2016년 12월 16ZS1710-01-7301P
판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC
융합 플랫폼 개발
Pangyo TechnoValley Related Open SW-SoC Convergence
Platform Development
인 사 말 씀
본 보고서는 2016년 한국전자통신연구원이 주관하여 수행한『판교테크노밸리 연계
개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발』과제의 1차년도 연구 수행 결과이다.
판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발 최근에 사물인터넷 (IoT;
Internet of Things) 기술의 발달 및 보급에 따라서 관련 기술을 이용한 제품 및
서비스 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 판교 테크노밸리 중심의
지역 연계를 통해 IoT 기술의 핵심인 IoT 게이트웨이를 중심으로 SW-SoC 개발에
필요한 개방형 가상화 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 하고 있으며, 1차년도
연구에서는 기본 구조의 IoT 게이트웨이용 가상화 플랫폼을 설계하였고, 이를 활용한
IoT 응용 서비스 기술을 연구하였다. 본 연구는 IoT 단말의 핵심요소인
저전력/저가격의 요구조건을 만족하면서, 손쉽게 응용 서비스를 개발할 수 있는 지역
연계 수요자 기반의 개방형 SW-SoC 플랫폼을 개발하는 것이다. 본 과제의 연구
결과를 활용하여 IoT 기술의 발전과 관련 제품 및 서비스의 발굴로 지역 전략 산업
생태계 및 해당 산업이 크게 성장할 수 있기를 기대한다.
2016년 12월
한국전자통신연구원 원장 이 상 훈
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제 출 문
본 연구보고서는 주요사업인 "판교테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼
개발"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다.
2016년 12월
연구책임자 : 책임연구원 조한진 (서울 SW-SoC 융합 R&BD 센터)
연구참여자 : 책임연구원 김원종 (SW-SoC 개방형플랫폼실)
선임연구원 박기혁 (SW-SoC 개방형플랫폼실)
위촉연구원 이형로 (SW-SoC 개방형플랫폼실)
위촉연구원 이효찬 (SW-SoC 개방형플랫폼실)
요 약 문
Ⅰ. 제 목
판교 테크노밸리 연계 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 개발
Ⅱ. 연구목적 및 중요성
○ 아이디어만 있으면, HW 의존성 없이 빠르게 제품개발의 가능성을 확인할 수 있는 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 ○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 플랫폼 개발에 적용하여 기능 및 성능을 검증한 후에 관련 유사 응용 기술에 적용을 추진 ○ 향후에 필요한 핵심 공통 IP 및 응용 플랫폼 기술을 개발하여 판교 테크노밸리 중심으로 SW-SoC 융합 기술 산업 활성화 및 경쟁력 제고에 기여하고자 함 <제안기술 개념도>Ⅲ. 연구내용 및 범위
○ IoT 게이트웨이용 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼 기술 개발- 빠르고 융통성 있는 개방형 SW-SoC Architecture 구성으로 조기에 eSW 및 응용 SW 개발 환경 제공
- Fast untimed/approximate-timed simulation 기술 개발
- 다양한 CPU, 다양한 수준의 IP 적용, 융통성 있는 SW-SoC 검증 환경 제공 ○ 개방형 SW-SoC 응용 플랫폼 개발
- 4 - - Linux, Android 등 다양한 OS 제공을 위한 플랫폼 구조 개발 - 응용 분야에 따른 HW 확장과 SoC 개발을 위한 플랫폼 개발
Ⅳ. 연구결과
○ 기본 구조의 SW-SoC 가상화 플랫폼 ○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 응용 플랫폼 ○ 연구시제품 : 2 건 ○ 소프트웨어 : 1 건 ○ 부품설계 : 1 건 ○ 논문 : 2 건 ○ 기술문서 : 8 건 ○ 특허 출원 : 1 건Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 개발 플랫폼으로 활용 - 표준 적용 IoT SW 추가로 기본 IoT 게이트웨이 기능 지원 - 간단한 IoT 시범 서비스 개발에 활용 - 다양한 IoT 응용 시스템 개발에 활용 ○ IoT 게이트웨용 SW-SoC 응용 플랫폼으로 활용 - 응용 및 서비스 시스템 개발 - IoT 게이트웨이용 SW 개발에 활용 - Security가 강화된 IoT 게이트웨이 시스템 개발에 활용Ⅵ. 기대성과 및 건의
○ 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼 구축을 통해 다방면의 산업에 적용 및 융합을 지원하는 ICT 에코 시스템 구축 ○ ICT용 SoC 응용분야 시장 창출등 다양한 신산업 창출이 가능 ○ 지역산업과 연계된 시스템 반도체산업의 지속적인 성장 및 선진화에 기여ABSTRACT
Ⅰ. TITLE
Pangyo TechnoValley Related Open SW-SoC Convergence Platform Development
Ⅱ. THE OBJECTIVES
○ Detailed planning of Open SW-SoC virtual platform development for verification of tentative products from idea without developing hardware products
○ After verification of the virtual platform for the functions and performance of the developed SW-SoC virtual platform for IoT gateways, we will apply the platform for other applications.
○ After developing common core IPs and application platforms, we will help small and medium companies around Pankyo Technovalley developing SW-SoC convergence products.
<Concept of the Proposed Technology>
Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY
○ Development of open SW-SoC virtual platform technology for IoT gateway
- Fast and flexible open SW-SoC Architecture configuration which enables early development environment of embedded software and application software
- Development of fast untimed/approximate-timed simulation technology
- Development of flexible SW-SoC verification environment which can use various CPUs, IPs ○ Development of open SW-SoC application platform
- Development of utilization environment for various HW IPs such as communication and sensor necessary for application platform
- 6 -
- Development of platform structure for providing various OS such as Linux and Android - Development of platform for HW expansion and SoC development for various application
fields
Ⅳ. RESULTS
○ Development of SW-SoC virtual platform with basic architecture for IoT gateways ○ SW-SoC application platform for IoT gateways
○ Research prototype : 2 ○ Software : 1 ○ Component design : 1 ○ Papers : 2 ○ Technical documents : 8 ○ Patent : 1
Ⅴ. PLAN TO UTILIZE R&D RESULTS
○ Developed SW-SoC virtual platform can be used as SW-SoC development platform for IoT gateway
- Support IoT gateway function with software compatible with IoT service standard - Use to develop simple IoT pilot services
- Use to develop various IoT application systems
○ Developed SW-SoC virtual platform can be used as SW-SoC application platform for IoT gateway
- Development of application and service systems - Use to develop SW for IoT gateways
- Use to develop security-enhanced IoT gateways
Ⅵ. EXPECTED RESULT & PROPOSITION
○ Presented open SW-SoC convergence platform can contribute to building an ICT ecosystem to support convergence and application to various industries.
management, medical and healthcare, etc. in the field of ICT.
○ Presented open SW-SoC convergence platform can contribute to continuous growth and advancement of semiconductor industry related to local industry.
