로켓 과학자가 아니더라도 VPX 보드 크기에 신경 써야 하는 이유(로켓 과학자가 아니더라도)

하이엔드 그래픽 카드와 냉각 시스템을 모두 갖춘 강력한 게이밍 PC를 배낭에 넣는다고 상상해 보세요. 이는 군용 차량, 항공기, 산업 자동화 등 열악한 환경을 위한 고성능 컴퓨터 시스템을 설계할 때 엔지니어들이 직면하는 문제와 본질적으로 유사합니다. 이러한 시스템은 매우 강력하고 안정적이며 극한의 온도, 충격, 진동을 견딜 수 있어야 합니다. 이것이 바로 VPX 보드가 필요한 이유입니다.

VPX는 이러한 까다로운 애플리케이션을 처리할 수 있는 견고한 모듈식 컴퓨터 시스템을 구축하기 위한 일련의 표준입니다. 하지만 문제는 이러한 VPX 보드의 크기가 단순히 상자에 맞추는 문제가 아니라는 점입니다. 이는 시스템의 성능, 냉각 방식, 궁극적으로 시스템의 기능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 너무 작으면 고속도로에 합류하기에 충분한 출력을 얻지 못하고, 너무 크면 연료를 낭비하고 불필요한 무게를 지게 되는 자동차에 적합한 크기의 엔진을 선택하는 것과 같다고 생각하면 됩니다. VPX의 세계에서 적절한 보드 크기를 선택하는 것은 섬세한 균형을 잡는 작업입니다. 이 글에서는 하드코어 엔지니어가 아니더라도 쉽게 이해할 수 있도록 다양한 크기와 관련된 장단점, 그리고 이 모든 것이 중요한 이유를 살펴보면서 VPX 보드 치수의 세계에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

구성 요소: VPX와 표준의 간략한 역사

다양한 크기에 대해 살펴보기 전에 VPX의 유래에 대해 간략히 알아봅시다. 이 모든 것은 과거에 산업 및 군용 컴퓨터 시스템을 구축하는 데 널리 사용되던 VMEbus라는 오래된 기술에서 시작되었습니다. 하지만 기술이 발전함에 따라 VMEbus는 한계를 드러내기 시작했습니다. 최신 애플리케이션의 증가하는 요구 사항을 처리하기에 충분히 빠르지 않았고, 필요한 만큼 견고하지도 않았습니다.

투박하고 낡은 전화 접속 모뎀에서 오늘날의 초고속 광섬유 인터넷으로 전환하는 것과 비슷합니다. 엄청난 도약이 필요했습니다. 바로 이때 VPX가 등장했습니다. 2000년대 중반에 출시된 VPX는 보다 강력하고 훨씬 빠른 VMEbus의 후속 제품으로 설계되었습니다. 고급 커넥터 기술과 고속 직렬 통신을 사용하여 성능을 크게 향상시켰습니다.

그렇다면 VPX와 같은 표준이 중요한 이유는 무엇일까요? 모든 휴대폰 충전기가 다르거나 전구마다 고유한 소켓이 있는 세상을 상상해 보세요. 혼란스럽겠죠? 표준은 서로 다른 제조업체의 다양한 구성 요소가 원활하게 함께 작동할 수 있도록 보장합니다. 표준은 호환 가능한 제품의 건강한 생태계를 조성하여 복잡한 시스템을 보다 쉽고 비용 효율적으로 구축할 수 있게 해줍니다. VPX의 경우 VITA 46.0 표준(및 관련 표준)은 VPX 보드의 기계적 및 전기적 사양을 정의하여 상호 운용성을 보장하고 시스템 통합을 간소화합니다. 이 표준화는 VPX 생태계의 초석으로, 제조업체 간의 혁신과 경쟁을 촉진합니다.

주요 플레이어를 만나보세요: 3U 및 6U VPX 보드 설명

이제 문제의 핵심인 다양한 크기의 VPX 보드에 대해 알아봅시다. 가장 일반적인 두 가지 폼 팩터는 3U와 6U입니다. "U"는 랙에 장착된 장비의 표준 측정 단위인 "랙 유닛"을 의미합니다.

3U: 컴팩트 챔피언

3U VPX 보드는 작고 민첩한 스포츠카라고 생각하면 됩니다. 더 작고 가벼워 공간과 무게가 중요한 애플리케이션에 이상적입니다.

