하고 전달해 종종 자율적 결정을 내리거나 운전자에게 현재 상태를 알려준다.

차량 내 통신 기술은 언제 어디서나 안정적으로 작동할 준비가 돼야 한다. 실내 온도 작동에 최적화될 수 있는 많은 가전제품과 달리 차량 연결성은 악천후로 인해 저하되거나 더운 날 일시적으로 중단될 수 없다. 열악한 환경과 수명을 염두에 두고 설계해야 하는 이유다.

오토모티브 시스템은 다양한 비디오 인터페이스를 위한 고해상도 비압축 비디오 전송 FPD-링크 시리얼라이저 및 디시리얼라이저, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 및 인포테인먼트 디스플레이 등으로 구성된다. 카메라의 데이터가 압축되지 않은 상태로 유지되고 도착 즉시 처리될 수 있도록 고속 연결이 중요하다. 단 1초라도 디코딩 지연이 발생하면 자율 주행 시스템이 위험 요소를 놓치거나 위험한 상황을 초래할 수 있다.

차량용 100/1000BASE-T1 단일 페어 이더넷(SPE)은 차량 통신의 발전을 주도한다. 더 빠르고 보다 정밀한 데이터 전송을 지원해 차세대 ADAS 컴퓨팅을 지원하고 주행 환경을 향상시킨다. 멀티드롭 SPE(10BASE-T1S)의 도입으 로 연결성 및 효율성이 더 향상된다. 코너 레이더 동기화부터 디지털 계기판 클러스터까지, 차량용 SPE는 모든 차량에 안전, 보안 및 삶의 질을 제공하는 애플리케이션을 지원한다. TI는 훨씬 더 빠른 속도를 제공하는 최신 CAN XL 세대를 비롯해 수십 개의 차량 구성 요소 간에 다양한 데이터를 전송하는 LIN 및 CAN과 같은 표준 프로토콜의 발전에 참여하고 있다.

전기차(EV) 배터리 관리 시스템은 충전 프로세스 중에 과열 또는 기타 배터리 손상을 방지하는 동시에 셀 간 적절한 충전 균형을 보장하기 위해 통신해야 한다. 성장하고 있는 EV 충전소 인프라는 차량-충전기 및 충전기-그리드 통 신(양방향 충전)에 의존한다. 계속해서 지켜봐야 할 영역이라는 것.

셀룰러 네트워크가 침투하기 어려운 지하 주차장, 공용 LTE/5G 서비스 범위가 전혀 없는 원격 아웃포스트에 이르기까지 다양한 위치에 충전소가 구축된다. 유연한 연결성을 갖도록 설계된 충전기는 빠르게 진화하는 EV 시장의 변화에 보다 높은 투자를 유도할 수 있다.

또한 EV 자체에 존재하는 고전압과 EV 충전에는 추가적인 보호가 필요하다. 모든 개인 또는 서브 시스템이 고전압으로부터 보호돼야 한다. 이를 위해 디지털 아이솔레이터 장치 및 절연 인터페이스 장치는 배터리 관리 시스템, 온보드 충전기 및 트랙션 인버터와 같은 주요 애플리케이션에 사용되는 핵심 제품이다.

EV 성장과 개선 측면에서 무게를 줄이는 것은 전체 EV 효율과 가치를 개선하는 확실한 방법이다. 다만, 연결 요구 사항이 증가함에 따라 EV 내부의 케이블 연결 및 무선 연결 하드웨어도 증가하고 있다. 내부 네트워크 케이블의 크기와 복잡성을 줄이면 무게가 직접적으로 줄어들고, 차량 설계의 나머지 부분을 단순화하면 다른 서브시스템도 더 작고 가벼워질 수 있다.

고대역폭과 매우 낮은 지연 시간 성능 요구 사항을 충족하는 양방향 고속 직렬 버스인 PCIe와 같은 개방형 연결 표 준 사용을 확장하면서 시스템 간 링크를 개선하고 설계에 있는 개별 프로세서 칩 수를 줄일 수 있다. PCIe는 하나의 루트 복합 또는 CPU를 여러 엔드 포인트 또는 리시버에 지원하므로, PCIe를 사용한 중앙 집중식 모듈식 설계를 통해 차량에 필요한 전체 ECU 및 케이블을 크게 줄일 수 있다. WMBS는 배터리 모듈 간의 통신도 개선할 수 있다. 구성 요소 간의 연결부가 더 깨끗하고 통합되므로 더 안전하고 효율적인 차량이 될 수 있다.

편의성 및 인포테인먼트 기능은 차량 내에서 정보 공유, 미디어 재생, 소비자 모바일 장치를 충전할 수 있는 새로운 솔루션이 요구되고 있다. 유비쿼터스 인터페이스 USB는 이러한 요구에 대응해 더 널리 채택되고 있다. 음악 재생, 차량 내 디스플레이에 GPS 지도 업로드 및 표시, 애플 카플레이 또는 안드로이드 오토 애플리케이션 작업, 차량 내 통화를 위한 연락처 업로드 등에 사용된다.

더 빠르고 기능이 탁월한 USB 타입-C 솔루션을 사용 하면 승객이 차에 타거나 충전을 기다리는 동안 영화를 보거나 웹 및 소셜 미디어를 탐색하고, 인터넷을 통해 비디오 게임을 즐길 수 있다. AVB(Audio Video Bridge) 기술 이 통합된 차량용 SPE는 고도로 동기화된 오디오 재생을 제공한다. 여러 편리한 기능을 위해 블루투스LE는 원격 시작 및 중지와 스마트폰의 열기 및 잠금 기능을 제공하며, 진단 시스템과의 통신을 위한 타이어 공기압 모니터링 과 같은 유지 관리 경고도 가능하다.

산업용 및 차량용 설계에서 연결과 관련해 다양한 방식이 활용된다. TI가 상당한 R&D 투자를 하는 이유라는 설명이다. 이 중에서도 데이터와 통찰력은 현재 위치에서 필요한 곳으로 이동하고, 이해해야 할 부분까지 처리하고, 실행으로 전환된다.

TI는 유무선 기술 및 리소스의 발전을 지원해 차세대 지능형 인프라에 참여하고 있다. 품질, 안정성, 유연성 및 혁신의 폭넓은 선택뿐만 아니라 건전성을 보장한다. 관련 생태계는 세상에 필요한 연결성을 항상 사용할 수 있고, 당면한 도전들과 기회에 항상 적응할 수 있도록 노력을 기울이고 있다.

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