- 8 -
CONTENTS
CHAPTER 1. Introduction ... 18
SECTION 1. Background ... 18
1. Objective and Necessity ... 18
A. Objective ... 18
B. Necessity ... 19
2. Trends of Domestic and Foreign Industry ... 22
A. Trends of Domestic and Foreign Industry ... 22
B. Domestic and Foreign Market Trends ... 24
3. Trends of Technological Standardization ... 25
A. Technological Trends and Forcast ... 25
B. Trends of Standardization and Forcast ... 30
SECTION 2. Research Objective ... 30
1. Qualitative Objective ... 30
2. Quantitative Objective ... 30
SECTION 3. Content and Scope ... 31
CHAPTER 2. Main Subject ... 32
SECTION 1. Analysis of Key Technologies ... 32
1. IoT Gateway Technology ... 32
A. IoT Concept ... 32
B. Overview of IoT Gateway ... 32
C. Function and Architecture of IoT Gateway ... 35
D. IoT Gateway Development Situation ... 38
2. SW-SoC Virtual Platform Technology ... 47
A. Imperas OVP ... 48
B. QEMU ... 49
SECTION 2. Summary of R&D Results ... 51
1. Qualitative Research Results ... 51
2. Qantitative Research Results ... 52
A. Performance Goal Achievement ... 52
B. Qantitative Research Achievement ... 52
SECTION 3. Details of R&D Results ... 55
1. Definition of Requirements for SW-SoC Virtual Platform ... 55
2. Design of Virtual Platform for IoT Gateway ... 57
A. Development Environment of Virtual Platform ... 57
B. OVP Virtual Platform ... 58
C. Design of Virtual Platform for IoT Gateway ... 60
3. Design of Software Platform for IoT Gateway ... 72
A. Functional Architecture of oneM2M Standards ... 72
B. Structure of Gateway in oneM2M Standards ... 72
C. Structure and Function of Common Platform for Gateway ... 73
E. Implementation of SW Platform for IoT Gateway ... 76
4. Design of Hardware Platform for IoT Gateway ... 77
A. oneM2M Standards-compliant IoT System ... 77
B. Implementation of IoT Gateway using Raspberry Pi ... 78
C. Implementation of SW Platform for IoT Gateway ... 78
5. Development of Application/Service Technologies for IoT Gateway ... 81
A. Development of Test IoT Terminal Device ... 81
B. LED Lamp Control ... 82
C. Audio Device Control ... 86
D. Temperature/Humidity Sensor Control ... 87
CHAPTER 3. Research Promotion System and Strategy ... 88
CHAPTER 4. Conclusion ... 89
- 10 -
TABLE CONTENTS
Table 1. IoT Units Installed Base by Spending Center, Category (Gartner
2015.10) ... 24
Table 2. Key Features of LS1021A ... 39
Table 3. Key Features of Dell Edge Gateway Model 5000 and 5100 ... 42
Table 4. Key Features of GB-BXBT-3825 ... 43
Table 5. Key Features of mbed IoT Gateway ... 45
Table 6. Key Features of Apio Dongle ... 46
Table 7. Key Features of 6LoWPAN IoT Gateway ... 47
Table 8. Comparison of Virtual Platform Development Tools ... 57
Table 9. Comparison of Specifiations of Major IoT Gateway Products .... 60
Table 10. Hardware Specification of Virtual Platform for IoT Gateway .. 61
Table 11. Dhrystone Benchmark Results for Single-Core (MIPS) ... 67
Table 12. Fibonacci Benchmark Results for Dual-Core (MIPS) ... 67
Table 13. Dhrystone Benchmark Results for Quad-Core (MIPS) ... 67
FIGURE CONTENTS
Figure 1. Concept of Proposed Technology ... 18
Figure 2. Market Trends of SoC ... 21
Figure 3. Distribution of SoC Companies ... 22
Figure 4. Hype Cycle for IoT Technologies (Gartner 2015.7) ... 23
Figure 5. Concept of IoT Gateway ... 33
Figure 6. Example of Various IoT Protocols ... 33
Figure 7. Example of IoT Gateway Communicaiton Methods ... 34
Figure 8. Communication Data Flow through IoT Gateway ... 35
Figure 9. Position of Gateway in IoT Network ... 36
Figure 10. IoT Gateway functional model ... 36
Figure 12. Conversion of Protocol at IoT Gateway ... 37
Figure 13. Software Architecture of IoT Gateway ... 38
Figure 14. LS1021A - IoT Gateway Reference Design ... 39
Figure 15. Block Diagram of QorlQ LS1021A ... 40
Figure 16. IoT Gateway Reference Design Board ... 40
Figure 17. QORIO LS1021A-IoT Gateway System Block Diagram ... 41
Figure 18. Dell Edge Gateway 5000 Series ... 41
Figure 19. GB-BXBT-3825 ... 43
Figure 20. Wind River Linux Based Intel IoT solution ... 44
Figure 21. Concept of mbed IoT Gateway ... 44
Figure 22. mbed IoT Gateway Board ... 45
Figure 23. Apio Dongle ... 45
Figure 24. IoT Gateway using Raspberry Pi2 and Apio Dongle ... 46
Figure 25. 6LoWPAN IoT Gateway ... 46
Figure 26. Methodology of Virtual Platform based SoC Development ... 47
Figure 27. OVP Virtual Platform ... 48
Figure 28. Architecture of OVP Virtual Platform ... 59
Figure 29. Virtual Platform Architecture for IoT Gateway ... 63
Figure 30. Screenshot of Running Raspbian in Virtual Platform ... 68
Figure 31. Screenshot of Raspbian GUI in Virtual Platform ... 69
Figure 32. Architecure of Serial-to-socket Conversion for Wireless
Communication Interface ... 69
Figure 34. Bluetooth UART-USB Dongle Module ... 70
Figure 35. WiFi UART-USB Dongle Module ... 70
Figure 35. Architecture of Wireless Communication Interface in Virutal
Platform ... 71
Figure 36. Wireless Connection between IoT Gateway Virtual Platform and IoT
Device ... 71
Figure 37. Functional Architecture in the OneM2M Standard ... 72
Figure 38. Node Architecture Model in the OneM2M Standard ... 72
Figure 39. Common Platform Architecture in the OneM2M Standard ... 74
Figure 40. Network Architecture in the OneM2M Standard ... 75
- 12 -
Figure 42. IoT System Architecture in the oneM2M Standard ... 77
Figure 43. IoT Gateway Implemented with Raspberry Pi ... 78
Figure 44. Eclipse-based Development Environment ... 79
Figure 45. SW to Be Developed to Apply the OneM2M Standard ... 79
Figure 46. Plug-in using JNI ... 80
Figure 47. Block Diagram of Lamp sample ... 80
Figure 48. Configuration of IoT Gateway Test ... 81
Figure 49. Test Results of IoT Gateway ... 81
Figure 50. Lamp Control System Architecture using IoT Gateway ... 82
Figure 51. LED Control of Virtual Platform with Bluetooth Interface ... 83
