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

개발 칼럼

자인의 신호 전송 제품의 역사, 그것은 노트PC용 SerDes IC에서 시작되었다.

1991년에 자인 일렉트로닉스의 전신인 자인 마이크로 시스템 연구소가 설립되었다. 설립 당시는 「반도체 벤처 기업의 기수」로서, 업계에서 큰 주목을 받았다. 그 계기가 된 것은 LVDS 대응 SerDes IC(이후, LVDS SerDes IC로 표기)의 제품화이다. 이것은 많은 컴퓨터 메이커와 TV 메이커에 채용되고, 자인 일렉트로닉스는 큰 비약을 이룬다. 이번에는, LVDS SerDes IC의 개발 배경 및 그 후 제품 전개 등에 대하여 해설한다.

디지털 기기는 그 등장 이후, 항상 처리 성능을 높여 왔다. 예를 들면, 마이크로 프로세서의 연산 성능은 지수 함수적으로 높아지고, 메모리의 기억 용량은 크게 증가하고, 액정 패널의 표시 분해능(화소 수)는 향상되며, 이미지 센서의 촬상 화소 수는 확대 일로를 이루게 된다. 이러한 각 기능의 성능이 높아지면, 이들의 기능을 잇는 신호 배선에는 고속화가 요구된다. 단위 시간에 보내야 하는 데이터량이 증가하기 때문이다.

그런데, 신호 배선의 고속화는 보통 방법으로는 해결이 안 된다. 신호 배선을 흐르는 데이터는 디지털 신호지만, 실제로는 아날로그적인 행동을 하기 때문이다. 신호가 둔해짐으로써 데이터를 올바르게 전송할 수 없거나, 옆에서 흐르는 신호 배선의 데이터와 혼선되거나, 외부에 전자 소음(EMI)을 방사해 버리곤 한다.

이러한 「신호를 올바르게 전송할 수 없다」는 문제는, 1990년대 중반쯤부터 디지털 기기의 개발 현장에서 다발하기 시작했다. 실제로 문제를 해결하지 못 해, 노트북의 출하를 못하게 된 업체도 있었을 정도다. 한 사례로, 노트북용으로 대량 발주한 액정 패널이 문제 발생으로 갈 곳을 잃고, 난처한 액정 패널 메이커가 헐값으로 시장에 투입하여 액정 패널의 시장 단가가 폭락하는 사태가 발생했다.

LVDS가 구세주로

zoom이런 문제를 해결하는 구세주가 된 것이  1995년에 등장한 LVDS 물리층을 사용한 Serializer와 Deserializer, 즉 LVDS SerDes IC이다.

LVDS 물리층은, 진폭이 350mV로 작은 차동 전송 기술이다.(Fig.1)

진폭이 작기 때문에, 전이가 빠르고, 고속 전송이 가능하며, 소비 전력이 낮다. 게다가 차동 방식이기 때문에, 동위상 노이즈를 없애는 동시에 EMI를 감소시킨다. 종래, 사용되었던 TTL/CMOS 레벨의 싱글 엔드(single end) 전송 방식에 비교하면 EMI를 억제하면서, 수십배나 높은 데이터 전송 속도를 낮은 소비 전력으로 얻을 수 있다. 현재, LVDS 물리층의 데이터 전송 속도는, 표준 규격 「ANSI/EIA/TIA-644」에서 최대 655Mbps로 정해져 있지만, 실제로는 수 Gbps의 용도에도 적용되고 있다.

LVDS SerDes IC가 최초에 채용된 것은, 노트북의 그래픽 컨트롤러 IC와 그 액정 패널에 탑재한 액정 컨트롤러 IC를 잇는 영상 인터페이스용 배선이다. 즉, 액정 패널과 본체를 연결하는 「힌지부」를 통한 배선이다. (Fig.2)
 
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채용된 당시의 노트북용 액정 패널의 화소 수는 1024×768 화소(XGA). 색심도는 RGB 각 6bit, Pixel Rate가 65MHz였다. 이 경우, 영상 인터페이스의 데이터 전송 속도는 1.3Gbps에 달한다. 병렬 버스 구성을 채용한 기존의 싱글 엔드(single end) 전송 방식으로는 대응이 어렵다. 거기서 LVDS SerDes IC가 구세주로 등장했다.

zoom1.3Gbps의 영상 인터페이스 신호를 4Lane의 LVDS 신호로 전송하는 것으로 해결했다.(Fig.3)
 
구체적으로, RGB 각 6bit의 영상 데이터와 수직 동기(V) 신호, 수평 동기(H) 신호, D신호의 21bit 분을 3Lane으로 전송하고, 남은 1Lane으로 클럭(Clock) 신호를 보내는 구성이다.

자인의 등장, 그리고 비약

자인 일렉트로닉스가 LVDS SerDes IC를 시장에 투입한 것은 1997년 2월이다. 이것이 노트북과 컴퓨터용 액정 모니터에 다수 채용되었다.

