비동기 회로기술 동향분석

현대 사회는 스마트폰부터 스마트 TV, 사물인터넷 등과 같은 스마트 기기들로 대변되는 사회이다. 나아가 사용자들은 여러 휴대용 기기들이 더욱더 다양한 서비스를 지원할 것을 기대하고, 이런 기대에 부응하기 위해 기기들은 각기 다른 시스템과 여러 기술을 통해 사용자의 요구를 충족하려 한다. 하지만 이러한 기능 구현을 위해 기기는 점점 더 복잡해져 가고, 소비전력 또한 많아지고 있다.

고성능, 저전력 시스템을 요구하는 현시대는 개발자들로 하여금 새로운 기술개발의 필요성을 끊임없이 요구하였고, 이는 기존의 기기들이 사용하는 동기식 회로(Synch-ronous Circuit)의 한계점을 다시금 생각하도록 하였다.

기존 동기식 회로의 경우 하나의 전역클록(Global Clock)을 사용함으로 인하여 불필요한 전력소비 문제, 클럭 스큐와 같은 동기화 신호문제, 타 기기들의 각기 다른 클록 사용으로 인한 타임 도메인 문제와 같이 여러 문제가 존재하였고, 이러한 문제들은 연구자들로 하여금 기존의 동기식 회로설계에서 비동기식 회로(Asynchronous Circuit)설계로 디지털 회로설계의 패러다임 전환이 요구되고 있다[1].

비동기식 회로의 경우 기존 동기식 회로가 일반적으로 사용하던 전역클록이 아닌 핸드쉐이크 프로토콜(Handshake Protocol)을 사용함으로 전역클록을 전체 시스템에서 제거하는 것을 기본으로 고성능 시스템 구현, 높은 전력 효율을 기반으로 한 저전력 시스템 구현이 용이하다는 장점과 기존 동기회로와는 달리 주변 환경 변화에 대한 강한 내구성 등을 장점으로 갖고 있다.

이러한 장점이 있는 비동기식 회로설계에 있어 국제 비동기식 회로 및 시스템 학회(International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems: ASYNC) [2]-[6]의 경우 매년 개최되는 관련 분야 가장 저명한 학회로 최신 비동기 회로설계 기술에 대한 소개 및 여러 설계 방법론들에 대한 소개가 꾸준히 이루어지고 있다.

본 논문에서는 2011년부터 2015년까지 ASYNC학회에 투고된 20개국, 69개의 기관이 투고한 90편의 논문을 분석, 정리하여 비동기식 회로설계 최신동향에 대한 통계를 제시하고, 비동기식 회로설계 관련 회사와 툴, 상용화 사례를 조사함으로 산업체 적용현황과 향후 비동기식 회로기술 전망을 알아보고자 한다.

ASYNC학회에서 매년 다루는 논문의 주제를 대분류와 소분류로 분류하여 해마다 어떠한 주제가 다뤄지고, 이슈가 되고 있는 기술에 대해 알아보았다. 분류에 사용된 기준은 대분류 4가지와 소분류 13가지로 나누었으며 분류 기준은 기존 동향분석 논문의 분류를 이용하여 비교분석이 용이하도록 하였다[7]. 하나의 논문이 여러 내용을 담을 수 있기에 분류에 있어 필요의 경우 중복을 허용하여 분류하였다.

대분류는 Design, Computer Aided Design(CAD), Design Methodology, Test/Verification, Analysis로 나누어 전반적인 VLSI 시스템 관련 기술을 분류하는 데 어려움이 없도록 하였고, 소분류의 경우 동기 회로와 차별된 비동기 회로설계 특성들을 반영한 13가지 항목으로 나누어 분류하였다. <표 1>은 각각의 분류 기준을 설명한다.

<표 1>

논문 분류 기준

* Communication(Comm)

* Delay Insensitive(DI)

(그림 1, 2)는 각 논문의 대분류 및 소분류별 분포도를 도식화하여 나타냈다.

(그림 1)

대분류 분야별 투고논문 비중

(그림 2)

소분류 분야별 투고논문 비중

분류 기준의 중복성을 고려, 90건의 투고논문을 대분류 기준에 의하여 분류하면 총 98건으로 그중 36건의 논문이 비동기식 회로설계 및 구현을 다룬 Design 분야로 전체 37%를 차지하며 전체 투고논문의 주를 이루었다. 뒤를 이어 새로운 이론이나 증명방법에 대한 Analysis가 21건, 회로설계 방법론과 자동화 툴 flow에 대한 Design Methodology가 18건을 보이며 다소 높은 분포도를 보였다.

