ARM, 새로운 로봇은 프로세서에 대한 새로운 사고방식을 요구

ARM, 로봇 산업 혁명 이끌 차세대 컴퓨팅 플랫폼 제시

ARM은 로봇 산업의 혁신적인 변화를 앞두고 있으며, 이를 위한 차세대 컴퓨팅 플랫폼 개발에 박차를 가하고 있습니다. 보스턴컨설팅그룹(BCG)에 따르면, 상업용 및 산업용 로봇 판매량은 향후 10년간 연평균 25%에서 35% 성장하여 2030년에는 2,600억 달러 규모에 달할 것으로 전망됩니다. 이는 제조업, 소매업 등 다양한 산업에서 공급망 효율화, 안전성 강화, 생산성 향상에 대한 수요 증가에 따른 것입니다.

특히 인공지능(AI) 및 첨단 기술의 발전은 더욱 가치 있고 다재다능한 로봇의 등장을 예고하고 있습니다. 기존의 고정 기능/고정 작업 로봇은 컴퓨터 비전 등 기술과의 융합을 통해 생산 과정의 미세한 변화나 품질 편차를 감지할 수 있게 될 것입니다. 또한, 협동 로봇(Cobots)은 인간과 함께 작업하며 섬세한 부품을 다루거나 유지보수 기술자의 '세 번째 팔' 역할을 수행하는 등, 현재와 같이 안전 펜스 뒤에 격리되는 방식에서 벗어날 것입니다. '무인화' 창고 및 생산 시설 운영을 돕는 자율 이동 로봇(AMR) 역시 에너지 절감과 안전성 증대를 위한 핵심 솔루션으로 부상하고 있습니다.

이러한 로봇 산업의 잠재력을 실현하기 위해서는 컴퓨팅 플랫폼의 근본적인 변화가 필수적입니다. 더 복잡한 작업을 수행하면서도 높은 수준의 이중화 및 안전성을 충족하는 강력하고 반응성이 뛰어난 프로세서가 요구됩니다. 또한, 적용 분야가 확대됨에 따라 경제성 또한 중요한 고려 사항이 될 것입니다. 이중화의 필요성 때문에 기존 아키텍처는 구현 비용이 높고 전력 소모가 많은 경향이 있습니다. 로봇의 서비스 수명이 수십 년에 달하는 점을 감안할 때, 로봇 마이크로프로세서는 새로운 작업과 소프트웨어 애플리케이션을 처리할 수 있도록 재프로그래밍이 용이해야 합니다.

안전을 위한 청사진: ISO 13849 PL d Category 3 준수

산업용 로봇은 잠재적인 안전 위험을 방지하기 위해 결함 감지 및 신속한 처리에 대한 안전 견고성을 제공해야 합니다. 이러한 능력은 일반적으로 ISO 13849 PL d Category 3 아키텍처 준수를 통해 입증되며, 현재 업계 관행에서는 모든 안전 관련 기능에 대해 이중 채널을 활용하여 이를 달성합니다. 이중화의 필요성 때문에 PL d Category 3을 충족하는 기존 아키텍처는 안전 기능을 복제하기 위해 서로 다른 보드나 구성 요소를 사용합니다. 그러나 이러한 전략은 구현 비용이 높고 전력 소모가 많다는 단점이 있습니다. 이는 특히 작고 전력 제약이 있는 산업용 로봇의 배포에 있어 어려운 과제를 제기합니다.

이에 ARM은 ISO 13849-1/4 및 IEC 61508-2 가이드라인을 충족하는 관절 로봇 구축을 위한 두 가지 서로 다른 SoC 기반 개념을 논의하는 백서(white paper)를 개발했습니다. 이 백서는 SoC가 PL d Category 3 등급을 충족하기 위해 달성해야 하는 필수 안전 표준 및 절차, SoC 내에서 이중화를 구현하는 방법, 로봇 팔의 움직임 각도를 정확하게 제어하기 위한 SoC 설계 방법, 로봇, 인간, 센서 간의 저지연 통신 링크 구축 방법 등을 개괄적으로 설명합니다.

기존 아키텍처와 비교했을 때, ARM이 제시하는 개념은 PL d Category 3 준수를 위한 안전 견고성 요구 사항을 충족하면서도 소형 폼팩터와 저전력 소비가 필요한 배포에 유망한 솔루션을 제공합니다. 국제 시험, 검사 및 인증 회사인 TÜV SÜD Rail GmbH는 두 가지 시나리오에서 ARM 프로세서의 성능을 평가했으며, 두 시나리오 모두 PL d Category 3에 대한 안전 요구 사항을 충족할 수 있음을 확인했습니다.

