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THine ARTICLES

자인 일렉트로닉스에 모인 사원들의 열정을 이야기한 칼럼과 스토리, 또,
지금까지 고객이 평가한 솔루션의 일부를 소개합니다.

개발 칼럼

USB나 HDMI, DisplayPort의 고속화가 멈추지 않고, 사용자에게 더 많은 헤택을 제공하지만 전송 거리 단축이 문제

현재, USB나 HDMI, DisplayPort 등의 주변 장치 인터페이스의 고속화가 급속도로 진행되고 있다. 그 배경에는 데이터의 대용량화 등이 있다. 고속화하면 전송 가능한 데이터량이 크게 증가한다. 장점은 매우 크다. 그러나 어플리케이션에 따라서는 고속화로 인하여 과제에 골머리를 썩이는 것이다. 그것은 전송 거리가 짧아지는 것이다. 이번 회에는, 주변 장치 인터페이스의 고속화 현상과 전송 거리의 단축에 따라 발생하는 문제, 그 대처 방법 등에 대해서 해설한다.

고속화가 진행되는 주변 장치 인터페이스

컴퓨터 본체와 그 주변 장치를 연결하는 주변 장치 인터페이스 그 고속화가 급속도로 진행되고 있다(Fig.1).

 
주변 장치 인터페이스에는 여러 종류가 있다. 그 중에서도 대표적인 존재는 「USB(Universal Serial Bus)」이다. 이는 HDD와 SSD, USB 메모리 등의 기억 장치나 키보드/마우스, 프린터 등과의 접속에 사용되는 것이다. 2008년에 규격화된 「USB 3.1 Gen1(원래 명칭은 USB 3.0)」에서는 데이터 전송 속도는 5Gbps였지만, 2013년에 규격화된 「USB 3.1 Gen2」에서는 10Gbps로 단숨에 끌어올렸다.

또, 컴퓨터 본체나 DVD/Blue-Ray 플레이어 레코더, 셋톱 박스 등의 영상 재생 기기와 디스플레이, 프로젝터 등을 연결하는 HDMI(High Definition Multimedia Interface)에서도 고속화의 흐름은 가속화하고 있다. 2013년에 규격화된 HDMI 2.0에서는 데이터 전송 속도가 18Gbps(6Gbps×3Lane)였지만, 불과 4년 후인 2017년에는 HDMI 2.1로 48Gbps(12Gbps×4Lane)로 향상되고 있다.

컴퓨터 본체와 디스플레이를 연결하는 인터페이스에는 DisplayPort도 있다. 이것도 2016년에 책정된 최신 규격 「DisplayPort 1.4」에서 32.4Gbps(8.1Gbps×4Lane)로 향상되고 있다.

데이터량의 증대가 방아쇠

주변 장치 인터페이스의 이러한 고속화 배경에는 데이터의 대용량화가 있다. 예를들면, DSLR 카메라의 화소수는 인기 제품에서는 3000만 화소를, 플래그십 제품에서는 5000만 화소를 넘기 시작했다. 화소수가 증가하면 사진 1장의 화상 데이터 용량이 늘어난다. 5000만 화소의 기종의 경우, RAW 데이터라면 1장에 60M Byte, JPEG로 압축해도 약 17M Byte를 넘어 버린다.

게다가 촬영한 사진이 1장뿐인 경우는 적다. 보통은 여러장의 사진을 찍는다. 경우에 따라서는 수백장을 촬영하는 경우도 있을 것이다. 그렇게 되면 화상 데이터의 총용량은 수 10G Byte에 달하게 된다. 데이터 전송 속도가 480Mbps인 USB 2.0 규격에 준거한 인터페이스를 사용하면, 데이터 전송만으로도 몇시간이 걸린다. 거기서 USB 3.0 Gen1/Gen2가 등장하게 된 것이다.

한편, 디스플레이의 고해상도화도 빼놓을 수 없다. 컴퓨터에서는 WQHD(2560×1140 화소)나 WQXGA(2560×1600 화소)에서 4K(3840×2160 화소)로의 이행이 진행되고 있다. 업무용 디스플레이에서는 4K는 이제 일반적이며, 일부에서는 8K(7680×4320 화소)의 채용이 진행되고 있다. 당연하지만 해상도가 높아지면, 표시되는 데이터량이 증가한다. 그래서 고속 주변 장치 인터페이스의 채용이 필요 불가결하게 된다. 이런 어플리케이션의 요청으로 HDMI 2.1과 DisplayPort 1.4가 등장한 것이다.

고속화로 인한 고민

주변 장치 인터페이스 고속화의 장점은 크다. 사용자의 편리성이 훨씬 높아지기 때문이다. 단, 어플리케이션에 따라서는, 고속화로 인하여 과제에 골머리를 썩이는 것이다. 그 과제는 전송 거리가 짧아 지는 것이다.

