[1호]FPGA란 무엇인가?

FPGA란 무엇인가?

(Field-Programmable Logic Array)

글 | 퀀텀베이스 www.quantumbase.com

본 컬럼에서는 FPGA를 처음 접하는 사용자들이 FPGA가
무엇인지 개념적으로 살펴보고, 그 응용분야는 어떠한지 소개하고자 합니다.

먼저 “FPGA(Field-programmable logic array)는 뭐지?”라는 물음에 대하여 그 원초적인 답을 찾아봅시다. 그 이름에서 나타나 있듯이 “프로그램 가능한 논리소자의 배열의 일종이다” 라고 할 수 있겠습니다. 그런데 “programmable”은 “프로그램 가능한”이고 “logic”은 “논리소자”를 의미하며, “array”는 “배열”을 의미하는데 “Field”의 의미가 그답에서 보이지 않는것 같습니다만, 실제로는 array에 그 의미가 포함되어 있습니다. 밭, 논 같은 경작지를 생각해보면 넓은 평야(field)의 경우 바둑판처럼 규칙적인 구획을 가진 배열이지요. 가로 세로로 나누는 것은 사람들이 걸어다닐수 있는 “둑”과 같은 것이고요. 즉 FPGA는 하나의 밭의 구역과 같은 로직블럭이 넓은 평야에 있는 밭처럼 규칙적, 반복적으로 배치되어 있으며, 그 각각의 로직 블럭을 둑의 길과 같이 가로 및 세로방향으로 연결선이 배치된 구조로, 외부에서 프로그램하여 로직블럭의 동작과 로직블럭간의 연결선을 임의로 배치하여 다양한 동작을 할수 있도록 설계된 IC입니다.

그림1 FPGA의 구조

그림 1에는 FPGA구조를 간단하게 도식화한 것입니다. 그림 1의 좌우로 쭉 연결된 구조가 FPGA의 구조입니다. 도식화한 바와 같이 밭의 구획같은 것이 로직블럭이고 걷는 둑이 배선의 배치를 나타낸 것입니다. 그림 1에서 보이는 로직블럭을 Altera사에서는 LAB(Logic array block)이라고 하고 Xilinx 사에서는 Configurable logic block(CLB)라고 부릅니다. 비록 로직블럭의 내부구조는 다르지만 사용자 입장에서는 동일하게 봐도 상관없겠습니다. 자, 이제 FPGA 구조는 대략 아시겠죠? 더 깊이 들어가면 로직블럭의 내부를 보아야 하는데 본 컬럼의 범주를 벗어나니 이 정도로만 구조를 파악하도록 하겠습니다.
이제 이 FPGA를 어디에 사용할까를 생각해 보도록 하겠습니다.

제품을 개발할때 제품을 설계 완성해놓고, 하드웨어를 변경시키지 않은 상태에서 기능을 업데이트 하는 것은 이제 매우 보편화 되어 있습니다. 사실 이러한 것은 대부분 마이크로프로세서를 사용한 시스템에서 ROM의 프로그램을 업데이트 하는 과정을 거칩니다. 그런데 프로그램 이외에도 IC(칩) 자체의 기능을 업데이트 할 수 있다면 정말 편리할 것 같죠? 이를 가능하게 하는 것이 바로 FPGA 라고 할 수 있습니다.

그림1. (a) 군사용 무선통신기 응용 예	그림2. (b) 의료장비 응용 예

휴대폰, MP3, PMP 등 거의 모든 제품에는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)이 들어 있습니다. 이러한 ASIC은 대량양산에 있어서 고성능 공정으로 제작하면서도 저렴한 가격으로 제작됩니다. 다만 이는 대량 양산인 경우에만 해당되는 이야기라는 것이 문제이죠. ASIC을 개발하는 업체가 IC를 설계하여 칩으로 만들기 위해서는 Non-recurring Engineering(NRE) cost 라고 하는 비용을 지불하여야 자신이 설계한 IC의 샘플을 받아 볼수 있습니다. 현재 0.18um 공정을 사용한다면 5천~6천만원 정도를 지불하여야 하며, 더 최신 공정을 사용하는 경우 그 NRE비용은 수억원에 이릅니다. 문제는 이러한 비용을 들여 만든 샘플이 설계오류로 동작하지 않는다면 그 비용이 그대로 사장되는 것입니다. 그럼에도 불구하고 양산수량이 엄청난 경우에는 그 비용은 뭍혀버리고 저렴한 가격의 칩이 생산되는 것입니다.

그렇다면 양산수량이 많은 제품은 그렇다치고, 머지 않은 과거의 PDP를 볼까요? PDP TV의 경우 대형 디스플레이 시장을 타겟으로 개발된 플라즈마 디스플레이 장치 입니다. 사실 원리는 형광등과 같은 방전을 이용하는 것이고 색을 나타나게 하기 위해서 여러가지 제어를 하게 됩니다. 예상할 수 있듯이 디스플레이 장치인 만큼 가장 중요한 것은 이미지 스케일링, 이미지 색상보정, 역감마 보정 등 이미지 프로세싱이 되겠습니다. PDP는 양산초기 (지금도 꽤나 고가지만) 천만원에 육박하는 고가의 디스플레이 장치였으며, 그 수요가 그리 많이 형성되지 않았을 뿐만 아니라, 이미지 처리기술에 있어서도 지속적인 업그레이드가 필요하였습니다. 그런데 HD급의 고화질 디스플레이의 이미지 처리는 고속 실시간 연산처리가 필요하므로 마이크로 프로세서로 할 수 있는 일이 아닙니다. 따라서 이를 위해 고성능 FPGA가 사용되었습니다. 물론 FPGA 하나 하나의 가격은 ASIC의 가격과 비교할 수 없이 비싸지만, 소량양산의 경우에는 ASIC에 들어가는 NRE 가 들어가지 않으므로 상대적으로 ASIC보다 훨씬 저렴한 가격이 됩니다. 이와 더불어 아직 최적화 되지 않는 기술에 있어서 하드웨어의 업그레이드시에 그냥 다시 프로그램하면 되므로 FPGA의 사용이 가장 효율적인 방법이 되겠습니다.

이와 같이 FPGA는 양산수량이 상대적으로 적지만 고가이고, 하드웨어 업그레이드가 필요한 제품에 있어서는 최적의 솔루션이 되는 것입니다. 실제 성공적으로 적용된 응용분야를 보면 고가의 통신시장, 군사기기, 검사장비 등이며, 점점 FPGA의 가격에 대한 단점을 극복해 나아가면서 점점 일반 소비재로의 응용이 증가되면서 ASIC의 시장을 잠식해 나아가고 있습니다. Altera사는 Hardcopy 라는 솔루션을 제공함으로써 Stratix 또는 APEX 디바이스에 설계하였던 것을 똑같은 패키지와 핀구조로 ASIC하여주는 서비스를 하고 있으므로, 양산수량에 따라 NRE 비용이 없는 ASIC 서비스를 가능하게 하고 있습니다.

이미 ASIC과 FPGA는 서로의 시장을 침범하면서 전면전에 돌입되어 있습니다. 하지만 ASIC과 FPGA는 그 나름대로 서로 침범하지 못할 영역을 가지고 있으므로 상호 보완적으로 발전해 나아갈 것으로 생각됩니다. 또한 FPGA의 가격 경쟁력의 확보와, 그 성능의 향상으로 인하여 그 응용분야가 엄청나게 넓어지고 있습니다. 이제 하드웨어 설계자가 FPGA를 활용할 수 있다면 그 자신의 엔지니어로서의 가치를 더욱 극대화 할 수 있는 시점에 온것이 아닐까요?