Figure 52. LED Control Status of Raspberry Pi Connected to Bluetooth Device
... 83
Figure 53. WiFi/Bluetooth Lamp Control of IoT Gateway Hardware Platform 84
Figure 54. RGB Lamp Control with IoT Gateway ... 85
Figure 55. RGB Lamp Control System ... 85
Figure 56. Audio Device Control System using IoT Gateway ... 86
Figure 57. Audio Device Control System ... 86
목 차
제１장 서 론 ... 18
연구 배경 ... 18
제１절
1. 연구 목적 및 필요성 ... 18
가. 연구 목적 ... 18
나. 연구 필요성... 19
2. 국내외 산업 및 시장 동향 ... 22
가. 국내외 산업동향 ... 22
나. 국내외 시장동향 ... 24
3. 기술 및 표준화 동향 ... 25
가. 국내외 기술동향 및 전망... 25
나. 표준화 동향 및 전망 ... 30
연구 목표 ... 30
제２절
1. 정성적 목표 ... 30
2. 정량적 목표 ... 30
연구 내용 및 범위 ... 31
제３절
제２장 본 론 ... 32
제１절 주요 기술 분석 ... 32
1. IoT 게이트웨이 기술 ... 32
가. IoT 개념 ... 32
나. IoT Gateway 의 개요 ... 32
다. IoT Gateway 의 기능 및 구조 ... 35
라. IoT Gateway 개발 현황 ... 38
2. SW-SoC 가상화 플랫폼 기술 ... 47
가. Imperas 사의 OVP ... 48
나. QEMU ... 49
제２절 연구결과의 요약 ... 51
1. 정성적 연구결과 ... 51
2. 정량적 연구결과 ... 52
가. 연구결과 정량적 성능 목표 달성도... 52
나. 정량적 연구 성과 ... 52
연구결과의 세부 내용 ... 55
제３절
1. SW-SoC 가상화 플랫폼 요구 사항 정의 ... 55
2. IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼 설계 ... 57
가. 가상화 플랫폼 개발 환경... 57
나. OVP 가상화 플랫폼 ... 58
다. IoT 게이트웨이용 가상화 플랫폼 설계 ... 60
3. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 설계 ... 72
가. OneM2M 표준의 기능 구조 ... 72
나. OneM2M 표준 게이트웨이 구성... 72
다. OneM2M 표준 게이트웨이 공통 플랫폼의 구성 및 기능 ... 73
라. OneM2M 게이트웨이 SW 플랫폼 사양 ... 74
마. IoT 게이트웨이 SW 플랫폼 구현 <UR.F08, UR.F10, UR.F13> ... 76
- 14 -
가. oneM2M 표준 IoT 시스템 ... 77
나. Raspberry Pi 를 활용한 IoT 게이트웨이 구성 ... 78
다. IoT 게이트웨이를 위한 SW Platform 구성 ... 78
5. IoT 게이트웨이 응용/서비스 기술 개발 ... 81
가. IoT 게이트웨이를 이용한 LED Lamp 제어 ... 81
나. 오디오 제어... 86
다. 온/습도 센서 제어 ... 87
제３장 연구개발결과의 활용계획 ... 88
제４장 결 론 ... 89
표목차
표 1. 소비 영역별 IoT 유닛 설치 개수 전망 (Gartner 2015.10) ... 24
표 2. LS1021A 주요 특징 ... 39
표 3. Dell Edge Gateway Model 5000 과 5100 의 주요 특징 ... 42
표 4. GB-BXBT-3825 주요 특징 ... 43
표 5. mbed IoT Gateway 주요 특징 ... 45
표 6. Apio Dongle 주요 특징 ... 46
표 7. 6LoWPAN IoT Gateway 주요 특징 ... 47
표 8. 가상화 플랫폼 개발 툴들의 특징 비교 ... 57
표 9. 주요 IoT 게이트웨이 제품 사양 비교 ... 60
표 10. IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼의 하드웨어 사양 ... 61
표 11. 단일 코어 Dhrystone 벤치마크 결과 (MIPS) ... 67
표 12. 이중 코어 Fibonacci 통신 벤치마크 결과 (MIPS) ... 67
표 13. 4 중 코어 Dhrystone 벤치마크 결과 (MIPS) ... 67
표 14. 구조별 벤치마크 성능 결과 (MIPS) ... 68
- 16 -
그림목차
그림 1. 제안기술 개념도 ... 18
그림 2. 시스템 반도체 및 팹리스 시장 동향 ... 21
그림 3. 시스템 반도체 기업의 분포: 서울 경기 지역이 85.5% ... 22
그림 4. IoT 관련 기술의 하이프 사이클 (Gartner 2015.7) ... 23
그림 5. IoT Gateway 개념도 ... 33
그림 6. IoT 에 활용되는 다양한 프로토콜 변환 예 ... 33
그림 7. IoT Gateway 통신 방식 지원 예 ... 34
그림 8. IoT Gateway 를 이용한 통신 데이터 흐름도 ... 35
그림 9. IoT 전체 망에서 gateway 의 위치 ... 36
그림 10. IoT Gateway functional model ... 36
그림 12. IoT Gateway 에서의 프로토콜 변환 ... 37
그림 13. IoT Gateway 시스템의 소프트웨어 구조 ... 38
그림 14. LS1021A - IoT Gateway Reference Design ... 39
그림 15. QorlQ LS1021A 프로세서 블록 다이어그램 ... 40
그림 16. IoT Gateway Reference Design 보드 ... 40
그림 17. QORIO LS1021A-IoT Gateway System Block Diagram ... 41
그림 18. Dell Edge Gateway 5000 Series ... 41
그림 19. GB-BXBT-3825 ... 43
그림 20. Wind River Linux 기반의 Intel IoT solution 적용 ... 44
그림 21. mbed IoT Gateway 개념도 ... 44
그림 22. mbed IoT Gateway 용 보드 ... 45
그림 23. Apio Dongle ... 45
그림 24. Raspberry Pi2 와 Apio Dongle 을 이용한 IoT Gateway ... 46
그림 25. 6LoWPAN IoT Gateway ... 46
그림 26. 가상화 플랫폼을 이용한 SoC 개발 방법 ... 47
그림 27. OVP 가상화 플랫폼 ... 48
그림 28. OVP 가상머신 구성도 ... 59
그림 29. IoT 게이트웨이용 가상화 플랫폼 구조 ... 63
그림 30. 가상화 플랫폼에서 Raspbian 실행 화면 ... 68
그림 31. 가상화 플랫폼에서 Raspbian GUI 실행 화면 ... 69
그림 32. 무선 통신 인터페이스의 Serial-to-socket 변환 구조 ... 69
그림 34. Bluetooth UART-USB Dongle 모듈 ... 70
그림 35. WiFi UART-USB Dongle 모듈 ... 70
그림 35. 가상화 플랫폼의 무선 통신 인터페이스 구조 ... 71
그림 36. IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼과 IoT 디바이스의 무선 통신 연결 . 71
그림 37. OneM2M 표준 기능 구조 ... 72
그림 38. OneM2M 표준 게이트웨이 구성 ... 72
그림 39. OneM2M 표준 공통 플랫폼 구성 ... 74
그림 40. OneM2M 게이트웨이 기반 시스템 구성 ... 75
그림 41. 게이트웨이 SW 플랫폼 구현 진행 상황 ... 77
그림 42. oneM2M 표준 IoT 시스템 구성도 ... 77
그림 43. Raspberry Pi 를 활용한 IoT 게이트웨이 구성 ... 78
그림 44. Eclipse 기반 개발환경 ... 79
그림 45. OneM2M 표준 적용을 위한 SW 구현 영역 ... 79
그림 46. JNI 를 이용한 Plug-in ... 80
그림 47. Lamp sample 블럭 다이어그램 ... 80
그림 48. IoT 게이트웨이 테스트 구성 ... 81
그림 49. IoT 게이트웨이 테스트 진행 결과 ... 81
그림 50. IoT 게이트웨이를 이용한 Lamp 제어 시스템 구성 ... 82
그림 51. 가상화 플랫폼에서 블루투스를 이용한 LED 제어 ... 83
그림 52. 블루트루로 디바이스로 연결된 라즈베리 파이에서의 LED 제어 상태 83
그림 53. IoT 게이트웨이 HW 에서 Bluetooth Lamp 와 Wi-Fi Lamp 제어의 예 . 84
그림 54. IoT 게이트웨이를 이용한 RGB Lamp 제어 ... 85
그림 55. RGB Lamp 를 제어하는 예 ... 85
그림 56. IoT 게이트웨이를 이용한 오디오 제어 시스템 ... 86
그림 57. 오디오 제어 시스템 예 ... 86
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제１장 서 론
연구 배경
제１절
1. 연구 목적 및 필요성
가. 연구 목적
연구 개요
1)
○ 아이디어만 있으면, 하드웨어 의존성 없이 빠르게 제품개발의 가능성을 확인할 수 있는 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼 개발과 IoT 게이트웨이용 응용 플랫폼 개발에 대한 기획 ○ IoT 게이트웨이용 SW-SoC 플랫폼을 바탕으로 다양한 응용 제품에 필요한 핵심 공통 IP 및 응용 플랫폼 기술을 개발하여 판교 테크노밸리 중심으로 SW-SoC 융합 기술 산업 활성화 및 경쟁력 제고에 기여하기 위한 과제로 기획하고자 함 그림 1. 제안기술 개념도ETRI 연구개발 추진 당위성 (ETRI 고유임무와의 적합성)
2)
○ 서울·경기 지역에 집적화된 지역특화 산업체와 서울SW-SoC융합R&BD센터의 핵심역량 및 본원의 기술을 연계하여 상용화 시너지 효과 창출 ○ 서울·경기지역 산업체 수요기반 지역밀착형·맞춤형 SW-SoC융합플랫폼 기술 개발 및 중소·중견기업 역량 강화제안기술 원천성
3)
○ C/C++, SystemC, SystemVerilog, RTL, Netlist 등을 통합하는 융통성 있는 개방형 SW-SoC Architecture를 빠르게 검증할 수 있는 시뮬레이션 엔진 개발
나. 연구 필요성
출연처(미래창조과학부) 정책 및 기술수요
1)
○ 정보, 통신, 전자, 방송 및 관련 융·복합기술 분야의 산업원천기술 개발 및 성과확산을 통해 국가경제·사회 발전에 기여(정관 제2조) - SW-SoC 플랫폼이 新부가가치를 창출하는 ICT 융합의 新블루오션으로 부상 - 본 과제의 수행을 통해 향후 국가 차원의 ICT 선도산업의 차세대 경쟁력(혁신형 반도체, 융합디스플레이, 상상초월형 스마트폰 등) 확보에 기여 → 서울·경기지역의 SW-SoC산업의 생태계 및 클러스터를 구축함으로써 ICT 융합산업 활성화에 기여 ○ 산업화형 - SW·콘텐츠 산업화 핵심 기술 개발 분야 연구 목표: 빅데이터/클라우드, 콘텐츠, 정보보안, SW-SoC 융합기술 4대 분야 핵심기술 확보를 통한 국가 산업 경쟁력 강화 - 향후 추진 계획에 2016-2018 IoT 허브 SW-SoC 포함 - 주요기술 숲지도에 IoT용 저전력/보안강화 다중모드 통신 SW-SoC 기술, 서비스 지향 SW-SoC 융합 플랫폼, 유무선 IoT 디바이스간 외부-내부 통신 게이트웨이 SW 플랫폼 등 포함 → 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼을 바탕으로 관련 융합 기술 분야 응용 추진 ○ 정부출연(연) 지역조직(분원) 기능 활성화 방안 (2014.9.1, STEPI) - 산·학·연·지역 연계를 통한 신산업 창출기능 강화 (국정과제 17) - 지역경제와 산업의 활력 제고 (국정과제 106) - 정부출연(연)은 산·학 협력 매개와 중소기업 지원자로서의 역할을 강화 → SW-SoC 가상화 플랫폼 개발 과제를 통해서 산·학·연·지역의 연계 기업체와 신산업 창출 및 지역 산업 활성화에 기여 ○ 미래성장동력 종합실천계획(안) 지능형 반도체 분야의 목표 - SW-SoC 융합을 통한 지능형 반도체 강국 도약 (’14년 세계 5위 ’20년 2위)- 20 - - 미래 성장제품개발의 R&D기반 플랫폼 구축
