미래 자동차의 필수템, 고성능 컴퓨터

요즘 자동차에 ECU가 몇 개나 들어있는지 아시나요? 


대략 80개 ...최신 자동차, 특히 고급차에는 100개 정도, 많게는 150개의 ECU가 탑재된다고 합니다.  


여기서 말하는 이씨유는 자동차의 여러 가지 기능을 조금씩 맡아 통제하는
전자제어 컨트롤 유닛(Electronic Control Unit)입니다. 

엔진 컨트롤 모듈(ECM) 외에도, 파워트레인 컨트롤 모듈(PCM), 변속기 컨트롤 모듈(TCM), 브레이크 컨트롤 모듈(BCM), 보디 컨트롤 모듈(또 BCM), 서스펜션 컨트롤 모듈(SCM), CCM, CTM, GEM...

자동차에는 아주 많은 종류의 ECU가 숨어있습니다.

에어백 컨트롤 유닛

과거의 자동차는 그저 이동을 위한 기계 였지만
전자제어 기술이 결합되면서 움직이는 컴퓨터라는 표현이 나왔고
이동통신 기술이 더해진 지금은 움직이는 모바일 기기로 비유하기도 합니다.

실제 요즘 자동차에 ECU가 많이 필요한 이유는 자율주행 및 첨단 운전자보조 시스템(ADAS, 일명 '반자'), 텔레매틱스, 인포테인먼트 시스템 등 과거에는 볼 수 없었던 복잡 다단한 IT 기술들이 접목되는 것과 관련 깊습니다.

그래서 고급차일수록 ECU가 많이 들어가구요.

기능이 복잡해지는 만큼 ECU도 늘어나는 것은
그 동안 자동차의 전기전자 시스템(E/E architecture)이
분산 아키텍처로 구성됐기 때문입니다.

각 기능을 담당하는 여러가지 소프트웨어들이 각각의 제어기에 담기다 보니
차량에 기능을 추가하려면 ECU 개수를 늘려야 하는 것이죠.

그 많은 ECU, 하나로 합치면 안돼?

그래서 등장한 것이 자동차용 고성능 컴퓨터, HPC라는 개념입니다.  

자동차 티어1 부품 공급기업 콘티넨탈은 HPC 제품군을 세 가지로 나눕니다.
보디 HPC / 콕핏 HPC / AD HPC이고,
담당 영역은 다음과 같습니다.  

보디 HPC = 커넥티비티(연결성)와 보디 콘트롤 기능을 통합하고 사이버 보안을 관장. 애플리케이션 호스트, 커넥티드 서비스, 게이트웨이, OTA, 사이버 보안 마스터.
콕핏 HPC = UX (사용자 경험), 인포테인먼트, 계기판, 증강 현실, 운전석 모니터링.
AD HPC = ADAS, 자율주행.

자동차에서 고성능 컴퓨터, HPC에 기반한 서버 아키텍처의 필요성은 자명합니다.

자동차에서 소프트웨어가 차지하는 비중은
하드웨어와 대등한 수준으로 중요해지고 있습니다. 

10년전 자동차가
하드웨어 85% + 소프트웨어 10% + 콘텐츠 5% 구성이었다면,

수년 후 자동차는
하드웨어 40% + 소프트웨어 40% + 콘텐츠 20%로 체질 변화가 진행되고 있는 것이죠.

일례로, 자동차에서 다수의 편의기능을 제어하는
보디 컨트롤 모듈(BCM)의 경우

2013년에는 9만1000개의 평균 코드라인을 가졌지만
2023년에는 26만5000개의 코드라인을 필요로 한다고 합니다.

게이트웨이 기능을 맡은 ECU도 마찬가지 입니다. 

2013년에는 5만개 코드라인을 가졌지만,
2023년에는 36만개 !!!

그런데,
새로 등장한 보디 HPC는 20만개...200만개...2000만개 코드 라인을 갖습니다.

이렇게 소프트웨어가 중요해지고 있는 상황이
기존 자동차의 전기/전자 아키텍처(EEA)로는 감당 되질 않기 때문에
HPC 도입이 요구됩니다.

복잡한 양의 새로운 소프트웨어를 제어해야 하고,
뭔가가 나올 때마다 업그레이드 및 업데이트를 할 수 있어야 하고...그것도 무선으로...
사이버 보안도 철저해야 하고,
갈수록 늘어나는 프로젝트 참여 업체들이 엮여야 하는데,

내장형 소프트웨어를 포함한 다량의 전자제어장치들로 구성된
기존 분산형 아키텍처는
와이어링 하니스(배선) 복잡하고
확장성도, 표준화도 없어서
기능 추가는 커녕
소프트웨어 하나 업그레이드 하는데도 수십분...

한마디로
미래 모빌리티 개념 실현이 어렵다!

반면 HPC, 고성능 컴퓨터를 서버로 두는 아키텍처는
수많은 개별 ECU를 대체할 뿐 아니라, 인터넷과 온라인 서비스의 지능형 게이트웨이 역할을 합니다.
자율주행 등 여러 가지 복잡한 기능과 외부에서 공급되는 서비스들을 빠른 속도로 처리할 수 있고
스마트폰처럼 계속 업그레이드, 업데이트 가능한 능력을 갖춥니다.

