2021 InnovateFPGA 공모전: 지속 가능성 문제를 해결하는 방법을 보여준 창조적 설계자들

여러분은 어떻게 생각하실지 모르겠지만, 요즘 저는 우리의 공통적인 미래에 대한 걱정이 늘고 있습니다. 요즘 우리는 '지속 가능성'이라는 말을 많이 듣습니다. 그런데 과연 '지속 가능성'이란 어떤 의미일까요? 이를 바라보는 한 방법은 지속 가능성이 인간과 지구의 생물권이 공존하는 능력을 의미한다는 것입니다. 1987년 UN이 출간한 Our Common Future(Brundtland Report 라고도 알려짐)에서는 지속 가능성을 '…미래 세대가 그들의 요구 사항을 충족하는 능력을 손상시키지 않으면서 현재 세대의 요구 사항을 충족하는 것'이라고 정의했습니다.

지속 가능성을 달성하는 능력은 인구 증가와 가용 자원의 비효율적 사용으로 인해 문제를 겪고 있습니다. 이러한 점을 인식하여 Terasic이 Intel, Analog Devices Inc. (ADI), Microsoft과 함께 개최한 InnovateFPGA 설계 공모전 2021-22의 주제는 '지속 가능한 미래를 위한 에지 연결(글로벌 문제를 해결하기 위한 기술 적용)'입니다.

이 대회의 목표는 환경적 영향을 줄이는 지속 가능한 솔루션을 고무하고 생성하는 것입니다. 몇 가지 아이디어를 살펴보겠습니다. 내 스스로 무슨 일을 할 수 있는지 생각하게 되는 계기가 될 것입니다.

인구와 자원의 싸움

지속 가능성에 부정적 영향을 미치는 요인 중 하나는 지구 상의 인구 수입니다. 예를 들어 기원전 2550년 ~ 2490년에 설립된 기자의 피라미드를 생각해 보십시오. 지금부터 약 4,500년 전에 불과합니다. 그 과거의 시절에는 지구 상 인구가 약 2천만 정도였습니다. 이와 비교하여, 이 글을 쓰고 있는 현 시점에서 지구 상의 인구는 약 79억 명으로 추정되며 이 수치는 2030년 약 85억 명¹, 2040년에는 약 9.2억명², 2050년에는 거의 100억 명³에 달할 것으로 예상됩니다.

반대로 지속 가능성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 요인 중 하나는 문제에 대한 사회적 및 기술적 솔루션을 구상하고 구현하는 능력입니다.

저는 공상과학 소설과 공상과학 판타지를 좋아합니다. 1960년대 후반 및 1970년대 초반에 저는 1952년 공상과학 소설 The Rolling Stones(영국에서 Space Family Stone라는 이름으로도 출판됨)를 읽었던 것을 기억합니다. 이는 미국 공상과학 소설 작가이자 항공 엔지니어 및 해군 장교인 Robert Anson Heinlein의 작품입니다. 이 소설에서 달에 거주하는 Stone 가족은 중고 우주선을 구입하고 재조립하여 태양계로 관광 여행을 떠납니다. 이 여행 중 가족들은 캘리포니아 골드 러시(1848-1855)에 해당하는 소행성대를 방문합니다. 소행성의 광부들은 방사성 광석을 비롯한 다양한 물질을 탐사하고 있었습니다.

이는 여전히 많은 사람들에게 공상과학 소설처럼 보일 수 있지만, 최근 2017년 콜로라도 광업 대학에서 소행성 채광 분야에 대해 학사 학위 수료증, 이학 석사, 박사 학위를 제공하는 다분야 대학원 과정을 개설했습니다. 그들이 '우주 자원'이라고 부르는 의미를 우리는 알고 있습니다.

문제는 지구가 폐쇄계라는 것입니다. 즉, 사용할 수 있는 물질의 양이 한정적입니다. 지금 우리가 가진 것을 내일도 모레에도 사용하게 됩니다. 달, 지구 근처의 물체, 소행성에서 원자재(예: 철, 니켈, 이리듐, 팔라듐, 백금, 금, 마그네슘, 물)를 채굴하는 것에 대한 진지한 토론도 있지만 실제로 최소 20년은 지난 후에나 일어날 일이라고 추정합니다. 또한 이러한 일이 발생하더라도 이러한 원자재를 지구로 되돌려 보내는 데 드는 에너지, 시간 및 자원 면에서의 비용을 생각한다면 앞으로 여러 해 동안 그 양은 미미할 것입니다. 결론은 예측 가능한 장래에 상당한 양의 추가 원자재를 받을 것을 기대할 수 없으므로 우리가 가진 것을 최대한 활용해야 한다는 것입니다.

