다양한 메시 네트워크 역할을 수행하는 Matter 지원 스마트 홈 장치용 단일 칩 시스템 MCU

2025년 스마트 홈 기술의 글로벌 시장 규모는 1,475억 달러로, 2034년까지 21.4%의 연평균 성장률(CAGR)이 예상됩니다. 이러한 성장을 달성할 수 있었던 배경 중 하나는, Matter 표준에 의해 상호 운용성이 가능해졌기 떄문입니다.

2019년에 오픈 소스 스마트 홈 네트워크를 위해 협력하는 기업 컨소시엄인 CHIP(Connected Home over IP) 프로젝트로 시작한 Matter는 2022년에 버전 1.0을 출시했으며, 2025년 11월에는 버전 1.5를 발표했습니다. 이 표준의 핵심 원칙은 Matter 인증 제품은 서로 연결될 수 있고, Google, Amazon, Apple, 삼성 등 Matter 컨소시엄 회원사가 제조한 스마트 홈 허브와도 연결할 수 있다는 약속입니다.

새로운 버전의 표준에서는 더 많은 장치 유형이 지원되므로, 클라우드 게이트웨이 없이도 IPv6 및 저전력, 저지연 네트워크를 통해 로컬로 연결할 수 있습니다. 현재 Matter 지원 장치로는 스마트 조명 및 아웃렛, 가전 제품, 센서, 창문 덮개, 에어컨 및 열 펌프 장치, 태양광 패널, Wi-Fi 라우터, 스피커 및 비디오 플레이어 등이 있습니다.

스마트 홈 네트워크에 이러한 장치를 추가하는 소비자들은 원활한 연결과 다양한 기능을 원합니다. 이를 실현하려면 OEM은 처음부터 제품에 Matter 아키텍처를 구축해야 합니다.

Matter 시스템의 구성

Matter 스마트 홈 시스템의 장치들은 게이트웨이, 컨트롤러, 에지 노드, 엔드 노드, 브리지 중 하나 또는 그 이상의 역할을 수행할 수 있습니다. 게이트웨이는 시스템을 인터넷에 연결하고, Wi-Fi를 사용하여 컨트롤러, 에지 노드 및 브리지와 인터페이스합니다. 컨트롤러는 에지 노드와 엔드 노드에 명령을 전송하고, 에지 노드와 브리지는 논리를 적용하지 않고 노드와 게이트웨이 또는 컨트롤러 간에 정보를 라우팅하기만 하면 됩니다.

Matter 아키텍처의 또 다른 핵심 원칙은 저전력 무선 주파수(RF) 통신을 통한 에너지 효율성입니다. 블루투스 연결은 네트워크에 대한 장치의 초기 커미셔닝에 사용되지만, 네트워크 자체는 동일한 주파수 대역을 사용하는 다른 프로토콜로 구성됩니다. Matter 네트워크는 저에너지 Thread 프로토콜을 사용하여 대기 시간이 짧고 자가 복구가 가능한 메시 네트워크를 생성합니다. 브리지는 Zigbee와 같은 다른 프로토콜을 사용하는 장치를 네트워크에 연결하는 변환기의 역할을 합니다(그림 1).

그림 1: A Matter 스마트 홈 네트워크에는 게이트웨이(파란색 원), 컨트롤러(하늘색), Thread 보더 라우터(빨간색), 브리지(보라색), 에지 노드(녹색), 엔드 노드(주황색)가 포함됩니다(이미지 출처: NXP).

Matter 네트워크에 연결되는 장치에는 협대역, Wi-Fi 또는 둘 다를 포함한 무선 통신 기능과 애플리케이션 실행, 통신 관리, 그리고 장치 보안을 위한 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)이 있어야 합니다. 통신 프로토콜의 선택과 MCU의 사양은 장치의 네트워크 역할, 에너지 사용 프로파일, 그리고 소비자가 이를 사용하려는 목적에 따라 달라집니다. 예를 들어 엔드 노드 역할을 하는 스마트 전구에는 온/오프 명령을 수신하고 실행할 수 있는 간단한 아키텍처가 있지만, 라우터는 훨씬 더 복잡합니다.