반면 회로설계 자동화를 위한 CAD알고리즘 관련 주제와 회로 실험과 검증에 관련된 논문은 상대적으로 낮은 분포를 보였는데, 이 결과는 현재까지 비동기 회로설계에 있어 상용화된 CAD툴 적용의 어려움과 비동기 회로설계에 최적화된 CAD알고리즘 개발의 어려움, 동기회로에 특화된 회로 검증방법의 비동기적 해석에 대한 어려움이 통계결과에 직접적으로 나타난 것이라 생각된다.

투고된 논문을 소분류 기준으로 보았을 때 133건의 논문이 투고되었다. 투고 분야별로는 비동기식으로 설계된 작은 규모의 회로부터 큰 규모의 회로까지 다룬 Case Design이 전체 투고논문의 13%를 차지하며 가장 높은 비중을 보였고, 기존 상용화 툴 연동방법론과 새로운 설계 방법론에 대하여 다룬 Design flow가 12%로 뒤를 이었다.

주목할 만한 논문의 주제로는 저전력 회로의 비동기식 구현을 다룬 Low Power에 대한 논문이 전체 11%를 보이며 상당히 높은 비중을 차지하였는데 이는 기존 비동기식 회로설계 연구동향이 저전력 설계보다 고성능에 집중했던 반면, 현시대의 패러다임이 저전력 시스템을 요구하고 비동기식 회로설계방법이 하나의 해법이 될 수 있음을 보이는 결과라고 생각된다.

또한, Modeling과 Synthesis를 다룬 논문은 각각 10%를 차지하며 지난 동향분석과 비교하였을 때 꾸준한 연구가 진행되고 있음을 알 수 있다. 다음 (그림 3)은 연도별 상위 5개 소분류 분야별 투고논문 비율을 그래프로 표현하였다. 도표에서도 알 수 있듯 저전력 시스템 구현에 대한 이슈는 2012년부터 투고되기 시작하여 꾸준히 성장하고 있는 분야로 보인다.

(그림 3)

상위 5개 분야의 연도별 투고 비율

반면, 다른 4개의 분야는 투고율이 성장과 하락을 반복하며 꾸준한 연구는 지속되고 있지만, 저전력 회로설계와 같이 눈에 띄게 성장하고 있는 분야는 없었다.

설계 방법론과 기존 설계 툴과의 연동에 대한 Design flow에 대한 연구와 상위 수준 언어, 회로의 모델링, formal method modeling을 다루는 Modeling 분야들은 새로운 툴 개발보다는 기존 툴과의 연동에 조금 더 집중되고 있었으나, 기존 툴과의 연동을 위한 새로운 설계구성과 방법, 비동기식 회로설계 방식의 메모리 분야, 전력분야 적용 등에 대한 논의는 꾸준히 이루어지고 있어, 관심을 가지고 지켜보아야 할 분야로 생각된다.

(그림 4)의 경우 상위 5개 분야를 제외한 나머지 8개 분야의 연도별 투고비율을 정리하여 표시하였다.

(그림 4)

상위 5개 분야를 제외한 8개 분야의 연도별 투고 비율

1994년부터 2010년까지의 기존 동향과 비교하였을 때 흥미로운 사실은 비교적 관련 연구활동이 미비하던 Fault-tolerance 분야의 성장이라 할 수 있다. 이는 기존의 동기식 회로의 단점이었던 주변환경(Process, Voltage and Temperature: PVT)변화에 의존성이 비동기식 회로설계를 통해 극복될 수 있다는 점으로 해석되며, 이러한 PVT Variation 안정성은 비교적 환경변화의 폭이 심한 웨어러블 디바이스, 사물인터넷(Internet of the Things: IoT)디바이스 등에 비동기식 회로설계 방식을 적용하여 고신뢰성 프로세서, 혹은 고신뢰성 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 생각된다.

Network on Chip(NoC)의 경우 2000년대 중반부터 꾸준히 성장해 오던 연구분야로 패킷 전송방식에 비동기식 회로의 핸드쉐이크 프로코톨을 적용하여 고속, 고성능 칩 설계를 구현해 왔다. 특히, 2014년 Intel에서 이 기술을 바탕으로 비동기식 고성능 이더넷(Ethernet)스위치-라우터 관련 논문을 발표, 설계된 칩을 상용화하였고, 비동기식 회로설계를 통한 기존 기술의 한계극복이 가능하다는 것을 보여주는 좋은 사례가 되고 있다.