예를들어, USB 2.0에서는 5m의 전송 거리를 확보할 수 있었지만, USB 3.1 Gen1에서는 2~3m밖에 전송할 수 없다. 게다가, 전송 거리를 어떻게든 확보하기 위해서, 고주파 성분의 감쇠가 완만한 직경이 굵은 케이블을 사용해야 한다(Fig.2).

 
USB 3.1 Gen1에서는, 직경이 5mm(AWG30)로 비교적 굵은 케이블을 사용하는 것이 일반적인다. 케이블이 굵어지면, 굴곡성을 잃어 잘 휘지 않는 등의 문제가 발생한다.

이러한 전송 거리가 짧아지는 과제는 어플리케이션에 따라서는 치명적인 문제가 된다. 그 대표적인 예가 머신 비전이다. 머신 비전 용도에서는 공장의 생산 라인 등에서 호스트 컴퓨터와 카메라를 접속하기 위해 주변 장치 인터페이스가 사용된다. 기존에 표준적으로 사용되었던 것은 「카메라 링크」이다. 전송 거리는 8~10m로 길었기 때문에, 대부분의 경우에 호스트 컴퓨터와 카메라를 문제 없이 접속할 수 있었다.

그런데, USB3.0 규격을 기초로 사용이 책정된 머신 비전용 인터페이스 규격 「USB3 Vision」은 고속화나 저비용화라는 장점이 있는 한편, 규격 상의 제약 등으로 패시브 케이블에서의 전송 거리는 「카메라 링크」에는 못 미친다. 이 때문에, 경우에 따라서는 케이블의 길이가 부족해서 호스트 컴퓨터와 카메라를 접속할 수 없는 경우가 발생하고 있다. 「머신 비전의 용도에서는 적어도 5m의 케이블 길이가 필요하다는 목소리가 적지 않다. 그러므로, USB3 Vision을 채용할 때는 케이블 길이를 늘리는 노력이 요구된다」(자인 일렉트로닉스).

또, 컴퓨터나 가정용 게임기 등과 접속해서 사용하는 VR/AR 단말(고글)에서도 전송 거리가 짧은 것은 큰 문제가 되고 있다. 사용자가 VR/AR 단말을 장착해서 움직이기 때문이다. 전송 품질을 확보하기 위해서 케이블 길이가 짧아지거나 무거워지면, 사용자의 움직임이 한정된다. 이 때문에 「시장 요구는 길게・가볍게・가늘게를 요구하고 있다」(자인 일렉트로닉스)고 한다. 직경이 가는 케이블을 사용 하면서, 5m를 넘는 전송 거리를 실현해야 한다.

전송 신호가 크게 감쇠한다

주변 장치 인터페이스의 전송 거리가 고속화로 인해 짧아지는 원인은 케이블의 저항 성분(임피던스)에 있다. 임피던스에는 주파수 특성이 존재하고, 그 값은 주파수가 높아질수록 커진다. 고속 주변 장치 인터페이스의 전송 신호에는 높은 주파수 성분(고주파 성분), 이 많이 포함되어 있다. 그래서 전송 신호의 고주파 성분이 크게 감쇠하고(Fig.2), 전송 신호 파형이 열화해 버리는 것이다. 이 때문에, 전송 가능한 거리가 짧아지는 것이다.

이러한 문제를 해결하는 방법의 한가지가 리드라이버 IC의 활용이다. 리드라이버 IC는 주변 장치 인터페이스의 중간에 투입하여 전송 거리를 늘리는 역할을 한다(Fig.3). 
 
둔화된 전송 신호를 수신하고, 감쇠된 신호의 주파수 성분을 증폭하고, 본래의 신호 파형을 재생하여 재전송한다. 즉, 「리브라이브」하는 것이다. 이것을 사용하면 높은 전송 속도는 그대로 전송 거리를 대폭으로 늘릴 수 있다.

이미 자인 일렉트로닉스는, 고속 주변 장치 인터페이스의 전송 거리를 늘리는 용도인 리드라이버 IC 「THCX222R05」를 제품화하고 있다. 게다가, 이 리드라이브 IC를 채용한 패들 카드나 변환 어댑터도 준비하고 있다. 패들 카드나 변환 어댑터를 사용하면, 비교적 간편하게 주변 장치 인터페이스의 전송 거리를 늘릴 수 있다. 다음회(제2회)에서는 우선, 리드라이버 IC의 기술적인 상세에 대해서 소개한다.

(계속)

※각 Fig 보충 설명

Fig.2 USB 케이블에 요구되는 감쇠 특성
USB 케이블 1m당 요구되는 감쇠 특성이다. 주파수가 높아질수록, 케이블이 가늘어질수록 감쇠량은 커진다. AWG28은 직경 0.32mm, AWG30은 직경 0.25mm, AWG32는 직경 0.2mm, AWG34는 직경 0.16mm이다.(AWG는 American Wire Gauge의 약어)

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