스마트 홈 단일 칩 시스템

Thread 보더 라우터는 Matter 네트워크에서 기대되는 에너지 효율성 및 짧은 대기 시간과, Thread 및 Wi-Fi 통신, 장치 보안 및 애플리케이션 실행 관리의 복잡성 사이에서 균형을 유지해야 합니다. NXP Semiconductor의 RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio는 프로세싱 코어, 2.4GHz 및 5GHz 대역의 20MHz 채널을 전송할 수 있는 Wi-Fi 라디오, 커미셔닝 및 메시 네트워킹을 위한 협대역 라디오, 장치 키 및 신뢰 프로비저닝을 관리하는 보안 엔클레이브를 3.3V 외부 전원으로 실행되는 단일 칩에 결합합니다(그림 2).

그림 2: RW61X Wi-Fi 6 Tri-Radio는 3.3V의 외부 전원으로 2개의 Wi-Fi 무선 통신 대역, 협대역 로컬 무선 통신, 260MHz MCU 및 온보드 보안 기능을 작동합니다(이미지 출처: NXP).

RW61X의 MCU 서브 시스템은 260MHz Arm® Cortex®-M33 코어와 TrustZone™-M 하드웨어 보안 및 1.2MB의 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)를 갖추고 있습니다. MCU는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 및 범용 비동기 수신기-송신기(UART)를 통해 장치와 통신하고, 집적 회로 간 인터페이스(I²C)를 통해 센서와 통신하며, 집적 회로 간 사운드(I²S) 인터페이스를 통해 오디오 입력 장치와 통신할 수 있습니다. 정밀 시간 프로토콜(PTP)은 칩의 100Mbps 이더넷 모듈의 물리 계층(PHY)을 통해 네트워크 동기화를 허용합니다.

RW61X 칩은 Matter-over-Wi-Fi를 지원하며, 향상된 네트워킹 및 전력 효율을 위해 Wi-Fi 6을 활용합니다. RW61X에 내장된 RF 전력 증폭기(PA)와 저잡음 증폭기(LNA)는 125mW의 전송 전력과 결합하여 강력한 통신을 보장합니다. Wi-Fi 보호 액세스(WPA) 레벨 3은 암호화 및 보안을 제공합니다.

Matter-over-Thread는 Bluetooth LE 또는 IEEE 802.15.4를 통해서도 지원됩니다. Bluetooth 5.2 및 5.4 인증을 받은 이 칩은 고속 2Mbps 모드, 코딩된 PHY를 사용하여 장거리에서 데이터를 더 느리게 전송하는 장거리 모드, 장치가 더 큰 패킷을 브로드캐스트하여 탐색을 허용하는 광고 확장 모드 등 여러 가지 Bluetooth 작동 모드를 지원합니다. 또한 이 협대역 무선 통신 모듈은 RF PA와 LNA를 사용하여 32mW의 전송 전력을 달성합니다.

RW61X 칩에서 보안(Matter 스마트 홈 에코시스템의 중요한 부분)은 EdgeLock 보안 인클레이브를 통해 관리됩니다. 이 변조 방지 하드웨어는 인증서, 암호화 키 및 ID를 통해 장치를 인증함으로써, 신뢰할 수 있는 시스템의 기반을 제공합니다. 보안 부팅, 디버그 및 업데이트 보호, 하드웨어 암호화, 물리적 복제 불가 기능(PUF)을 통해 RW61X 칩은 IoT 플랫폼용 보안 평가 표준(SESIP) 보증 레벨 3 및 플랫폼 보안 아키텍처(PSA) 인증 레벨 3 프레임워크를 충족할 수 있습니다.

