[테크 리포트] 시제품 제작에서 제품 생산까지 위한 산업용 SBC

제조업 조업 중단은 큰 피해 요소로 시간과 비용 낭비를 수반한다. 예기치 않은 조업 중단이 발생할 경우 제조업체의 평균 손실은 시간당 26만달러에 이르는 것으로 제시된다.

산업 자동화와 에지 컴퓨팅, AI 기반 애플리케이션 확장이 이어지면서 이러한 손실 비용을 방지하기 위한 단일 기판 컴퓨터(Single Board Computer: SBC)의 신뢰성 요구도 커지고 있다. 손실 비용 방지 목적의 단일 기판 컴퓨터(Single Board Computer: SBC) 신뢰성 요구 증대가 함께 나타나고 있다.

산업용 SBC는 컴퓨터 필수 요소를 단일 기판에 통합한 것이 특징이다. 동시에 처리 능력과 연결성을 콤팩트한 크기로 구현하는 특징을 갖는다.

이 같은 산업용 SBC는 까다로운 산업 환경에 적합한 것으로 제시된다. 최근에는 이러한 흐름을 배경으로 화상 토론이 진행됐다.

이번 화상 토론에는 라즈베리 파이(Raspberry Pi), 게이트웍스(Gateworks), NXP반도체, EDATEC 소속 전문가들이 참여했다. 이들은 최신 임베디드 및 엣지 컴퓨팅 시스템에서 산업용 SBC 역할의 중요성 확대를 주제로 논의를 진행했다.

산업 자동화·에지 컴퓨팅 성장에 따른 SBC 사용이 급증하고 있다. 산업용 SBC는 소프트 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)·머신 비전 등 다양한 애플리케이션용 유연·확장 가능 플랫폼 역할을 한다.

SBC 활용 범위는 공장에 한정되지 않는다. 산업용 SBC는 의료 기기, 석유 및 가스전 제어 장치, 전력망 모니터링, 철도 시스템에 사용된다.

또한 산업용 SBC는 신뢰성 필수 기타 임베디드·에지 컴퓨팅 응용 분야에도 쓰인다. 이와 함께 드론, 무인 항공기, 우주, 차량 대 사물(V2X) 솔루션에도 사용처가 확장되고 있다.

이 같은 적용 범위 확대는 산업용 SBC의 특성과 맞물린다. 산업용 SBC는 기존 전자 장치의 작동이 어려운 환경에서도 구동 가능하다.

이에 따라 산업용 SBC는 공장 내부의 PLC·머신 비전부터 신뢰성이 중요한 임베디드·에지 시스템, 드론, 차량 대 사물(V2X) 솔루션에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되고 있다.

SBC는 열악한 산업 환경 적합성을 갖춘다. 산업 현장에서는 온도·습도·먼지가 위협 요소로 작용해 전자 장치 성능을 저해할 수 있는데, SBC는 해당 조건을 견디는 것을 목적으로 신뢰성을 설계 우선순위에 두고 설계된다.

이 과정에서 부품 수 감소는 고장 가능성 저하로 이어진다. 부품 수가 적으면 부품 하나가 고장 나더라도 고장 발생 가능성이 낮다는 점도 특징이다.

SBC는 전력 변동 대응력이 우수하며, 연속 작동을 전제로 설계된다. 이에 따라 내구성과 연속 운용 측면에서 강점을 보인다.

엣지 컴퓨팅 성장이 이어지면서 실시간 정보 처리 수요도 증가하고 있다. 이는 더 빠른 의사결정·효율성으로 이어지며, 이런 흐름 속에서 SBC 장점 존재도 함께 거론된다.

다만 엔지니어 과제는 프로토타입에서 실제 배포 시스템으로 전환하는 데 있다. 특히 엣지 AI와 같은 대규모 애플리케이션에서는 SBC 도입 제약으로 메모리·발열·비용이 따른다.

시간에 민감한 작업 부하를 처리하려면 데이터 수집 지점에 인접한 컴퓨팅이 필요하다. 대표적인 대상 작업으로는 품질 보증용 머신 비전과 예측 유지 보수용 머신 비전이 제시된다. 이 과정에서 AI 기반 분석은 원시 데이터 대신 실행 가능한 통찰력을 제공하는 역할을 맡는다.

이 같은 요구를 충족하려면 엔지니어의 프로세서가 필요하다. 이 프로세서는 컴퓨팅 성능·연결성·에너지 효율성의 균형을 갖춰야 한다. 관련한 프로세서 예시 공급처로는 NXP가 제시된다.

이와 관련해 데이브 리(Dave Lee) 라즈베리 파이 수석 영업 담당자는 엣지 워크로드의 고도화로 메모리 중요성이 커지고 있다고 설명했다. 그는 현재 시장에서 메모리와 RAM이 전례 없는 수준으로 부족하다고도 전했다. 또 이 부족의 원인으로는 주로 클라우드 제공업체들이 높은 수준의 메모리 대역폭을 사용하고 있다는 점을 지목했다.

아울러 SBC에서는 데이터가 CPU에서 보조 및 주변 장치로 이동하는 특성이 있다. 이 때문에 고강도 에지 애플리케이션에서는 SBC의 메모리 부담이 가중된다는 설명이다.

