ARM, 수십억 개의 배터리 없는 Arm 기기?

ARM, 30주년 맞아 '배터리 없는' 초저전력 컴퓨팅 기술 공개 ARM이 창립 30주년을 맞아 센서부터 스마트폰, 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 1800억 개 이상의 ARM 기반 칩 출하라는 엔지니어링 성과를 기념했습니다. ARM의 성공은 와트당 최고 성능을 제공하는 데 헌신한 결과입니다. 특히, 극도로 제한적인 초저전력 에너지 기기 분야에서 ARM 팀은 상당한 연구 개발을 진행해 왔습니다. 올해 초, ARM은 DARPA N-ZERO 프로그램의 일환으로 서브스레시홀드(sub-threshold) MCU 프로토타입을 개발했습니다. 원격으로 배치되는 센서의 경우, MCU는 배터리 수명을 극대화하기 위한 매우 낮은 수면 전력, 희귀 센서 이벤트를 포착하기 위한 결정론적 실시간 응답, 그리고 유용한 워크로드를 실행할 수 있는 충분한 컴퓨팅 및 메모리 성능을 갖춘 에너지 효율적인 작동이 필요합니다. ARM의 M0N0 프로세서는 대기 모드에서 놀라울 정도로 낮은 10나노와트(nW)를 소비하며, 활성 애플리케이션에 따라 20~60마이크로와트/MHz로 증가합니다. ARM의 Simon Segars는 최근 블로그에서 단일 30mAh 버튼 셀 배터리로 M0N0 SoC를 이론적으로 340년 동안 구동할 수 있다고 언급했습니다. 물론 실제로는 누설 전류로 인해 배터리 수명이 훨씬 짧아질 것입니다. 배터리는 유한하며, 리튬과 같은 반응성 금속 또한 마찬가지입니다. 전기차(EV) 시장의 성장으로 인해 리튬 채굴량은 2025년까지 세 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 최근 가격이 하락했지만, 생산 비용은 여전히 기기의 설계와 기능을 좌우할 만큼 높을 수 있습니다. 또한, 배터리 제조량의 급증은 잠재적인 환경 영향을 야기할 수 있으며, 수십억 개의 기기가 지구 환경을 희생시키는 결과를 초래해서는 안 됩니다. 이러한 미래 사물인터넷(IoT) 기기를 위한 더 나은 전력 공급 방안을 모색하던 ARM 팀은 대체 에너지원 연구에 착수했습니다. 무선뿐만 아니라 배터리 없이도 작동하는 프로그래밍 가능한 기기를 만들 수 있을지 의문을 품었고, 이는 'Project Triffid'라는 이름으로 결실을 맺었습니다. 배터리 없는 ARM 기기: 새로운 차원의 저전력 컴퓨팅 현재 시장에는 태양광 또는 블루투스 저에너지(BLE) 비콘과 같은 배터리 없는 장치가 약 20달러에 판매되고 있지만, 많은 잠재적 응용 분야에서는 여전히 비싼 가격입니다. ARM은 광범위한 컴퓨팅 잠재력을 완전히 발휘하기 위해서는 생산 비용이 몇 센트에 불과한 컴퓨터를 만들어야 한다고 믿습니다. 비용을 대폭 절감하고 기기 수명을 연장함으로써, 보안 및 스마트 센서의 실용적인 응용 분야에 대한 진입 장벽을 낮추고, 현재 상상할 수 있는 것보다 더 많은 응용 분야에 고급 저전력 컴퓨팅의 이점을 제공할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 가장 저렴하고 널리 퍼진 장치 중 하나이자 Project Triffid의 시작점이 된 것은 RFID 태그입니다. 수동형 RFID 태그는 전 세계적으로 수십억 개가 존재하며 신용카드, 자동차, 심지어 애완동물에도 사용됩니다. 또한 산업 전반에 걸쳐 광범위한 응용 분야에 활용됩니다. 수동형 RFID는 배터리를 포함하지 않고, 태그를 읽는 장치에서 발생하는 전자기 에너지를 수확합니다. 정보를 수신하고 저장할 수는 있지만, 요청 시 정보를 제공하는 것 외에는 아무것도 할 수 없는 '멍청한' 장치입니다. 계산형 RFID: 지속 가능한 기기를 향한 거대한 도약 ARM의 Project Triffid는 이러한 한계를 극복합니다. 이론적으로, 무선 전력과 무선 데이터를 동시에 관리할 수 있는 초저전력 또는 배터리 없는 MCU를 RFID 태그에 내장하는 것이 가능합니다. 이를 통해 태그는 정보를 캡처하고 저장할 뿐만 아니라, 데이터를 압축하거나, 추세를 분석하거나, 이상 징후를 감지하는 등 정보를 활용할 수 있게 됩니다. 이러한 방식으로 적용되는 계산형 RFID(CRFID)는 수십억 개의 지속 가능한 ARM 기기 구현을 향한 거대한 발걸음이 될 수 있습니다. 환경에서 수확한 에너지를 활용하여 간헐적으로 전원이 공급되는 컴퓨터는 수십 년 동안 유지 보수 없이 원격지의 물체를 모니터링할 수 있습니다. CRFID 시스템은 천장이나 드론에 장착된 리더기에서 방출되는 무선 주파수 에너지를 활용하며, 다른 에너지 수확 시스템이 실패할 수 있는 환경에 배치하기에 적합합니다. 