그 당시, 경쟁사도 이미 LVDS SerDes IC를 제품화하고 있었지만, 자인 일렉트로닉스의 제품은 라인업이 풍부했던 데다가,  EMI가 낮고 지터(Jitter) 특성에 뛰어나다는 특징이 있었다. 이러한 점이 평가되어, 일본 내 대형 컴퓨터 메이커에 채용 되었다. 더욱이 그 후,모든 대형 민생기기 메이커의 FPD(flat panel display)에 채용된다. 이것이, LVDS가 자인 일렉트로닉스의 대명사가 된 이유다.

물론 디지털 기기의 고성능화는 멈추지 않는다. 액정 패널의 화소 수는 계속 늘어난다. XGA의 다음은 SXGA(1028×1024 화소), 그 다음은 UXGA(1600×1200 화소), 그 다음은 WUXGA(1920×1200)의 식이다. 색심도도 RGB 각 6bit에서 RGB 각 8bit로의 이행이 당연하게 되었다. 그에 따라, 화상 인터페이스의 데이터 전송 속도는 높아간다.

8B10B 변조 방식을 적용

영상 인터페이스의 고속화와 액정 패널의 대형화가 진행되면, 기존의 LVDS SerDes IC로는 데이터 전송이 어려워진다. 왜냐하면, 데이터 신호와 클럭(Clock) 신호의 동기를 잡기 힘들어 지기 때문이다.

zoom전술한 대로 LVDS SerDes IC에서는, 병렬 버스와 마찬가지로 데이터 신호와 클럭(Clock) 신호를 다른 차동 라인으로 보낸다. 이 때문에, 고속이 될 수록 전송 파형의 둔화와 흐트러짐이 발생하기 쉽다. 패널의 대형화로 케이블이 길어지면, 전송로의 길이 차이가 발생하기 쉽다. 그 결과, 데이터 신호와 클럭(Clock) 신호의 수신 타이밍이 어긋나면, 데이터를 올바르게 전송할 수 없게 된다.

그런데, 데이터 신호와 클럭(Clock) 정보를 1개의 차동 라인으로 전송하는 「임베디드 클럭」 기술이 등장한다. 양쪽을 같은 차동 라인으로 전송하기 때문에, 데이터 전송 속도가 높아져도 데이터와 클럭(Clock)의 수신 타이밍이 어긋나는 것은 논리적으로 일어날 수 없다. 이로써 영상 인터페이스의 고속화에 대응할 수 있게 되었다.

다만, FPD(flat panel display)의 해상도는 1920×1080 화소(HDTV)로 늘어 프레임 속도는 2배속(120fps), 4배속(240fps)으로 높아지고, 해상도는 3860×2160 화소(4K2K)로 확대 되었다. 그 결과, 영상 인터페이스의 전송 속도는 더욱더 고속화가 요구되게 되었다.

그래서, 통신 인프라나 고성능 컴퓨팅 등에서 사용되는 고품질의 데이터 전송 기술인 「8B10B 변조 방식」의 차례가 된 셈이다.(Fig.4)
 
zoom자인 일렉트로닉스는, 이 방식을 도입한 SerDes IC를 「V-by-One® HS」로 명명하고, 2007년에 기술 사양을 공개했다. 그 당시의 데이터 전송 속도는 최대 1Lane 당 3.75Gbps에 달하는 아주 고속이었다.(Fig.5)
 
복수 Lane을 사용하면 데이터 전송 대역을 대폭으로 넓힐 수 있다. 2009년에 제품화한 후, 1920×1080 화소의 HDTV 대응 액션 TV에 2배속과 4배속의 기종이 잇달아 등장. 이로인해 채용이 급격히 많아졌다. FPD(flat panel display) 시장 확대에 한몫한 것이다.

어플리케이션은 영상 전송만이 아니다.

LVDS와 V-by-One® HS의 제품화로 자인 일렉트로닉스는 액정 패널용 인터페이스 IC 업체의 제1인자로서의 지위를 확고히 했다. 현재는, FPD(flat panel display)에만 머무르지 않고, 복합기(MFP), 차량용 영상기기, 감시 카메라, 머신 비전용 카메라 등의 영상 인터페이스에 채용되고 있다.

다만, 여기서 주의해 주길 바라는 것은, LVDSとV-by-One® HS는 결코 영상 인터페이스의 전용 기술이 아니라는 것이다. LVDS도 8B10B 변조 방식도 일반적인 데이터 전송 기술이다. 그러므로, A지점과 B지점을 접속하는 일반적인 고속 인터페이스에도 적용할 수 있다.

그러면, LVDSとV-by-One® HS와 같은 SerDes IC를 어떤 용도로 어떻게 사용하면 전자기기 설계자는 큰 이점을 얻을 수 있을 것인가. 앞으로, 각 SerDes IC에 대하여, 자세하게 해설하겠다.
 

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