신차를 구입해서 폐차할 때까지
차량의 수명기간 동안 새로운 기능에 대해서
지속적인 업데이트/업그레이드 하는 기능 필수

HPC 플랫폼의 하드웨어는
멀티코어 마이크로프로세서 + 외부 메모리 등 확장 가능한 구성이고,
이더넷과 같은 고속 통신을 지원하며,
다양한 서비스를 차량에서 받아들일 수 있도록
외부 클라우드와 연결될 수 있는 서비스 프로토콜을 지원하는 통신 인터페이스를 갖춥니다.

HPC 플랫폼의 소프트웨어는
/ 하드웨어를 구동할 수 있는 드라이버
/ OS 및 하이퍼바이저 - 클래식 오토사, 리눅스, QNX 등
/ 프레임 워크 - 어댑티브 오토사, 제니비, 자바 등
/ 무선업데이트·보안솔루션· 진단 등 서비스
/ 응용 소프트웨어
...이렇게 앱들을 독립 구동시킬 수 있도록 계층화되어 있습니다.

차량 내 HPC 서버는 자동차의 기능과 복잡도에 따라 2~3개로 구성됩니다.

그리고 서버에는 하부 제어기(단순화된 임베디드 시스템)들이 연결됩니다.

하부 제어기들은 담당 구역의 센서들로부터 신호를 받고
담당 액추에이터들을 물리적으로 구동하는 역할을 맡습니다.

읭? 어째서 서버, HPC가 모든 기능을 직접 수행하지 않지?
혼자 다 할라믄 힘들잖아

자동차에 탑재되는 모든 센서와 액추에이터들을 HPC에 직접 연결하려면
우선 커넥터 사이즈부터 굉장히 커져야 하고
배선 길이, 전체 무게 등이 늘어날 수 밖에 없는 현실적, 물리적 한계가 있기 때문입니다.

그래서 센서, 액추에이터가 연결된 구역별 제어장치를 두고,
이 소규모 구역 장치가 자기 주변 센서에서 정보를 받거나
액추에이터를 구동시키는 역할을 합니다.

HPC는 이들을 제어하기 위한 알고리즘을 돌리고 명령을 전달하지요. 

궁극적으로는 표준화된 인터페이스를 통해 서버와 액추에이터, 센서가 직접 연결돼서
구동되는 구조를 갖게 됩니다.

PC에서 USB 연결을 통해 다양한 기기를 사용하는 것처럼요.
플러그 앤 플레이로~

이를 위해서 자동차제조사, 부품업체, 반도체 업체가 표준화를 논의하고 있습니다.

2025년

이 때를 전후해서 커넥티드카가 보편화 될 것이라고 하는데요.

자동차에 요구되는 컴퓨팅 성능은 지금의 9배 이상이 된다고 합니다.

자동차와 연결된 클라우드 역시 지속적으로 소프트웨어를 업데이트·업그레이드 해야 하고
엣지 컴퓨팅 기술을 제공해야 하기 때문에 많은 컴퓨팅 능력을 필요로 하게 되구요.

2030년

이 때는 자동차와 클라우드에서 필요로 하는 컴퓨팅 능력이 비약적으로 커져
현재의 50배 수준이 됩니다.

복잡한 연산을 수행할 수 있는 고성능 프로세서 기반 컴퓨터, HPC가 지금부터 차량에 도입되는 이유입니다.

지금 자동차 업계는 단순히 자동차를 만들어 파는 구조로부터 서비스 지향으로 전환하고 있지요.

물론 지금도 OTA 기능을 통해 무선으로 내비게이션, 인포테인먼트 시스템을 업그레이드 하는 차량들이 존재합니다만,

사실 현재 아키텍처로는 차량 각 부문의 임베디드 시스템을 업데이트·업그레이드 하기 쉽지 않습니다.

필요로 하는 새로운 서비스들을 클라우드 등으로부터 차량으로 다운로드 해서
기능을 실현 시키기가 거의 불가능한 구조인 것이죠.

반면 HPC는 개방형 소프트웨어 구조를 갖는 서버입니다.

새롭게 개발된 소프트웨어를 커넥티비티를 활용해 업데이트하고
그 기능을 서버에서 빠른 속도로 처리할 수 있기 때문에
자동차가 서비스 지향 아키텍처로 전환하는 환경에 적합합니다.

HPC는 자동차가 서비스지향 아키텍처로 전환하는 환경에서 중심에 선다

폭스바겐은 작년 공개하고 최근 출시한 전기차 ID.3에 HPC를 도입했는데,
콘티넨탈의 HPC가 세계 최초 적용됐습니다.

폭스바겐은 이를 ICAS1, 즉 'In-car Application Server 1'으로 칭하고 있구요.
ID.3뿐 아니라 국내 도입 예정인 ID.4에서도 만날 수 있습니다.

콘티넨탈은 다른 제조사들과도 HPC 적용 차량의 출시를 준비 중이라고 합니다.

자동차의 HPC 아키텍처 도입은
유럽 고급차 브랜드들의 요구로 시작됐습니다.

그리고 앞서 언급한 이유로, 급속도로 많은 제품이 HPC로 전환되리라는 예측입니다.