'프로그래밍 가능' 아날로그의 현재

최근에 LinkedIn을 통해 이메일을 받았는데, 2001년에 제가 쓴 기사에 대한 업데이트가 없는지 묻는 내용이었습니다. 꽤 오래전 이야기를 다시 꺼내야겠습니다. 그 기사는 프로그래밍 가능 아날로그에 대해 이야기하고 아날로그 신호 체인 기능에 대한 여러 설계 옵션을 살펴본 글이었습니다.

요즘 필자가 안타까워하는 현상 중 하나가 신문 기사들이 기사의 후속 내용을 다루는 경우가 거의 없다는 점이며(자극적인 구속 기사는 많지만 재판 결과를 다루는 경우는 거의 없는 경우처럼), 그 글을 게시한 지 거의 20년이 되어가기 때문에 이 주제를 다시 다룰 가치가 있다고 느꼈습니다.

하지만 먼저 정의를 확실하게 정리해야 합니다. 핀-스트립, 이산 저항기 또는 I²C/SPI 포트를 통한 소프트웨어를 사용하여 대역폭이나 샘플링 비율과 같은 일부 운영 파라미터 또는 기능을 사용자가 설정할 수 있는 프로그래밍 가능 아날로그 IC가 많습니다. 하지만 필자가 이 문맥에서 '프로그래밍 가능'이라고 표현하는 것은 이와 의미가 다릅니다.

여기서는 커밋되지 않은 많은 디지털 게이트 및 함수가 있는 부품인 FPGA(현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이)에 대한 아날로그 보완품을 지칭합니다. 이 보완품은 필요에 따라 상호 연결되어 최종 회로 토폴로지를 구성할 수 있기 때문에 매우 복잡한 디지털 시스템을 제공할 수 있습니다. 현재 백만 개 이상의 게이트가 있는 FPGA도 쉽게 찾아볼 수 있습니다. FPGA가 주력 제품으로 자리 잡았다는 점에는 의문의 여지가 없기 때문에 별도 설명이 필요 없을 것이며, 새로운 제품들이 계속적으로 소개되고 있습니다.

그림 1: Efinix의 T4F81C FPGA는 SMIC의 40nm 공정을 기반으로 하며 1.1V에서 일반 코어 누설이 150µA 미만입니다. (이미지 출처: Efinix)

최근에는 Efinix에서 T4F81C2 Trion™을 선보였습니다. FPGA는 SMIC의 40nm 공정에 기반하며 81볼 BGA 패키지(그림 1)로 제공됩니다.

T4F81C는 작은 실장 면적의 패키지에 I/O 인터페이스로 래핑된 고밀도 저전력 power Efinix Quantum™ 패브릭을 특징으로 합니다. 이는 저전력, 저비용 및 작은 폼 팩터를 필요로 하는 모바일, 소비자 가전 및 IoT 에지 시장을 대상으로 합니다. T4F81C의 특징은 다음과 같습니다.

• SMIC의 40nm 공정 기반
• 1.1V에서 일반 코어 누설 전류가 150µA 미만
• 1.8V, 2.5V 및 3.3V 싱글 엔드 I/O 표준 및 인터페이스를 지원하는 고성능 I/O
• 유연한 온칩 클로킹 제공
• 표준 SPI 및 JTAG 인터페이스를 포함한 장치 구성 옵션

기술 발전에 따라 FPGA가 계속 선보이면서 더 다양한 요구 사항과 응용 분야를 해결할 것이지만 최근 선보인 프로그래밍 가능 아날로그 장치는 별로 많지 않습니다.

현실에 대한 이해와 평가

커밋되지 않은 여러 아날로그 기능이 포함된 아날로그 IC가 필요한 것처럼 보일 수 있습니다. 이론적으로 이는 센서 인터페이스, 신호 컨디셔닝, 필터링 그리고 심지어 (한 가지 예로) 호스트 프로세서의 I/O에 대한 전체 아날로그 신호 체인을 제공할 수 있습니다. 이러한 FPAA(현장 프로그래밍 가능 아날로그 어레이)는 OEM 생산 라인에 구성하여 제품군이나 계열 내의 여러 제품에 필요한 기능을 제공할 수 있으므로, 여러 제품에 공통된 BOM을 사용할 수 있습니다. 또한 아날로그 체인 기능의 변경이 필요한 경우, PC 기판을 다시 만들 때 수반되는 지연과 불확실성을 감수할 필요 없이 구현할 수 있습니다.