- IoT용 SoC 등 차세대 제품의 SoC 통합설계환경 (Electronic System Level 개발 툴) 구축을 통해 효율적 제품개발 - 개방형 SW-SoC 가상화 플랫폼의 산업 적용 확대를 위한 테스트 베드 구축 및 시범사업 추진 → 응용 분야별 개방형 SW-SoC 융합 플랫폼을 각 응용 분야별로 산업에 활용하기 위한 기술 사업화 추진 ○ 경기도 전략산업인 시스템 반도체 산업에 임베디드 SW 기술이 융합된 플랫폼 기술 개발로 관련 산업 활성화 지원 - 경기도 전략산업: 바이오, 지식서비스(게임/컨텐츠), 시스템 반도체, 메카트로닉스 (자동차, 디스플레이, 국방) → 지역 산업에서 필요로 하는 IP 기술 개발에 지역 대학과 연계하여 산학연 기술 개발 추진으로 창조적 인재 양성 추진
산업동향 및 시장 기술수요
2)
○ 세계 반도체 산업은 연평균 4%로 지속 성장하여 2018년 4,619억 달러 예상 - 세계 반도체 산업은 IoT 시대 진입으로 2018년 4,619억 달러 매출 기록 전망 - 특히 메모리는 세계 1위의 점유율을 유지하고 있으나, 시스템반도체 분야는 늦은 진출과 열악한 기반 때문에 삼성전자의 4.9%를 포함해도 세계 6.8% 점유 수준 - 세계 1위 팹리스와 국내 1위 팹리스 업체의 매출 규모는 약 40배 수준그림 2. 시스템 반도체 및 팹리스 시장 동향 ○ 최근 세계 Embedded SW 시장은 꾸준히 성장 - 세계 임베디드 SW시장은 2014년 기준 약 1,620억 달러로 추산되며, 2018년까지 연평균 약 3.7%로 성장하여 약 1,855억 달러 규모에 이를 것으로 예상 <자료: 산업통상자원부 2013> - 2014년 임베디드 SW 시장의 국내 규모는 약 22조원으로 추산되며, 2018년까지 연평균 약 7.1%씩 성장하여 약 29조원으로 규모에 이를 것으로 예상 <자료: 산업통상자원부 2013> ※ 완제품 대비 Embeded SW 부가가치 창출비중 (KESSIA자료: 의료기기(37.4%), 자동차(29.8%), 조선(13.5%)) ○ 서울 경기지역에 시스템 반도체 기업의 85% 분포 - 시스템반도체 기업의 수는 200개 이상으로 추정되며, 85%이상이 서울과 경기도에 분포 - 특히 판교 테크노밸리 중심의 성남시에 25% 이상이 분포하고 있어 ETRI SW-SoC융합R&BD센터의 지원이 필요 - 반도체 관련 업체가 집중적으로 분포한 성남시와 경기도에서는 공통으로 사용할 수 있는 SW-SoC 플랫폼 개발로 정체 상태의 팹리스를 포함한 중소 반도체 기업들에 활력을 불어 넣어 주기를 희망
- 22 - 그림 3. 시스템 반도체 기업의 분포: 서울 경기 지역이 85.5%
연구추진의 시급성
3)
○ 아이디어만 있으면, HW 의존성 없이 빠른 제품 개발이 가능한 개발 플랫폼 필요 ○ 단순 제조기반에서 벗어난 솔루션 제공 또는 반도체 IP Provider 등의 시스템 반도체 경쟁력 강화를 위한 패러다임 변화가 시급2. 국내외 산업 및 시장 동향
가. 국내외 산업동향
국내 산업동향
1)
○ 자동차 임베디드 SW분야 - 산업부는 2013년 무인 자율주행 자동차 경진대회를 개최 - 모비스, 만도 등 국내 주요 전장업체는 충돌회피 제어를 위한 임베디드 기반 인신신호처리 SW와 AUTOSAR 기반 제동/조향 제어용 ECU를 개발중 - 전자통신연구원, 자동차 부품연구원, 전자부품연구원등에서 다중센서 통합형 Fusion 신호처리 SW기술 원천 핵심기술 개발중 ○ IoT 분야 - 삼성전자는 ARTIK1/5/10 등 IoT 응용에 필요한 플랫폼을 개발하였으나, 일반 기업에 제공 여부는 아직 미정임국외 산업동향
2)
○ IoT 관련 기술 전망
- Gartner에서 2015년 7월에 발표한 IoT 관련 기술들에 대한 전문가 기대치를 반영한 그래프에 의하면, 2-5년 내에 유망할 것으로 기대되는 기술로 IoT Architecture, Bluetooth Beacon, Smart Transportation, 저비용 개발 보드 등이 있으며, 5-10년 내의 유망 기술로는 IoT Platform과 Connected Home 등을 들 수 있음[1].
그림 4. IoT 관련 기술의 하이프 사이클 (Gartner 2015.7) ○ 자동차 임베디드 SW분야 - 닛산, 도요타는 2020년까지 상용 충돌방지 센서와 임베디드시스템 기반의 자율주행 차량 상용화를 위한 로드맵을 발표. 닛산은 2013년 CEATEC에서 자율주행 데모를 선보였으며, 최근 공로주행 면허를 획득하여 본격적인 공로 테스트 수행예정임 - 구굴은 2010년 자체개발한 자율주행 차량을 개발하여 2013년까지 공로상에서 약 8만km이상을 성공적으로 주행 테스트하였음 - 벤츠는 세계 최초로 상용차량용 충돌방지 센서만으로 만하임~포르츠하임간 104km를 자율주행에 성공하였으며 2020년까지 완전 임베디드 시스템에 기반을 둔 상업용 자율주행 차량을 출시 예정임 ○ 웨어러블 디바이스 임베디드 SW분야 - 구글(프로젝트 글래스), 마이크로 소프트(프로젝트 포로탈레자), 애플, 리콘등에서 디스플레이 장치를 안경형태로 만들어 음성 명령으로 시스템을 제어하는 글래스 단말을 경쟁적으로 개발하고 있음 - 소니, 나이키, 페블, 모토로라, 구글에서는 센서류를 내장한 문자메시지 및 이메일
- 24 - 확인 등의 기능을 가진 시계형 단말을 개발하고 있으며 삼성, 소니 애플등 일부업체는 상용화 하였음. - Thalmic랩의 MY0는 팔뚝에 착용하여 6축 자이로 센서와 근육에서 발생하는 작은 전기적인 신호를 감지하여 블루투스로 연동된 기기에 각종 명령을 줄 수 있음 ○ 일본 히타치의 가상현실 공간 시스템, 캐논의 복합현실 표현 시스템, 소니의 가상현실 공간점유 시스템 등 진행 ○ 유럽로봇공학플랫폼(EUROP)은 로봇 연구개발과 사업화 비전을 공유하기 위하여 전략적 연구분야(SRA)를 발표하고 집중지원 ○ FPGA 기반 프로토타입은 에뮬레이션과 시뮬레이션 같은 대체 검증 방법보다 최소 10배 빠른 속도로 소프트웨어를 실행시킬 수 있으며, 비용이 비교적 저렴하다는 장점 때문에, 사용이 증가하는 추세임
나. 국내외 시장동향
○ Gartner의 2015년 10월 시장 자료에 의하면 IoT 기기는 2014년 38억개에서 2020년 200억개 이상으로 증가할 전망이며, 홈오토메이션과 가정내 에너지 관리 및 안전 관련 분야는 연평균 2배 가까운 성장률이 예상됨[2]. SpendingCenter Category Subcategory 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 CAGR (%) Automotive 13.2 27.8 58.5 106 183.2 307.2 492.9 738 77.6 Energy 16.6 25.3 44.1 89.5 183.2 355.6 644.6 1,074.30 81.5 Information 303.5 323.8 348.8 383.2 423.4 472.3 532.4 605.1 10.4 Safety 1.8 3.4 5.9 10.2 16.6 25.6 38.2 54.8 62.6 Building or Facilities Automation/Other 8.3 21.5 46.9 93.5 173.1 301.4 498.7 788.4 91.6 Physical Security 167.1 229.7 310.4 409.3 531.1 683.6 883.8 1,147.60 31.7 Sub Total 510.5 631.6 814.7 1,091.70 1,510.60 2,145.70 3,090.70 4,408.20 36.1 Education 4.3 6.1 9 14.2 22.5 35.2 53.7 78.9 51.8 Government 57.8 87.2 123.2 166.5 218.8 276.1 342.1 418.9 32.7 Healthcare Providers 36.3 44 53.3 64.5 78.1 93.7 112 132.8 20.3
Manufacturing & Natural
Resources 289.7 324.3 357.8 401.3 452.7 514.5 588.2 677.4 12.9
Transportation 115.2 140 168.6 201 237.6 278.2 323.3 372.4 18.3
Utilities 218.4 259 308 368.9 444.6 538.6 652.7 789.6 20.2
Banking & Securities 3.3 3.4 3.5 3.6 3.8 3.9 4 4.1 3.3
Retail & Wholesale Trade 30.7 34.5 41.3 56.2 87.2 146.1 247.3 405.4 44.5 Sub Total 755.7 898.3 1,064.70 1,276.30 1,545.30 1,886.20 2,323.40 2,879.50 21.1 Business
Total 1,266.20 1,529.90 1,879.40 2,368.00 3,055.90 4,031.90 5,414.10 7,287.70 28.4 Automotive 75.5 149.7 298.4 515.3 848.6 1,353.40 2,067.30 2,956.00 68.9 Health and Fitness 115.8 149.3 186.8 224.1 276.3 337.7 416.9 525 24.1 Home Automation/Other 37.2 78.7 168.7 338.9 630.5 1,090.30 1,772.20 2,729.20 84.7 Home Energy Management 11.3 28.4 62.8 128.3 239.4 417.5 696.1 1,107.40 92.5 Home Security and Safety 15.9 38.2 89.9 190.6 357.1 604.6 951.8 1,418.80 90 Information and Entertainment 1,512.20 1,832.70 2,216.00 2,627.00 3,050.90 3,512.60 4,065.60 4,772.50 17.8 Sub Total 1,767.90 2,276.90 3,022.70 4,024.10 5,402.70 7,316.10 9,969.90 13,508.90 33.7 Consumer Total 1,767.90 2,276.90 3,022.70 4,024.10 5,402.70 7,316.10 9,969.90 13,508.90 33.7 Grand Total 3,034.10 3,806.80 4,902.10 6,392.10 8,458.60 11,348.00 15,384.00 20,796.60 31.7 Consumer Consumer Business Cross-Industry Vertical-Specific
표 1. 소비 영역별 IoT 유닛 설치 개수 전망 (Gartner 2015.10)
3. 기술 및 표준화 동향
가. 국내외 기술동향 및 전망
국내 기술동향 및 전망
1)
○ 한국전자통신연구원은 2014년 에너지 스케일러블 벡터 프로세서인 32비트, ㎓급의 CPU 코어‘알데바란’설계 및 SDK, 컴파일러 기술을 포함하는 임베디드 CPU 에코시스템을 통합 개발○ 한국전자통신연구원은 2015년 자체 개발한 Aldebaran 프로세서 코어를 비롯하여 ARM, MIPS 등을 지원하는 다중코어 기반 SoC를 위한 SW 에뮬레이션 및 rapid prototyping 기술을 개발함.