라즈베리 파이는 DRAM·저장 메모리 대상 광범위한 다중 공급업체 전략을 운용하며 메모리 수급 문제에 대응한다. 해결책 중 하나로는 '클램셸' 방식을 활용한다.

'클램셸' 방식의 내용은 기판 내 DRAM 2개 배치다. 이에 따라 4GB 메모리 수급 난 시, 기판에 2GB 메모리 2개 장착 가능하다.

한편 산업 환경의 중요 이슈는 전력 공급 안정성이다. 전력 공급 중단의 결과로 데이터 손상, 저장 장치 손상, 값비싼 가동 중단이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 EDATEC은 사양 상회 부품 선택으로 대응한다. EDATEC은 SBC의 전자기 간섭 내성, 정전기 방전 내성, 시스템의 광절연 사용 여부, 시스템의 정전 용량 절연 사용 여부를 고려한다.

사례로 EDATEC은 24V 입출력 단자에 80V 정격 부품 사용을 택한다. 이는 요구 기준 대폭 상회에 해당하며, 더 나은 신뢰성 보장 효과를 낸다.

전력 손실 방지 솔루션으로는 슈퍼 커패시터 백업이 제공됩니다. 이를 통해 운영자가 메모리·장기 비휘발성 저장 장치를 손상시키지 않고 안전하게 시스템을 종료할 수 있도록 했습니다.

이와 함께 게이트웍스는 견고한 전원 공급 장치를 설계했습니다. 설계 목표는 전원 공급 장치 미연결 상태·팬 등 열 관리 장치 부재의 극한 산업 환경 내구성이며, 최우선 과제는 환경적 지속가능성입니다.

이 전원 공급 장치는 광산의 무거운 트랙터 강한 진동, 위험 환경·극한 온도 환경의 공장, 국방 분야, 우주 같은 환경에 적용 가능하며, 이들 환경에서 전원 공급 장치의 원활한 작동을 지향합니다.

이 사례들은 산업용 컴퓨터 성공 기준의 전환이라는 업계 전반의 요구를 보여줍니다. 기존 초점은 처리 능력이었으나, 새 성공 기준은 가장 열악한 환경에서도 일관된 작동 능력입니다.

차세대 엣지 컴퓨팅 구현의 관점에서 SBC는 산업 시스템의 미래를 대표하는 요소로 제시된다. 이에 따라 향후 몇 년간 이 산업의 경쟁 심화가 예상된다.

이처럼 경쟁이 심화하는 환경에서는 기술 생태계 전반의 협력 중요성이 더욱 커지고 있다. 단일 공급업체로는 엣지 컴퓨팅의 모든 요구 사항을 충족할 수 없기 때문이다.

성공 조건으로는 프로세서 제조업체·기판 설계업체·시스템 통합업체·소프트웨어 개발자·유통 파트너의 협력이 꼽힌다. 이러한 협력의 목적은 혁신 가속화에 있으며, 이런 협업의 효과로 제품 시장 출시 속도가 대폭 향상된다.

이 같은 변화 속에서 기존 방식 중심 사용자들도 SBC 전환 검토를 시작하고 있다. 이는 SBC가 더 빠른 프로토타이핑, 확장 속도 향상, 더 큰 유연성, 다양한 가격대 제공이라는 장점을 갖고 있기 때문이다.

아울러 SBC는 검증된 하드웨어 솔루션 활용과도 연결된다. 검증된 하드웨어 솔루션을 활용할 경우 엔지니어의 개발 시간은 최대 6개월 단축 가능하다.

동시에 검증된 하드웨어 솔루션을 활용하더라도 특정 애플리케이션 맞춤 설정의 자유는 유지된다. 결국 SBC와 검증된 하드웨어 솔루션은 개발 기간 단축과 맞춤화 유지를 함께 가능하게 하는 수단으로 연결된다.

디지키는 고객에게 필요한 기술·공급업체·리소스를 연결하며 협력 생태계의 핵심 축 역할을 한다. 이를 통해 엔지니어의 개발 과정을 뒷받침하며, 프로젝트 수행에 필요한 구성 요소 접근성과 프로젝트 수행에 필요한 완제품 시스템 접근성을 제공한다.

이 같은 지원 아래 엔지니어는 NXP 프로세서 평가를 진행하고, 라즈베리 파이 기반 프로토타입을 제작하며, 게이트웍스·EDATEC의 산업용 솔루션을 배포하는 활동을 수행할 수 있다. 디지키는 여러 기술과 공급망 자원을 한데 연결해 이러한 개발 흐름을 지원한다.

산업용 SBC는 자동화·엣지 컴퓨팅·AI의 미래에서 중요 역할이 예상된다. 산업용 SBC의 강점으로는 신뢰성, 성능, 유연성이 꼽히며, 이에 따라 다양한 응용 분야로의 광범위한 통합이 예상된다.

디지키는 SBC 제조업체의 전체 생태계를 통합하는 기능을 바탕으로 엔지니어가 현대 산업 시스템 설계의 복잡성에 대응하도록 지원한다. 또한 이러한 지원은 시제품 제작에서 생산 단계로의 이행까지 이어진다.

출처: 테크월드뉴스 · 숀 루크 디지키 기술 마케팅 엔지니어
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406366

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406366