첫 번째 시나리오에서는 ARM Cortex-A53, ARM Cortex-A76 또는 ARM Cortex-R82와 같은 ARM 프로세서 기반 SoC 아키텍처를 사용하여 로봇이 다른 로봇 또는 인간과 협력하는 경우를 분석했습니다. 이중화는 두 개의 프로세서 코어를 활용하여 달성됩니다. 이 아키텍처는 기존 로봇 설계와 유사하며, ARM 기반 프로세서로 전환하는 제조업체는 기존 소프트웨어 스택의 상당 부분을 유지할 수 있습니다.

두 번째 시나리오에서는 듀얼 코어 잠금 기능(dual-core lockstep)을 갖춘 단일 Cortex-A 코어에서 실행되는 두 개의 분리된 가상 머신을 통해 듀얼 채널 이중화를 달성합니다. A 코어는 작동 관련 기능 및 로봇 통신 처리를 담당합니다. 상대적으로 성능이 낮은 M 클래스 코어는 메인 프로세서의 감독 역할을 수행하며, 위험 이벤트 감지 시 메인 프로세서를 안전 상태로 전환하도록 관리합니다. 이 두 번째 개념은 레거시 구현에서 소프트웨어 스택 이식성이 문제가 되지 않는 완전히 새로운 배포에 최적입니다. 또한, 가상화를 기반으로 하므로 클라우드 네이티브 배포와 같은 트렌드와도 일치합니다.

최신 기술 대비 일반적인 이점으로서, 두 가지 개념 모두 소형 폼팩터를 유지하면서도 더 높은 전력 효율성을 갖춘 로봇 배포를 가능하게 합니다.

통합을 통한 가치 증대: 자동차 산업의 혁신에서 배우다

로봇 공학의 발전 속도와 범위는 어느 정도일까요? 자동차 산업의 사례에서 이를 유추해 볼 수 있습니다. 최근까지 자동차 디지털 플랫폼은 대부분 독립적인 마이크로컨트롤러 네트워크를 기반으로 했습니다. 과거에는 자동차 제조업체들이 차량에 탑재된 마이크로프로세서의 수를 자랑거리로 삼았습니다. 그러나 지난 몇 년간, 여러 기능을 관리할 수 있는 더 크고 강력한 프로세서인 '구역별 프로세서(zonal processors)'로 전환하는 추세가 나타났습니다. 이러한 구역별 SoC는 종종 CPU, GPU, 전용 이미지 프로세서, 실시간 프로세서를 결합하여 성능과 에너지 효율성을 향상시킵니다. 또한, 하드웨어적으로 강화된 파티션은 엔터테인먼트 및 내비게이션과 같은 기능과 중요한 기능을 동일한 칩에 통합할 수 있도록 합니다. 표준화 노력 또한 자동차 산업과 광범위한 소프트웨어 산업 간의 긴밀한 협력을 촉진했습니다. 차량당 프로세서 수는 줄어들 수 있지만, 단일 차량 내 코드 라인 수와 자동차 디지털 플랫폼의 전반적인 기능 및 성능은 폭발적으로 증가할 것으로 예상됩니다.

로봇은 자동차와 많은 유사점을 공유합니다. 실시간 처리가 필수적이며, 고려해야 할 변수와 입력의 수는 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 제조업체는 미래 애플리케이션 및 서비스를 위한 경로를 구축하는 동시에 안전을 절대 타협하지 않도록 보장해야 합니다. 또한, 하드웨어 및 소프트웨어 공급업체는 종종 엄격한 열, 부피 및 경제적 제약 내에서 작업해야 합니다. 업그레이드 가능성 또한 매우 중요합니다. 제품은 최신 기능을 갖추고 20년 이상 작동할 수 있어야 합니다.

로봇 회사와 그 고객들은 역사적인 전환점에 서 있습니다. ARM은 정적이고 고정된 기능의 로봇 세계에서 벗어나, 경제의 변화하는 요구에 부응할 수 있는 더욱 유연하고 다재다능한 공장을 구축할 수 있도록 지원하는 컴퓨팅 플랫폼 개발에 전념하고 있습니다. 이 백서는 ARM이 취하는 여러 단계 중 하나입니다. 로봇 공학에 관심이 있다면 ARM에 문의해 주시기 바랍니다. ARM 기반 SoC로 구축된 로봇의 안전 개념에 대한 백서는 여기서 다운로드할 수 있습니다.