- Thin Client 단말용 멀티미디어 SW-SoC 가상 플랫폼, 프로세서 코어 및 HW/SW tile 가상 모델 개발, SW 프로파일링 및 HW 성능 분석 도구, 가상 플랫폼의 통합 개발환경(IDE)를 포함 ○ 국내 SoC를 위한 가상화 플랫폼에 대한 연구는 한국전자통신연구원이 수행한 연구 외에는 거의 전무하며, 가상화 플랫폼을 제품 개발에 적용하고 있는 대기업 및 중소업체들의 경우, 모두 외국 EDA 업체들의 솔루션을 사용하고 있는 실정임 ○ 삼성에서는 IoT 시스템을 위한 하드웨어 플랫폼인 ARTIK1, 5, 10을 발표하고, 2015년 가을부터 SDK 등 개발 환경을 제공할 예정
- 26 -
Feature ARTIK1 ARTIK5 ARTIK10
Processor Dual Core ARM A7 Dual ARM A15x4 + A7x4 Clock 250 MHz, 80 MHz 1 GHz 1.3 GHz + 1.0 GHz Memory [MB] 11 512 LPDDR3 + 4 GB eMMC 2 GB LPDDR3 + 16 GB eMMC Flash [MB] 4
PMIC 5 Buck Converters 25LDOs
5 Buck Converters 25LDOs
5 Buck Converters 38LDOs OS Nucleus Yocto 1.6 (Fedora) Yocto 1.6 (Fedora) Physical [mm] 12x12 29 x 25 x 3.5 39 x 29 x 3.5
WiFi - 802.11 b/g/n 802.11 b/g/n
Bluetooth - BT/BLE BT/BLE
ZigBee - Thread planned Thread planned
GPU - Mali 400 MP2 Mali T628 MP6
Misc - HW Video Codec HW Audio Codec HWVideoCodec
○ 2011년 KAIST는 한국형 프로세서 코어인 Core-A 개발
- Core-A는 고성능이 요구되는 모바일 기기보다는 산업용 임베디드 기기를 겨냥한 32-bit RISC 구조의 IP 임베디드 프로세서 코어 IP임
- Dynalith사는 Core-A를 지원하는 FPGA 보드를 개발하여 상용화하였으며, Core-A용 다양한 주변장치들을 제공
국외 기술동향 및 전망
2)
○ Imperas사의 OVPsim 시뮬레이터는 비상업적인 용도에 한하여 무료로 사용할 수 있는 MPSoC 시뮬레이터임
- ARM, MIPS, ARC, NEC v850, openCores OR1K, PowerPC와 같은 다양한 프로세서 모델을 제공 - Homogeneous, heterogeneous, single core, multicore, manycore와 같은 다양한 형태의
○ 케이던스(Cadence)사는 Xilinx의 Zynq-7000 Extensible Processing Platform(EPP)을 위한 가상 플랫폼(virtual platform) 제품을 출시 - 내장형 소프트웨어 개발과정을 간소화하게 디자인한 이 가상 플랫폼은 하드웨어 상용 전에 하드웨어와 소프트웨어를 동시에 개발할 수 있어 개발비와 출시시간을 현격하게 줄일 수 있음 - 하드웨어와 소프트웨어의 디버깅(멀티코어 디버그 지원 포함)이 통합되어 있으며, 도메인 시뮬레이션과 가속화 기능이 혼합되어 있음
- EPP 하드웨어를 미러링(mirroring)할 뿐 아니라, 궁극적으로는 Zynq-7000 기기의
프로그램 논리로 인스턴스화된 커스텀 디바이스를 지원하기 위해
TLM(transaction-level modeling)을 사용하여 확장 가능
- 28 -
ARM Cortex-A53 프로세서를 채택한 3세대 14 nm Stratix 10 SoC를 비롯한 알테라 대부분의 SoC FPGA를 지원 하는 비스타(Vista) 가상 플랫폼을 제공
- 알테라의 28nm, 20nm, 14nm SoC FPGA 제품에 채택된 ARM 프로세서 서브시스템에 대한 기능적인 시뮬레이션 모델들을 통해 소프트웨어 개발자는 Stratix 10 SoC 가상 플랫폼을 이용, 실리콘이 나오기 훨씬 전부터 64비트 ARMv8 기반 프로세서 서브시스템에 대해서 임베디드 소프트웨어를 개발·디버그 작업을 시작할 수 있음
○ Synopsys사는 2010년 가상화 플랫폼 툴인 CoWare사의 Platform Architect를 보유한 인수, ARM 프로세서를 지원하는 TLM 기반의 가상화 플랫폼인 Virtualizer를 판매
- Virtualizer는 전체 하드웨어 시스템, 컴파일러 툴체인, 소프트웨어 및 디버깅 툴들을 포함하고 있어 가상 프로토타입 모델을 이용하여 시스템 구조를 설계, 최적화 및 디버깅을 지원하는 GUI 환경을 제공
○ Intel은 IoT 게이트웨이 개발 키트를 개발
- 컴퓨팅 보드 무선 통신, 보안 소픝 웨어, 운영 체제, 개발 도구 등을 포함
- I/O용 표준 기반 인터페이스, 셀룰러 및 Wi-Fi를 통해 센서와 컨트롤러부터 데이터센터와 클라우드까지의 통신을 단순화 가능
- 보드 지원 패키지(BSP), Wind River Linux* 5 OS, Wind River 지능형 장치 플랫폼* XT 및 영구 라이선스 Wind River Workbench* 개발 환경 지원
- McAfee Embedded Control*은 화이트리스트를 동적으로 모니터링하고 관리하여 보안을 극대화 대상 시장 SoC 소프트웨어 DK50 시리즈 개발자, 매니아 인텔 Quark SoC X1000 비제품, 6개월 SW 사용권 포함, Wind River Linux (호스트), Wind River Intelligent Driven Platform XT, Wind River Workbench, McAfee Embedded Control DK100 시리즈 산업, 에너지 인텔 Quark SoC X1020D
Wind River Linux (호스트), Wind River Intelligent Driven Platform XT, Wind River Workbench, McAfee Embedded Control
DK200 시리즈 운송 인텔 Quark SoC X1020D 상동 DK300 시리즈 산업, 에너지 및 운송 인텔 아톰 프로세서 E3826 상동 ○ 2000년대 들어 재사용 가능한 IP 기반의 설계가 추진되어 왔지만 대부분의 설계 접근 방법들은 아직도 맞춤화된 통합을 필요로 하는 블록 기반으로 이루어지고 있음 - 써드파티 IP 블록이나 사전 설계된 IP 블록들을 사용하는 경우에도 검증과 디버깅에 상당한 추가적인 노력이 소모되고 있음 ○ 최근들어 이러한 기존 설계 접근방법에서 벗어나 독자적인 일련의 IP나 가상 부품 및 소프트웨어를 공통의 기능을 구축하기 위한 완전 통합된 공통 아키텍처 내에 표준화시킴으로써 플랫폼 기반의 디자인을 구현하는 방법이 시도되고 있음 - 여러 업체들이 플랫폼 기반의 설계 접근 방법을 제품의 복잡성과 출시 시간 문제를 모든 레벨에서 해결하기 위한 효과적 전략으로서 사용하고 있음 - 파생적인 디자인들은 IP 구성요소 몇 가지만 추가함으로써 신속하게 달성할 수 있음
- 30 -
나. 표준화 동향 및 전망
○ SW-SoC 플랫폼에 대해서는 표준이 없으나, SW 플랫폼에 대해서는 표준화가 추진되고 있며, SoC 플랫폼에 대해서는 표준화 의견이 있음
○ IEC TC 47 (Semiconductor devices)에서 HW IP 인터페이스 및 IP 기술 방식 등에 대한 표준화 추진 의견이 있었으나, 아직 구체화되지는 않은 상태임 - 대부분의 IP는 자체적으로 인터페이스 표준을 제정하여 개발되고 있음
연구 목표
제２절
1. 정성적 목표
○ IoT 게이트웨이용 SW- SoC 가상화 플랫폼 개발 ○ SW-SoC 가상화 플랫폼 성능 분석 기술 기초 연구 ○ IoT 게이트웨이용 SW 구조 연구2. 정량적 목표
○ 정량적 성능 목표
평가항목 (주요성능 Spec) 단위 세계최고수준 (보유국/보유기관) 국내기술수준 (보유기관) 기술개발 목표치 (2016년) 2015 2018 2015 2018 SW-SoC 가상화 플랫폼SoC Architecture Simulation
최대 성능*1) MIPS 100 1,000 50 500 300 SW-SoC 가상 플랫폼 수*2) 개 10 20 1 2 1 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 OS*3) 개 1 2 1 2 1 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Processor 수*4) 개 1 1 1 4 1 SW-SoC 가상 플랫폼 지원 Peripherals 수*5) 개 10 20 1 4 2 *1) CPU 와 메모리 등 기본 SoC 구조 상에서의 simulation 성능을 최대 성능으로 표현함
*2) 가상 플랫폼은 응용 분야에 따라서 다를 수 있고, 갯수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게이트웨이용 가상 플랫폼 1 개를 개발할 예정임