전환: InnovateFPGA 설계 공모전 2021-22

유엔 개발 기금(UNDF)에서 시행하는 GEF(지구 환경 금융) 소액 보조금 프로그램과 같은 조직에 의해 확인된 문제와 요구 사항에서 영감을 받은 위의 모든 사항들은 우리를 InnovateFPGA 설계 공모전으로 이끕니다(그림 1).

그림 1: 지속 가능성에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 요인 중 하나는 문제에 대한 사회적 및 기술적 솔루션을 구상하고 구현하는 능력입니다. (이미지 출처: DigiKey)

지속 가능성 문제에 대처하기 위해 Terasic, Intel, ADI 및 Microsoft는 현재의 InnovateFPGA 설계 공모전 2021-22를 열었습니다. 이 공모전은 지구의 자원에 대한 수요를 줄이기 위해 에지에서 FPGA를 지능적으로 사용할 것을 강조합니다.

FPGA는 유연하고 재구성 가능하기 때문에 이 응용 분야에 특히 유용합니다. 또한 이번 공모전의 설계 중 상당수는 인공 지능(AI), 머신 비전(MV) 등 방대한 연산량이 필요한 정교한 알고리즘을 기반으로 합니다. FPGA의 프로그래밍 가능 패브릭은 대규모 병렬 방식으로 작업을 구현하도록 구성할 수 있으므로 상대적으로 적은 전력을 소비하면서 로컬에서 실시간으로 컴퓨팅 집약적인 알고리즘을 수행할 수 있습니다.

참가자들은 같은 지역에 거주하는 1명 ~ 3명으로 구성된 팀으로 등록하도록 초대되었습니다. 이러한 팀은 엄청난 인기를 끌고 있는 P0496 DE10-Nano 키트와 P0499 RFS 도터 카드의 조합을 기반으로 하는 Terasic의 P0685 DE10-Nano FPGA 클라우드 연결 키트를 활용해야 합니다(그림 2).

DE10 Nano는 1GB DDR3 SDRAM, Arduino 확장 헤더(Uno R3 호환), 풀 HD HDMI 출력, UART-USB, USB OTG(On-the-Go) 포트, Micro SD 카드 소켓, 기가비트 이더넷 및 GPIO 헤더로 보강된 Intel Cyclone V SE FPGA를 기반으로 합니다. Cyclone V SoC(시스템 온칩) FPGA는 프로그래밍 가능한 패브릭(110,000개의 논리 소자(LE))과 이중 32비트 Arm® Cortex®-A9 프로세서 코어의 조합을 특징으로 합니다.

그림 2: FPGA 클라우드 연결 키트는 Intel Cyclone V SoC FPGA의 풍부한 기능 및 다목적성을 클라우드 연결의 이점과 결합합니다. 추가 센서는 Arduino 호환 헤더 또는 ADI QuikEval 헤더를 통해 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Terasic)

한편, RFS 도터 카드는 주변광, 온도, 습도 센서와 함께 Wi-Fi 및 Bluetooth 통신은 물론 9축 가속도계, 자이로스코프, 자력계와 같은 다양한 센서를 추가합니다.

DE10-Nano FPGA 클라우드 연결 키트는 물론 강력하지만 그 자체로는 사용이 제한적입니다. 17세기에 영국 시인 John Donne이 쓴 '아무도 혼자인 사람은 없다.'라는 유명한 말은 진정으로 자급자족할 수 있는 사람은 아무도 없으며 번영하기 위해서는 모두 타인에게 의존해야 한다는 의미입니다. 이 경우 DE10-Nano FPGA 클라우드 연결 키트를 추가 센서로 보강해야 할 수 있습니다. 또한 클라우드와 통신해야 할 수도 있습니다.

따라서 InnovateFPGA 설계 공모전 2021-22를 지원하기 위해 이 키트는 Analog Devices의 플러그인 카드 및 Microsoft Azure 클라우드 서비스에 대한 크레딧/유한 액세스 권한과 함께 참가팀에게 무료로 제공됩니다.