이러한 시스템을 개발하는 것은 특히 엄격한 제약 조건 하에서는 결코 간단하지 않습니다. ARM은 오버헤드를 최소화하고 가동 시간을 최대화하기 위해 리더기로부터 10미터 범위의 시스템을 목표로 하지만, 이는 약 1마이크로와트(uW)의 전력 예산으로 이어질 수 있습니다. ARM은 이 수준에서 작동할 수 있는 배터리 기반 시스템을 구축했지만, 배터리가 안정적이며 초당 수백 번 발생할 수 있는 불규칙하고 무작위적인 전력 실패에 대처할 필요가 없다는 점을 알고 있었습니다. Project Triffid와 같은 배터리 없는 ARM 기기에서 이러한 간헐성을 완화하기 위해, ARM은 이를 감지하는 회로, 적절하게 반응하고 적응할 수 있는 소프트웨어, 그리고 작업 진행 상황을 유지하기 위한 비휘발성 메모리를 개발해야 합니다. 이 모든 것을 1uW 예산을 초과하지 않으면서 말입니다. ARM은 이 분야에서 상당한 진전을 이루고 있는 연구팀들이 있다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어, ARM은 안테나 및 시뮬레이터 분야에서 사우샘프턴 대학교와 협력하고 있으며, 이 대학은 수년간 간헐적 컴퓨팅 분야를 연구해 왔습니다. 또한 인상적인 연구 결과를 발표하는 동시에, Arm Mbed 지원을 기술에 추가하여 트랜지언트 컴퓨팅의 응용 범위를 넓히고 있습니다. 이러한 노력은 올바른 방향으로 나아가고 있지만, 경제적인 배터리 없는 ARM 기기를 현실화하는 데 필요한 모든 구성 요소를 통합한 완전한 시스템은 아직 등장하지 않은 것으로 파악됩니다. 광범위한 잠재적 사용 사례 ARM은 Project Triffid 기술이 우리의 일상생활뿐만 아니라 주변 세계에도 긍정적인 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있다고 강력히 믿습니다. 제약 없이 원하는 만큼 오래 지속되는 진정한 스마트 태그를 어디에나 배치할 수 있다고 상상해 보십시오. Project Triffid의 잠재적 사용 사례는 방대하며, 특히 부패하기 쉬운 상품 분야에서 두드러집니다. Project Triffid 태그는 빛이나 온도 센서를 사용하여 상품이 잘못 보관되었는지 여부를 보고할 수 있습니다. 플라스틱 칩 연구의 일환으로 탐구하고 있는 '전자 코' 기술과 결합하면, Project Triffid는 소매 식품 포장에 사용되어 식품이 섭취하기에 안전한지 경고하는 데 사용될 수도 있습니다. 이러한 응용 분야는 식품이 소비되면 종료되지만, 다른 응용 분야는 제품의 전체 수명 주기에 걸쳐 확장됩니다. 예를 들어 스마트 운동화를 생각해 보십시오. 내장된 CRFID 칩은 공급망을 개선하여 최소한의 마찰로 올바른 신발을 올바른 고객에게 효율적으로 전달할 수 있습니다. 사용자는 장치를 제거하고 재충전할 필요 없이 걸음걸이나 활동 수준에 대한 데이터를 얻을 수 있습니다. 그리고 운동화의 수명이 다하면, 제조업체로 재료를 반환하고 각 구성 요소의 최적 재사용을 보장하여 지속 가능성을 개선하고 순환 경제를 향해 나아가는 데 도움이 될 수 있습니다. 동일한 배터리 없는 ARM 기기는 제조업체에 개인 정보 보호를 유지하는 사용량 데이터를 거의 또는 전혀 인간의 상호 작용 없이 전송하여 향후 설계를 개선할 수 있습니다. Project Triffid를 통해 이전에 '멍청한' 객체는 제품 및 프로세스를 이해하고 최적화하는 유용한 도구로 변환될 수 있습니다. 배터리 없는 ARM 기기에 대한 잠재적 응용 분야는 매우 많으며, 배포 가능한 임베디드 장치입니다. 하지만 ARM은 업계, 즉 실제 세계의 문제를 다루는 사람들이 이 기술을 유용하게 적용할 수 있는 방법을 알려주어 진정한 변화를 만들 수 있는 것을 창조하는 데 도움을 주기를 바랍니다. Project Triffid의 다음 단계 ARM 팀은 지난 몇 달 동안 첫 번째 테이프아웃(tape-out) 마일스톤에 도달하기 위해 열심히 노력했으며, 현재 첫 번째 28nm 칩 세트를 테스트하고 있습니다. 프로젝트를 다음 단계로 발전시키기 위해 ARM은 MRAM 통합을 가능하게 하는 22nm 공정으로 다음 반복 칩을 테이프아웃할 계획입니다. ARM은 생태계 개발을 촉진하고 저렴한 배터리 없는 ARM 기기를 현실화하는 데 도움이 되도록 결과를 발표할 예정입니다. 앞으로의 행보를 주목해 주시기 바랍니다.