*3) Linux, Qplus, RTOS, Android, iOS 등 *4) 응용 플랫폼의 규모에 따라서 필요한 프로세서 수가 다를 수 있으나, 본 과제에서는 IoT 게이트웨이 용으로 2 개의 프로세서 정도로 구현이 가능할 것으로 예상함 *5) 지원 Peripheral 수는 시간과 비용에 따라서 늘릴 수 있으며, 본 과제에서는 목표로 하는 IoT 게이트웨이용 가상 플랫폼에 필요한 Peripheral device 모델을 년 2 개씩 총 6 개를 개발/확보할 예정임
○ 정량적 성과 목표
성과 지표 2016년 계획 정량 성과 특허출원 국내 1 건 국제 - 국내외 논문 1 건 기술 문서 5 건 기술 이전 - 연구시제품 1 건 소프트웨어 1 건 부품 설계 1 건 중소기업 기술지원/자문 -연구 내용 및 범위
제３절
○ IoT 게이트웨이용 SW- SoC 가상화 플랫폼 개발 - IoT 게이트웨이 서비스 요구사항 도출 및 시스템 요구사항 정의 - SW-SoC 가상화 플랫폼 기능 및 성능 요구사항 정의 ○ 수요 기술 및 핵심 HW IP 조사 ○ SW-SoC 가상화 플랫폼 구조 연구 ○ IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼 모듈 기능 블록 설계 ○ IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼 통합 설계 ○ IoT 게이트웨이 SW 구조 설계 ○ 가상화 플랫폼 기반 performance/power estimation 기술 기초 연구- 32 - ○ IoT 게이트웨이 가상화 플랫폼 기능 검증 ○ IoT 게이트웨이 응용/서비스 기술 연구
제２장 본 론
제１절 주요 기술 분석
1. IoT 게이트웨이 기술
가. IoT 개념
§ 사물과 인터넷의 융합을 통해 새로운 부가가치를 창조하는 IoT(Internet of Things)에 대한 관심이 매우 높아지고 있으며, 아래와 같이 다양한 관점으로 정의되고 있음§ ITU(International Telecommunication Union)
이미 존재 또는 진화하고 있는 상호 호환 가능한(Interoperable) 물리적 또는 가상의 사물들이 연결된 새로운 정보화 사회를 위한 글로벌 인프라
§ IETF(Internet Engineering Task Force)
사물 인터넷은 표준에 기반한 고유 식별 가능한 사물들이 상호 연결된 글로벌 네트워크 § IBM 네트워크(Internet)에 연결된, 고유하게 식별 가능한 사물들(Things)이, 인간의 명시적 개입 없이, 상호 정보를 주고받으며, 인간중심적인 서비스를 제공할 수 있는 기반 인프라 기술 § Gartner 통신, 감지, 주변 환경과의 상호작용을 위해 임베디드 기술이 탑재된 물리적 객체들의 연결망
나. IoT Gateway 의 개요
§ IoT Gateway 는 그림 5 와 같이 다양한 센서 및 액츄에이터들과 서버 및 장치들 사이의 통신이 가능하도록 하기 위해서, 다양한 통신 방식을 통해 들어오는 데이터를 변환하여 전달하는 역할을 수행§ 따라서 IoT Gateway 는 센서와 액츄에이터들과 연결하는데 사용되는 Bluetooth, ZigBee, WiFi 등의 다양한 통신 방식을 지원해야 하며, 또한 서버 및 장치들과 연결하기 위해 필요한 WiFi, 3G/4G, Ethernet 등의 통신 방식도 지원해야 함
그림 5. IoT Gateway 개념도 § IoT Gateway 는 다양한 통신 방식을 지원하는 것뿐만 아니라, 전송에 사용되는 다양한 전송프로토콜도 지원해야 함 § 그림 6 과 같이 CoAP, MQTT, XMPP 를 사용하여 다양한 사물들이 데이터를 전송할 때, IoT Gateway 는 이 데이터들을 서버 및 장치들로 전송하기에 적합한 프로토콜을 이용하여 전송 § 사물들과 통신할 때 사용하는 프로토콜과 서버 및 장치들로 통신할 때 사용하는 프로토콜이 동일한 경우에는 프로토콜 변환이 필요 없지만, 다른 경우에는 프로토콜을 변환하는 과정이 필요 그림 6. IoT 에 활용되는 다양한 프로토콜 변환 예 § 센서와 액츄에이터들과의 통신을 위한 IoT gateway 의 경우, 교환되는 정보량이 비교적 작기 때문에 기존에 많이 사용되는 무선 랜 공유기보다는 낮은 사양으로 개발해도 괜찮지만,
- 34 -
향후 무선 랜 공유기의 기능까지 모두 포함되는 Home IoT Gateway 개념의 장치는 무선 랜 공유기보다 높은 사양으로 개발되어야 원활하게 동작을 수행할 수 있음
² 현재 무선 랜 공유기의 경우, 300 ~ 1 GHz 클럭의 32bit CPU 를 사용하며, 램의 경우 16~128 Mb 등 다양하게 활용되고 있음
² 기본적으로 IoT Gateway 를 위해서는 400 MHz Single Core 이상의 Processor 성능을 요구하나, 저속 IoT 통신만을 목표로 하는 경우에 100 MHz 이하의 Cortex-M 계열을 사용하려는 경향도 있음
§ 무선 랜 공유기의 경우에는 WLAN 과 Ethernet 사이의 프로토콜 변환만 신경 쓰면 되었지만, IoT Gateway 의 경우 IoT 에 다양한 통신 방식이 활용되고 있으므로, 다양한 통신 방식 사이의 프로토콜 변환이 가능해야 함. 활용도 높은 IoT Gateway 개발을 위해서는 다양한 통신 방식을 확장할 수 있는 형태의 H/W 플랫폼과 다양한 프로토콜 변환을 지원할 수 있는 S/W 플랫폼이 필요함
§ 그림 7 는 IoT Gateway 가 다양한 통신 방식을 지원할 수 있는 형태의 예임. IoT Gateway 는 센서들과 통신하기 위한 인터페이스로 ZigBee, Bluetooth Low Energy, UWB, RFID 등을 연결할 수 있도록 되어있고, 서버와 연결하기 위한 통신 방식으로는 Ethernet, 3G/LTE/WiFi, 내부 BUS 등을 활용할 수 있도록 되어있음 [4] 그림 7. IoT Gateway 통신 방식 지원 예 § 센서 또는 액츄에이터와 서버가 IoT Gateway 를 이용하여 통신을 하는 경우의 데이터 흐름도는 그림 8 과 같음. 왼쪽 Application 과 오른쪽 Application 이 통신하기 위해서는, 왼쪽 어플리케이션의 정보가 Ethernet 을 통해 전송되면, 무선 랜 공유기의 WiFi 를 통해서 IoT Gateway 로 전달되고, IoT Gateway 에서는 수신된 데이터를 ZigBee 프로토콜에 맞게 변환한 후 ZigBee 통신 방식을 이용하여 전송하면 최종적으로 오른쪽 Application 이 수신하게 됨
그림 8. IoT Gateway 를 이용한 통신 데이터 흐름도
다. IoT Gateway 의 기능 및 구조
IoT 게이트웨이의 기능
1)
§ 디바이스와 사람들이 네트워크를 통해 서로 통신하는 사물 인터넷(IoT) 환경에서 모든 디바이스가 네트워크를 통해 원시 데이터를 중앙 서버로 전달해서 처리하기 위해서는 브리지 또는 게이트웨이가 필요함§ IoT Gateway 는 그림 9 에서와 같이 IoT device 와 Core Network 를 연결해주는 역할을 수행하여 일반적으로 아래와 같은 기능이 요구됨 ² 다양한 사업자 요구사항에 맞고 동시에 확장 가능한 Platform ² 디바이스 관리를 위한 프록시 기능 ² 보안 및 접속 제어 ² 데이터 인터페이스 및 제어를 위한 표준 웹 인터페이스 ² 게이트웨이 하드웨어 Platform
§ IoT 게이트웨이는 personal area network, vehicle network, home network 등의 다양한 센싱 계층 네트워크들과 공용 통신 네트워크 또는 인터넷을 연결시켜주는 IoT 의 가장 중요한 구성요소임
- 36 -
그림 9. IoT 전체 망에서 gateway 의 위치
기능적인 구조
2)
§ 일반적인 IoT 게이트웨이의 기능적인 구조는 그림 10 과 같이 센서 네트워크 망의 ZigBee, Bluetooth, RFID 등의 통신 인터페이스와 PSTN, 2G/3G/LTE 등의 공용 네트워크 망의 통신 인터페이스로 구성되는 PHY 계층과 IoT 서비스를 위한 보안, 인증, 관리, IoT 통신 프로토콜 처리 등을 위한 미들웨어 계층과 IoT 응용 서비스를 위한 Appication 들에 해당하는 어플리케이션 계층으로 구분할 수 있음 [3]
그림 10. IoT Gateway functional model
§ IoT 게이트웨이의 기능 모델의 주요 기능 블록
² Service abstraction module : 다양한 IoT 어플리케이션이 존재하므로, IoT 어플리케이션의 파편화를 다룸
² Adaptation module : 두 개의 다른 네트워크 사이에 패킷 크기, 주소 크기, 분할 및 재결합을 적응시키는 역할 수행
² Protocol conversion & data forwarding module : service abstraction module, adaption module, multi-interface module 과 상호작용하면서, 데이터를 수신한 후에 짧은 거리를 기반으로 하는 통신 프로토콜을 기반으로 한 데이터를 재포장하고 나서 전송