Analog Devices는 개발자의 시스템 수준 응용 제품 문제를 해결하는 데 도움이 되는 광범위한 평가 기판 및 참조 설계 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 그 예로 EVAL-CN0398-ARDZ(토양 수분, pH 및 온도 측정), EVAL-CN0397-ARDZ(스마트 농업을 위한 3채널 광 감지) 및 DC1338B(I²C 온도, 전류 및 전압 모니터)가 있습니다. 이 기판은 Arduino 호환 헤더 또는 ADI QuikEval 헤더를 통해 DE10 Nano에 연결할 수 있습니다.

지속 가능성의 형태: 261개 프로젝트 항목에 대한 샘플링

당연히, 많은 프로젝트 제출품을 둘러보지 않을 수 없었습니다. 우리는 엄청난 범위의 응용 분야에 걸쳐 있는 261개의 프로젝트에 대해 이야기하고 있습니다. 따라서 직접 살펴보기로 결정했다면 마실 것과 간식을 준비하는 것이 좋습니다.

산호초 복구 및 자동 쓰레기 수거: 저를 단숨에 사로잡은 프로젝트는 산호초 서식지 복구를 위한 수중 딥 러닝, 지능형 미생물 전달 시스템을 제안하는 EM043(그림 3) 및 쓰레기통을 식별하고 분류하여 재활용 가능 여부를 결정할 수 있는 스마트 쓰레기통 AS034였습니다.

그림 3: 프로젝트 EM043은 산호 프로바이오틱스를 전달하고 그 효능을 모니터링할 수 있는 산호초 서식지 복구 시스템입니다. 이러한 전달은 산호의 색상 변화를 모니터링하는 딥 러닝 네트워크에 의해 정확하게 규제됩니다. (이미지 출처: InnovateFPGA)

프로젝트 EM043은 산호초가 조직 내 조류를 방출하도록 하는 온도 변화로 인한 산호초의 백화 현상을 역전시키는 데 중점을 둡니다. 조류는 산호 색을 띄도록 할 뿐만 아니라 산호가 생명을 유지하고 생태계를 유지하는 데 필요한 광합성을 수행할 수 있도록 합니다.

산호에 유익한 다양한 미생물(BMC)이 표백 과정을 늦추거나 심지어 중지시킬 수도 있지만, 긴 프로토타이핑과 에지에서의 테스트를 통해 필요한 미생물과 올바른 조합을 결정해야 합니다. 프로젝트 EM043은 클라우드 연결 키트를 모바일 4G 라우터, 태양 전지판, 카메라, 온도 센서, 레벨 센서 및 딥 러닝 알고리즘과 결합하여 분석을 수행하고 특수 모듈을 사용하여 BMC 전달을 규제합니다(그림 4).

그림 4: 프로젝트 EM043은 DE10을 중앙 처리 플랫폼으로 사용하여 센서, 태양광 발전, 4G 라우터 및 BMC 전달 메커니즘과 딥 러닝 분석을 결합합니다. (이미지 출처: InnovateFPGA)

Microsoft Azure 클라우드는 4G 라우터를 사용하여 연결되며, 원격으로 전달 시스템을 제어하고 산호 상태를 시각적으로 모니터링합니다.

제안된 시스템은 해양 연구자들이 표백 효과를 줄이는 BMC의 효능에 대한 정확하고 신뢰할 수 있는 모니터링 실험을 수행할 수 있게 하여 산호초 생태계 복원에 큰 영향을 미칩니다.

유기 CO₂ 제거: 간소화 및 확장성을 위해 제가 선호하는 또 다른 프로젝트는 EM003입니다. 이는 남아메리카가 원산지인 저성장 열대 식물인 '기도하는 식물(maranta leuconeura')이라는 특별한 화초를 특징으로 합니다. 다양한 연구와 실험을 통해 이 식물이 유사한 실내 식물에 비해 온실 가스를 매우 효율적으로 흡수하는 능력이 입증되었습니다. 실제로 이 프로젝트의 제작자는 이러한 식물 중 하나만으로 24시간 동안 단일 방의 CO₂ 양을 14.40% 줄일 수 있다는 점에 주목합니다.

이 프로젝트의 취지는 '기도하는 식물'이 가능한 최대량의 CO₂를 흡수하도록 강제하는 것입니다. 이는 클라우드에 감각 데이터(온도, 습도, 주변광, 토양 수분)를 기록하고, 관개 주기를 실험하며, 결과를 분석함으로써 달성될 수 있습니다. 최종 목표는 수백만 명의 사람들이 이 식물을 사용하여 가능한 한 많은 데이터를 수집하고 분석하는 것입니다. DE10-Nano FPGA 클라우드 연결 키트 외에도 이 프로젝트는 토양 수분 센서와 DC 액추에이터가 있는 워터 펌프를 사용합니다(그림 5).