기타 Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS)와 GALS연관 기술이라 할 수 있는 Synchronization, On-Chip Comm 분야의 경우, 기존의 동기식 회로와의 호환, 비동기식 회로의 장점과 동기식 회로의 장점을 상호보완 관계로 적용하려는 움직임이 꾸준히 지속되고 있고, High-performance역시 매년 관련 논문이 투고되며 고성능 시스템에 비동기식 회로설계를 적용하는 연구 역시 지속되고 있음을 알 수 있다.

논문 투고기관 역시 앞서 분류했던 방식과 같이 2, 3 저자가 포함된 기관을 중복하여 분류하여 전체 90편의 논문보다 많은 수인 137편의 논문으로 분류되었다. 2011년부터 2015년까지 ASYNC학회에 논문을 투고한 기관은 대학을 포함한 연구기관이 56곳으로 전체의 81%, 일반 기업의 연구소 및 기업이 13곳으로 19%로 총 69기관에서 다양한 논문이 투고 되었다[(그림 5) 참조]. 통계에서도 알 수 있듯 비동기식 회로설계 방식은 현재까지는 기업체보다 대학이나 연구기관에서 조금 더 활발하게 연구를 진행하는 분야임을 알 수 있다.

(그림 5)

투고 기관별 분류

(그림 6)은 상위 5기관을 도식화하여 표시하였다. Cornell University의 경우 전체 137편의 논문 중 11편을 투고하여 가장 높은 투고율을 보였고 Newcastle University와 University of Southern California가 각 8편씩 투고하며 뒤를 이었다. 브라질의 Potifical Catholic University of Rio Grande do Sul의 경우 최근 2년 사이에 3편과 2편을 투고하며 활발한 연구를 진행하고 있으며, 오스트리아 Vienna University of Technology는 2014년 한해 4편을 투고하였다.

흥미로운 점은 지난 1994년부터 2010년까지 활발하던 기관들의 연구는 주춤해지고 새로운 기관들로부터 활발한 연구가 시작되었다는 점이다.

(그림 6)

상위 5개 투고 기관의 투고율

지난 10여 년간 가장 활발하게 연구를 진행하였던 University of Manchester의 경우 본 논문이 조사를 진행한 2011년부터 2015년간 3편의 논문만 투고하였고, 활발한 연구활동을 보이던 기업체인 Philips의 경우는 지난 5년간 한 건의 논문도 투고하지 않았다.

반면, 상위 투고기관이었던 Cornell University와 Newcastle University, University of Southern Cali-fornia의 경우 여전히 높은 투고 비중을 보이며 최근까지도 활발하게 비동기식 회로설계에 대하여 연구를 진행하고 있음을 확인할 수 있다.

상위 5개 기관의 경우 최근 이슈가 되고 있는 저전력 관련 연구 역시 비교적 높은 투고 비율을 보이며 연구가 진행되고 있음을 알 수 있었다.

논문 투고 국가의 경우 총 20개국, 114편의 논문이 투고되었다(2, 3저자의 국가가 다른 경우 중복을 허용하여 분류하였다). 상위 투고 국가로는 미국이 39편의 논문을 투고하며 전체 투고논문의 34%를 차지하였고, 영국과 프랑스가 각 12편, 11편으로 뒤를 이었다.

(그림 7)은 국가별 논문 투고율을 도식화하여 나타내었다. (그림 8)은 상위 5개 투고 국가의 연도별 투고논문을 표시하였다. 상위 5개국의 투고논문 수는 총 80편으로 전체 114편 중 70%를 웃도는 높은 비중으로 지난 5년간 ASYNC학회의 주류를 이루었다고 할 수 있다.

(그림 7)

국가별 투고 비율

(그림 8)

상위 5개국 연도별 투고 비율

주목할 만한 부분은 과거 활발한 연구활동을 보였던 영국의 관련 학회 활동이 감소하였다는 사실과 과거 연구활동이 미비하던 오스트리아, 브라질이 투고율 상위 5개국에 포함이 되었다는 점이다.

이러한 연구활동의 변화는 관련 동향에 영향을 미칠 수 있는 부분으로 꾸준히 지켜볼 필요가 있을 것으로 생각된다.