² Application profile module : gateway 에서 현재 동작 중인 어플리케이션의 수와 형태를 알려주는 어플리케이션 레벨 정보를 제공
² Network profile module : Received Signal Strength Indicator(RSSI), 기지국 관장 영역, Multi-Interface module 에 대한 네트워크 대역폭과 같은 network interface level 정보를 제공 ² Security : 접속 제어, 식별, 데이터 무결성, 사생활 보호를 제공 ² Management : 네트워크 관리, 전력 관리, 고장 관리, 권한 관리, 상태 관리, 이동성 관리를 포함
S/W 구조
3)
§ IoT Gateway 에도 동작하는 소프트웨어의 주요한 기능은 다른 프로토콜들 사이의 변환과 수신된 데이터의 종류의 식별임 § 그림 11 은 다양한 통신 인터페이스를 통해 들어오는 데이터가 어떤 종류의 프로토콜을 사용한 데이터인지 식별을 한 후에, 해당 프로토콜에 맞게 데이터를 추출하여 변환하는 과정을 나타냄 그림 11. IoT Gateway 에서의 프로토콜 변환 § IoT Gateway S/W 구조- 38 -
그림 12. IoT Gateway 시스템의 소프트웨어 구조
² General Packet Radio Service(GPRS) Interaction module & Ethernet Interaction module : 서버 및 장치와의 데이터 교환을 위해 사용
² Serial Transceiver module: Sink Node 와 데이터 교환을 위해 사용
² Command Mapping module : 어플리케이션으로부터의 명령을 해석하여 sensor network management 또는 gateway management 를 수행
² Protocol Conversion module : 정의된 포멧으로 데이터를 패키징
² Log Management & Configuration Management module : 중요한 사건을 기록하고 gateway 의 정보를 설정하는 gateway 관리 기능을 구현
² Data Upload module : 수집된 데이터를 전송하는 기능을 담당
라. IoT Gateway 개발 현황
LS1021A - IoT Gateway Reference Design (NXP-Freescale)
1)
§ 제작사 : TechNexion & NXP(Freescale 인수) § Dual-core Cortex-A7 QorlQ SoC 칩 사용 § OS : Linux
§ 6 개의 GbE 포트를 가지며, Arduino Shields 로 확장가능
§ LS1021A – IoT Gateway Reference Design 은 그림 13 과 같은 형태이며 제품의 주요 특징은 표 2 와 같음
그림 13. LS1021A - IoT Gateway Reference Design
Processor Freescale QorIQ LS1021A (2x Cortex-A7 cores @ 1GHz; Silicon Image
SII9022 display chipset
Memory/storage
1GB ECC-protected DDR3 RAM 1Gb (gigabit) QSPI NOR flash
SDHC slot (SDIO/MMC), supports up to 32GB SATA 3.0, via mSATA slot
Display HDMI port
24-bit LVDS interface
Networking 4x gigabit Ethernet ports (no PHY), via switch
2x gigabit Ethernet ports (each with onboard Atheros AR8033 PHY)
Other I/O
USB 3.0 OTG port USB 3.0 host port micro-USB 2.0 host port 2x CANBus (Flex CAN) 2.0B 2x UART interfaces
QE UART to header for PROFIBUS or RS485 (ext. transceiver required) 13x GPIO or 8x FTM (PWM)
6x interrupts SPI
2x I2C buses 4-wire LP-UART
Audio I/O (Freescale SGTL5000) Expansion
2x mini-PCIe slots (with USB, PCIe, and I2C signals)
Arduino Shield connector pair (includes 4x analog inputs, I2C, SPI, 2-wire UART, GPIO)
Other features reset button; secure boot, Trust arch., and tamper detection Power
12VDC +/- 5% 3W consumption
Power management (Freescale MC34VR500 PMIC) Operating
temperature 0 to 40°C Weight 1.2 k
Dimensions 200 x 170 x 58mm
Operating system Linux SDK for QorIQ Processors v1.7; OpenWRT Linux; optional CodeWarrior
표 2. LS1021A 주요 특징
§ LS1021A 에 사용되는 dual-core Cortex-A7 QorlQ SoC 프로세서의 블록 다이어그램은 그림 14 와 같고, LS1021A 보드는 그림 15 와 같음.
- 40 -
그림 14. QorlQ LS1021A 프로세서 블록 다이어그램
그림 15. IoT Gateway Reference Design 보드
그림 16. QORIO LS1021A-IoT Gateway System Block Diagram
Edge Gateway 5000 Series for IoT Solutions (Dell)
2)
§ 빌딩과 공장 자동화으로 IoT 를 위해서 벽이나 네트워크 가장자리(edge)에 위치하여 다양한 장치 및 센서들로부터 데이터를 수집하여 분석하고 적절한 동작을 수행할 수 있도록 도와주는 역할을 수행
§ Intel Atom processor 를 사용하여 다양한 데이터들을 gateway 에서 분석하여 클라우드 또는 데이터 센터로는 분석된 의미있는 데이터만 전달
§ 확장된 I/O 와 Independent Software Vendor(ISV) 미들웨어를 통한 다양한 통신 프로토콜 지원 가능
§ 그림 17 는 Dell Edge Gateway 5000 Series 모델이며, 표 3 는 모델 5000 과 5100 의 주요 특징을 요약한 것임
- 42 -
표 3. Dell Edge Gateway Model 5000 과 5100 의 주요 특징
GB-BXBT-3825 (GIGABYTE TECHNOLOGY)
3)
§ 어플리케이션 시나리오에 따라 사용자들의 빠른 설치를 도와주는 IoT gateway 솔루션 § Intel Atom E3825 dual-core 프로세서를 사용하며, 산업용 어플리케이션이 주용도임 § 데이터 집성과 필터링, 데이터 생성 장치와 분석 장치 사이의 공유 허브 역할 수행 § 지원 OS : 윈도우 7, 8.1, 인텔의 IoT gateway 솔루션에 활용되는 Wind River Linux
§ 그림 18 는 GB-BXBT-3825 의 사진이고,
§ 표 4 은 GB-BXBT-3825 의 주요특징을 요약한 것이며, 그림 19 은 Wind River Linux 의 소프트웨어 스택을 나타냄
그림 18. GB-BXBT-3825
Dimension 107.6(W) x 56.1(H) x 114.4(D) mm Motherboard MZBAYAD 100 x 105 mm
CPU Inter® Atom TM
Processor E3825
Dual core, 22nm, 1.33GHz, 1MB cache, 6W TDP Socket 1 x BGA 1170
Memory 1 x SO-DIMM slot, 1.35V DDR3L memory, Up to 8GB 1067MHz Pre-installed: 1 x Crucial® CT25664BF160B 2GB 1600MHz LAN 1 x GbE LAN port(Realtek RTL8111G)
Video
Intel® HD graphics
Max. resolution via HDMI: 1920x1080 @ 60Hz Max. resolution via VGA: 2560x1600 @ 60Hz Audio Realtek® ALC283
Storage
1 x 2.5” HDD/SSD internal bay Supports 7.0 & 9.5 mm HDD/SSD
Pre-installed: 1 x Western Digital® Blue WD5000LPVX, 2.5”, 500GB, 8MB buffer, 5,400rpm
SATA 1 x SATA III 6Gb/s port Expansion Slots 1 x Half-size Mini-PCIe slot