현실은 이러한 유형의 프로그래밍 가능 아날로그가 엔지니어링 설계 커뮤니티에서 큰 관심을 받지 못했다는 것입니다. 2001년 기사에서 언급한 벤더를 보면 일부는 사라졌고 일부는 다른 IC 회사에 흡수되었습니다. 이런 일은 이 업계에서는 흔한 일이기 때문에 그 자체로는 특이한 일이 아니지만 이 기업들 중 시장에서 성공을 거둔 곳은 없습니다. 아직 시판되고 있는 이 분류의 제품은 높이가 매우 낮습니다. 신호 체인의 필요성 때문에 프로그래밍 가능 아날로그를 솔루션 옵션으로 찾는 설계자는 보지 못했습니다.

프로그래밍 가능 아날로그가 자리를 잡지 못한 이유는 무엇일까요? 필자는 아날로그 회로망의 피할 수 없는 기본 특성과 회로망이 제공하는 기능 때문이라고 생각합니다. 연산 증폭기 및 비교기와 같은 가장 기본적인 아날로그 빌딩 블록을 보면, 대부분의 벤더는 자사 포트폴리오에서 이러한 제품을 수십 개 또는 수백 개 공급합니다('복잡하게도 연산 증폭기가 이렇게나 많은 이유' 참조). 그 이유는 각 모델이 고유한 성능 특성의 조합을 제공하기 위해 설계, 공정 및 테스트/트림에 따라 튜닝되기 때문입니다. 예를 들어 어떤 연산 증폭기는 저잡음 성능이 우수하지만, 그보다 잡음이 높은 다른 증폭기에 비해 오프셋 드리프트가 더 클 수 있습니다.

다차원적인 트레이드 오프

설계자는 트레이드 오프를 평가하여 우선순위에 따라 원하는 성능을 얻기 위해 지불해야 할 성능 비용을 결정해야 합니다. 어떤 연산 증폭기는 주요 정적 및 동적 사양 전체에서 다양한 조합을 제공하는 반면, 어떤 연산 증폭기는 한 두 분야에서 우수하고 다른 분야에서는 평범할 수 있습니다. 다른 장치는 대부분의 사양에서 '비교적 우수'하지만 특별하게 우수한 기능은 없을 수 있습니다. 그렇다면 설계에 가장 적합한 것은 무엇일까요?

항상 그렇듯이 그 해답은 설계 우선순위 및 트레이드 오프 가중치에 따라 '달라집니다'. 속도, 전압 오프셋, 바이어스 전류, 온도 드리프트, 대역폭, 잡음, 소산, 이득, 드라이브 용량, 전압 범위와 같이 기본적인 연산 증폭기 평가에 사용되는 여러 파라미터를 고려해야 합니다. 고려해야 할 사항이 매우 많을 것입니다.

또한 더 큰 그림을 보자면, 대부분의 아날로그 신호 체인은 FPGA의 디지털 세상과는 달리 기능 블록이 많지 않으며 각각이 제공하는 기능이 크게 다릅니다. 아날로그 블록의 중요 특성은 신호의 위치에 따라 바뀝니다. 센서향 인터페이스에는 필요하지만 부하를 구동 또는 프로세서 I/O 등에는 필요하지 않을 수 있습니다.

화학 실험실 설비를 위한 고정밀 임피던스와 전기화학 프런트 엔드를 제공하는 IC인 Analog Devices의 AD5940을 예로 들겠습니다(그림 2). AD5940은 많은 수의 아날로그 및 디지털 기능으로 구성되지만, 아날로그 기능은 해당 제품이 지원하는 전기화학 센서와 호환이 되도록 신중하게 정해진 사양에 따라 매우 다양합니다.

그림 2: AD5940의 단순화된 제품 구성도. (이미지 출처: Analog Devices)

내부 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 내부 관리용 마이크로 컨트롤러까지 있지만, 설계에서 가장 민감한 부분은 제로에 가까운 바이어스 전류와 PGA(프로그래밍 가능 이득 증폭기)가 사용된 연산 증폭기를 포함하여 일정 전위기의 전문 실험실 전극과 인터페이스하는 부분입니다. 대부분의 일반 FPAA 내의 아날로그 기능에는 필요한 민감한 특성이 없습니다.

결론

일반 아날로그 블록 어레이는 초기에는 매력적이었지만 여러 응용 분야의 다양한 필요성을 충족하지 못합니다. 절충안이 허용 범위를 넘어서며 BOM 복잡성, PC 기판 물리적 크기 및 기타 설계 요소의 이점만으로는 이를 상쇄할 수 없습니다.

대부분의 아날로그 설계에서 소수의(그리고 일반적으로 서로 다른) IC를 신호 체인의 각 부분에 맞게 신중하게 선택하는 것이 더 나은 설계 방식입니다. 반가운 소식은 해당 체인의 모든 단계에 대해 좋은 선택이 충분히 있다는 것입니다.