엔드 노드용 저전력 칩

RW61X 칩은 Thread 보더 라우터, 스마트 홈 허브, 에지 노드 역할을 할 수 있지만, 센서나 도어록과 같은 배터리 구동 엔드 노드에는 훨씬 더 간단한 아키텍처만이 필요합니다. NXP의 MCX W 계열 마이크로 컨트롤러는 전력 효율이 높은 Matter-over-Thread 및 Zigbee 통신에 최적화되어 있습니다(그림 3).

그림 3: NXP Semiconductors MCX W 계열 마이크로 컨트롤러는 협대역 무선 통신과 전용 프로세싱 코어 및 메모리를 96MHz MCU와 결합합니다(이미지 출처: NXP).

MCX W 계열 MCU에는 Bluetooth LE 및 IEEE 802.15.4 무선 전용 프로세싱 코어와 메모리, 자체 1MB ~ 2MB 플래시 메모리와 128KB ~ 256KB RAM을 갖춘 96MHz Arm Cortex-M33 메인 프로세서가 탑재되어 있습니다. RW61X 칩과 마찬가지로, MCX W 계열 MCU는 EdgeLock 보안 인클레이브와 EdgeLock2GO 클라우드 지원을 통해 보안을 관리합니다. 견고한 설계로 인해 -40°C ~ 125°C의 넓은 온도 범위에서 엔드 노드 장치가 연결 상태를 유지할 수 있습니다.

엔드 노드 장치에서 작동하는 것 외에도, MCX W 계열 MCU는 RW61X 및 유사한 칩과 페어링할 수도 있습니다. 이 구성에서는 MCX W 계열의 독립적인 무선 서브 시스템이 연결 작업을 오프로드하고, 메인 CPU가 기본 애플리케이션을 실행할 수 있는 여유를 확보합니다. MCX W 계열 MCU는 스마트 홈 허브, 가전 제품 및 게이트웨이에서 중요한 역할을 합니다.

공급망 스마트화

스마트 홈 네트워크 및 제품 설계자는 사용 가능한 부품의 수와 잠재적인 구성에 부담을 느낄 수 있습니다. RW61X 칩 및 MCX W MCU와 같은 제품은 스마트 홈 네트워크에서 다양한 역할을 수행할 수 있습니다.

설계자는 Visual Studio Code용 MCUXpresso IDE/MCUXpresso 및 NXP의 애플리케이션 코드 허브를 통해 IoT에 최적화된 Zephyr 실시간 운영 체제(RTOS)로 코딩에 대한 지원을 받을 수 있습니다. 또한 FRDM-RW612와 같은 저가형 개발 기판을 사용하여 설계를 시제품으로 구현할 수도 있습니다(그림 4).

그림 4: 저가형 FRDM-RW612 개발 기판은 RX61x 칩을 사용하여 Thread 보더 라우터 및 Matter 컨트롤러 설계의 시제품 제작을 간소화합니다(이미지 출처: NXP).

이러한 개발 기판, 완전한 RW61X 칩 계열 및 MXC W 계열 MCU 외에도, NXP의 포트폴리오에는 스마트 홈 장치 및 응용 제품에서 이를 보완하는 다른 제품들이 포함되어 있습니다. 인텔리전트 홈 기술 설계자는 NXP 웹 사이트를 통해 설계에 필요한 모든 제품과 관련 기술 정보 및 교육 리소스를 활용할 수 있습니다.

결론

스마트 홈 응용 제품 시장은 Matter 네트워킹 프로토콜을 통한 플랫폼 간 상호 운용성에 힘입어 지속적으로 성장하고 있습니다. 스마트 홈 네트워킹을 위해 설계된 하드웨어 부품들(예: NXP의 RW61X 칩 시리즈 및 MCX W 계열 MCU)은 다양한 보완적인 네트워크 역할을 수행할 수 있습니다. 설계자는 다양한 제품, 스마트 홈 부품에 대한 전체 기술 정보 라이브러리, 교육 리소스를 한곳에서 모두 활용하여 차세대 스마트 홈을 설계할 수 있습니다.