그림 5: 프로젝트 EM003에서 모든 감각 데이터는 식물의 관개 주기도 제어하는 FPGA에 의해 사전 처리됩니다. 처리된 데이터는 클라우드로 전송되어 분석할 다른 식물의 데이터와 결합됩니다. 이미지 출처: InnovateFPGA

농업 용수 스트레스 분석을 위한 드론: 저는 드론과 관련된 것이라면 사족을 못 씁니다. 그래서 또 다른 프로젝트 AP008를 살펴 볼 수 밖에 없었습니다. 이 프로젝트는 농업 환경에서 수분 스트레스를 감지하는 데 도움이 되는 'Agri-Bird'라는 드론을 사용합니다(그림 6). 이 팀은 파키스탄 이슬라마바드에 기반을 두고 있습니다.

이 팀에 따르면 농업은 파키스탄 상수도의 약 90%를 사용합니다. 현재와 같은 방식이 계속된다면 2040년에는 국가의 수자원이 고갈될 수 있습니다. 이러한 상황을 피하고 일반 농부를 위한 솔루션을 제공하기 위해 프로젝트 AP008은 기상 데이터, 지상 센서의 데이터 및 드론이 수집한 항공 데이터의 조합을 사용하여 수분 스트레스 예측 모델을 생성할 것을 제안합니다.

그림 6: 드론에서 수집한 데이터를 다른 출처의 데이터와 함께 사용하면 결과 수분 스트레스 모델을 사용하여 (a) 수분 부족으로 인한 농작물 손실 (b) 과도한 물 공급으로 인한 토양 영양 손실 (c) 관개 조절 불량 (d) 산불을 방지할 수 있습니다. (이미지 출처: InnovateFPGA)

플라스틱 폐기물 제거: 제 개인적으로 관심이 있는 마지막 프로젝트는 AP080입니다. 이 프로젝트에서는 도시를 여행하면서 거리에서 재활용을 위한 폐기 플라스틱 제품을 발견하고 수집하는 소형 스마트 로봇을 사용합니다. 요즘에는 어디를 가든 플라스틱 쓰레기가 보이기 때문에 대단히 가슴에 와닿았습니다(그림 7).

그림 7: 프로젝트 AP080이 스마트 로봇에 생명을 불어넣는다면 이렇지 않아도 됩니다. 이 프로젝트는 처음에는 도시 거리를 대상으로 했지만, 결국에는 플라스틱 폐기물의 재앙을 완화할 수 있을 것입니다. (이미지 출처: The Nature Conservatory)

어린 시절에 부모님과 휴가를 갔을 때 해변에서 하루를 보낸 후 우리 가족의 규칙은 모든 것을 그 전보다 더 깨끗하게 치우는 것이었습니다. 그러려면 우리 쓰레기뿐만 아니라 주변에 보이는 다른 쓰레기도 수거해야 했습니다. 저는 걸으면서 쓰레기를 떨어뜨리거나 차창 밖으로 던지며 아무렇지 않게 버리는 사람들을 보면 민망합니다. 그런 사람을 설득하기는 어려울 수 있지만, 이 프로젝트에서 제안한 것과 같은 로봇이 있고 뒤를 청소하는 로봇이 있다면 그들의 행동이 완화될 것입니다.

무시무시한 점은 여기에 제시된 예제 프로젝트가 흥미롭고 다양함에도 불구하고 우리는 이 공모전에 제출된 모든 가능성을 수박 겉핥기식으로도 처리하지 못했다는 것입니다. 높은 수준에서 프로젝트를 훑어보는 것만으로도 저는 계속해서 "와우 대단한 걸!"이라고 외치면서 잠시 멈추고 더 깊이 파고들었습니다. 사실, 저는 이 칼럼 작성을 마치자마자 또 다른 곳을 파고 들어갈 예정입니다.

결론

InnovateFPGA 설계 공모전 2021-22에 대한 모든 출품작이 도착했습니다. 참가 팀들은 이제 2022년 3월에 열리는 지역 결승전과 2022년 6월로 예정된 최종 결승전을 목표로 프로젝트에 열중하고 있습니다. 많은 생각을 하게 하는 이 시기적절한 도전의 결과를 보고 싶습니다.