Pre-installed: 1 x WiFi + Bluetooth card, Azurewave® AW-NB159H Front I/O 1 x USB 3.0
Rear I/O 1 x USB 3.0 2 x USB 2.0 1 x HDMI-Out 1 x RJ45 1 x DC-In Side I/O 1 x VGA
1 x Headphone / MIC jack
Internal I/O
1 x SATA III 6Gb/s port 1 x Storage connector (20-pin) 1 x GPIO header
Power Supply AC 100 ~ 240V, 12V DC-In, 30W/2.5A
OS supported
Window 7 (32bit) Window 8.1 (32bit) Wind River Linux Weight 420g
System Fans Fanless
- 44 -
그림 19. Wind River Linux 기반의 Intel IoT solution 적용
mbed IoT Gateway (LPC1768이용)
4)
§ Low power wireless gateway
§ 센서 노드와의 통신을 위해 Xbee(ZigBee), XRF, WiFi 모듈 사용 가능하며, 인터넷 연결을 위해서 Ethernet 또는 WiFi 이용 가능
§ Open source 소프트웨어 사용 § 웹 기반 관리 지원
§ 그림 20 는 mbed IoT Gateway 개념도이고, 그림 21 은 mbed IoT Gateway 보드 사진이며, 표 9 는 mbed IoT Gateway 의 주요 특징임
그림 21. mbed IoT Gateway 용 보드
Microprocessor NXP LPC1768기반 개발 보드
ARM Cortex-M3, 96 MHz, 512K Flash, 32K RAM I/O Ethernet, SPI, I2C
Wireless module Xbee(ZigBee), XRF, WiFi
기타 특징 Online compiler 지원 및 Off-line tools 사용 가능 표 5. mbed IoT Gateway 주요 특징
Open Source IoT Gateway (Raspberry Pi2 + Apio Kit)
5)
§ Apio(www.apio.cc/en/)는 Apio OS 와 Apio kit(Dongle, General)를 가지고 IoT 용 솔루션을 개발하였음
§ 그림 22 은 Apio Dongle 의 사진이고, 표 10 은 Apio Dongle 의 주요 특징임 § IoT Gateway 의 경우, Raspberry Pi2 와 Apio Dongle 을 사용하여 구현 가능
² Apio Dongle 의 USB 인터페이스를 이용하여 Raspberry Pi2 와 그림 23 와 같이 연결 후 Open Source IoT Gateway 구현 가능
§ Apio OS 는 Apio Mesh(low-energy integrated wireless communication of Apio for personal wireless networks(LR-WPAN); based on the IEEE 802.15.4), Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, Serial(TTL) 연결을 지원
- 46 - Size 56 x 24.5 mm Controller ATmega256RFR2 CPU clock 16MHz Flash 256k SRAM 32k EEPROM 8k Radio 2.4GHz IEEE 802.15.4 Firmware Pre-installed
Firmware update Apio SDK/manual XBee socket Built-in
표 6. Apio Dongle 주요 특징
그림 23. Raspberry Pi2 와 Apio Dongle 을 이용한 IoT Gateway
6LoWPAN IoT Gateway (WEPTECH)
6)
§ 무선 IPv6 네트워크와 인터넷을 연결하는 6LoWPAN 네트워크의 border router 기능 수행 § 하드웨어 사양 : 32kB RAM, 512kB Flash 를 가지는 Texas Instruments(CC2538)의 ARM®
Cortex-M3 SoC 기반
² 2.4 GHz 대역의 802.15.4 무선 인터페이스 제공
² sub-GHz 송수신기(CC1200)는 868 or 915 MHz 주파수 대역 사용 가능 § 소프트웨어 : 오픈 소스 운영체제 “Contiki”기반
표 7. 6LoWPAN IoT Gateway 주요 특징
2. SW-SoC 가상화 플랫폼 기술
§ 기존의 하드웨어 프로토타입이 개발될 때까지 소프트웨어 개발이 지연되어야 하는 단점 보완 § 그림 25 와 같이 하드웨어와 소프트웨어를 동시에 개발 가능하게 해주는 가상 플랫폼 기반 설계에 대한 연구가 필요 그림 25. 가상화 플랫폼을 이용한 SoC 개발 방법- 48 -
가. Imperas 사의 OVP
○ Imperas사의 OVP (Open Verification Platform) 기술은 시뮬레이터를 중심으로 프로세서 플랫폼 생성 및 주변 장치 생성을 위한 iGen 및 C 또는 SystemC 연동을 위한 인터페이스 등으로 구성됨
- 소프트웨어 디버깅을 위한 GDB 및 Eclipse IDE를 지원
- ARM, Altera, Arc, Atmel, MIPS 등 다양한 프로세서 모델 및 플랫폼 모델 제공
- Altera, AMD, ARM, Atmel, Cirrus, Freescale, Intel, Marvell, MIPS, Philips 등 다양한 기업의 주변장치 모델 제공
그림 26. OVP 가상화 플랫폼
○ Imperas사의 제품은 크게 3가지 제품군으로 구성되며, 각 제품군에서 제공하는 기능은 다음과 같음
Imperas Developer Family Controller Standard Multicore C*DEV S*DEV M*DEV
Model Library V V V
iGen V V V
Simulation
Base capability, single core V V V
Standard: homogeneous V V
나. QEMU
QEMU의 개요
1)
§ QEMU 는 고속 에뮬레이터(Quick Emulator)의 약자로서 하드웨어 가상화를 수행하는 오픈 소스 하이퍼바이저(hypervisor)임. 여기서 하이퍼바이저란 호스트 컴퓨터에서 다수의 운영 체제를 동시에 실행하기 위한 논리적 플랫폼을 의미 § QEMU 는 머신 에뮬레이터로서, 가상 머신 안에서 수정하지 않은 그대로의 Windows 또는 Linux 같은 타겟 OS 와 모든 어플리케이션들을 실행 가능 § QEMU 자체는 리눅스, 윈도우, 맥 OS X 와 같은 호스트 OS 상에서 실행되고, 호스트 CPU 와 타겟 CPU 는 서로 다를 수 있음 § QEMU 는 리눅스 상에서 윈도우를, 또는 윈도우 상에서 리눅스를 실행하는 것과 같이 한 OS 상에서 다른 OS 를 실행하는 용도로 활용될 수 있음 § QEMU 의 유저 모드 에뮬레이션은 하나의 타겟 CPU 상에서 리눅스 프로세서들을 실행하는 머신 에뮬레이터의 일부분으로 크로스 컴파일러의 결과를 테스트하거나 완전한 가상 머신을 시작하지 않고 CPU 에뮬레이터를 테스트하고자 할 때 사용될 수 있음 § QEMU 는 다음과 같이 서브 시스템들로 구성
² CPU 에뮬레이터 (현재 x86, PowerPC, ARM and Sparc)
² 에뮬레이션 장치들 (예: VGA 디스플레이, 16450 직렬 포트, PS/2 마우스 및 키보드, IDE 하드디스크, NE2000 네트워크 카드 등)
² 일반 장치들 (예: 블록 장치들, 문자 장치들, 네트워크 장치들) : 에뮬레이션 장치들을 해당 호스트 장치에 연결하는데 사용
² 머신 디스크립션(machine description) (예: PC, PowerMac, Sun4m) : 에뮬레이션 장치들을 인스턴스화 ² 디버거 ² 유저 인터페이스
지원 모드
2)
§ 사용자 모드 에뮬레이션과 시스템 모드 에뮬레이션이라는 두 가지 운영 모드 지원 ² 사용자 모드 에뮬레이션 - 호스트 CPU 로 동적 변환 과정을 수행하고 리눅스 시스템 호출을 적절히 바꾸는 방법으로) 특정 CPU 용으로 만들어진 프로세스를 다른 CPU 에서 수행하도록 함 - 프로세서와 관련 주변 장치를 포함한 전체 시스템을 에뮬레이션 - x86 코드를 x86 호스트 시스템에서 에뮬레이션할 때 QEMU 가속기라는 컴포넌트를- 50 - 사용해서 거의 실제 기계에서 동작하는 성능을 발휘함. 이 가속기는 (커널 모듈을 통해 리눅스에서) 에뮬레이션하는 코드를 호스트 CPU 에서 직접 실행함 ² 시스템 모드 에뮬레이션 - 프로세서와 가상 주변 기기들을 포함한 완전한 컴퓨터 시스템을 에뮬레이션 - 한 컴퓨터에 여러 개의 가상 컴퓨터의 가상 호스팅을 제공하는 데 사용 가능 - 리눅스 윈도, 도스, BSD 와 같은 많은 게스트 운영 체제들을 시동할 수 있으며, 여러 개의 x86, amd64, alpha, mips, 그리고 sparc 과 같은 하드웨어 플랫폼들의 에뮬레이션을 지원