• 크기 및 치수: 3U VPX 보드는 높이가 약 100mm(약 4인치), 깊이가 약 160mm(약 6.3인치)입니다. 규모를 더 잘 느끼실 수 있도록 작은 신발 상자나 두꺼운 하드커버 책 정도의 크기입니다. 일반적으로 시스템에서 보드 사이의 간격을 나타내는 슬롯 피치는 0.8인치 또는 1.0인치로 제공됩니다.
• 커넥터 영역: 이러한 보드에는 커넥터를 위해 지정된 특정 영역이 있으며, 시스템 내의 다른 보드 및 구성 요소에 연결하는 데 사용됩니다. P0, P1, P2와 같은 용어를 자주 듣게 될 것입니다. 컴퓨터의 다양한 유형의 포트라고 생각하면 됩니다. 일부는 전원용, 일부는 고속 데이터용, 일부는 기타 특수 기능을 위한 포트입니다. 이러한 커넥터 영역의 배열과 기능은 백플레인 설계(모든 보드를 연결하는 백본)에 매우 중요합니다.
• 냉각 문제: 여기서 흥미로운 점이 있습니다. 작은 공간에 많은 처리 능력을 담으면 많은 열이 발생합니다. 안정적인 작동을 위해서는 3U 보드를 시원하게 유지하는 것이 필수적입니다. 크기가 작기 때문에 기존의 냉각 방식으로는 문제가 될 수 있습니다. 엔지니어들은 웨지 잠금 장치와 같은 특수 부품을 통해 보드에서 섀시로 열이 전달되는 전도 냉각 방식에 의존하는 경우가 많습니다. 이러한 부품은 열교처럼 작동하여 민감한 부품에서 열을 전도합니다.
• 사용 사례: 3U VPX 보드는 공간이 협소하고 무게가 우려되는 애플리케이션에 적합한 선택입니다. 다음과 같은 경우를 생각해 보세요:
  • 무인 항공기(UAV): 드론은 내비게이션, 이미지 처리, 통신을 위한 강력한 온보드 컴퓨터가 필요하지만 가볍고 에너지 효율적이어야 합니다.
  • 휴대용 통신 시스템: 군용 무전기 및 기타 휴대용 통신 디바이스에는 견고하고 컴팩트한 컴퓨팅 솔루션이 필요합니다.
  • 미사일 유도 시스템: 이러한 시스템은 작고 가벼워야 하며 극심한 가속과 진동에도 견딜 수 있어야 합니다.

6U: 헤비급 영웅

3U 보드가 스포츠카라면 6U 보드는 VPX 세계의 대형 트럭에 해당합니다. 더 크고 강력하며 복잡한 시스템을 위한 더 큰 유연성을 제공합니다.

• 크기 및 치수: 6U VPX 보드는 높이가 약 233.35mm(9.2인치)로 3U 보드의 약 2배에 달하며, 깊이는 160mm(6.3인치)로 동일하게 유지됩니다. 따라서 작업할 수 있는 공간이 훨씬 더 넓어집니다. 또한 0.8인치 또는 1.0인치 슬롯 피치도 제공됩니다.
• 더 넓은 공간, 더 강력한 성능: 이 추가 공간은 구성 요소, 더 강력한 프로세서, 더 많은 고급 기능을 위한 더 많은 공간으로 이어집니다. 더 큰 캔버스에 그림을 그리는 것과 같아서 더 복잡하고 성능이 뛰어난 시스템을 더 자유롭게 만들 수 있습니다.
• 고급 커넥터 옵션: 6U 보드에는 3U 보드에 있는 커넥터 영역 외에 추가 커넥터 영역(P3, P4, P5, P6)이 있습니다. 이러한 추가 영역은 주변 장치, 특수 I/O 모듈 및 고속 통신 링크에 연결할 때 더 많은 유연성을 제공합니다. 이를 통해 보다 복잡한 백플레인 토폴로지가 가능하여 정교한 시스템 아키텍처를 구현할 수 있습니다.
• 향상된 냉각 기능: 6U 보드는 더 많은 공간을 제공하지만, 더 많은 열을 발생시키는 더 강력한 구성 요소를 수용하는 경향이 있습니다. 다행히도 크기가 크면 고급 냉각 솔루션을 사용할 수 있습니다. 6U 시스템은 전도 냉각 외에도 팬이 보드에 직접 공기를 불어넣어 열을 발산하는 공기 흐름 냉각을 활용하는 경우가 많습니다. 가장 까다로운 애플리케이션의 경우, 보드의 특수 채널을 통해 냉각수를 순환시켜 열을 더욱 효과적으로 제거하는 액체 냉각을 사용할 수 있습니다.
• 사용 사례: 6U VPX 보드는 다음과 같은 고성능 애플리케이션의 주력 제품입니다:
  • 레이더 처리: 레이더 시스템은 방대한 양의 데이터를 실시간으로 분석하기 위해 엄청난 처리 능력이 필요합니다. 6U 보드는 이러한 까다로운 작업에 필요한 마력을 제공합니다.
  • 전자전(EW): EW 시스템은 정교한 전자 위협을 탐지, 분석, 대응할 수 있어야 합니다. 6U VPX의 처리 능력과 유연성은 이 영역에서 필수적입니다.
  • 신호 인텔리전스(SIGINT): 이러한 시스템은 통신 신호를 가로채서 분석하므로 고속 처리와 대용량의 메모리가 필요한데, 6U 보드는 이를 쉽게 제공할 수 있습니다.
  • 고성능 임베디드 컴퓨팅(HPEC): 복잡한 시뮬레이션이나 실시간 데이터 분석 등 최고의 처리 성능을 필요로 하는 모든 애플리케이션은 6U VPX의 기능을 활용할 수 있습니다.

틀에서 벗어난 사고: 표준 크기가 적합하지 않을 때

3U와 6U가 가장 일반적인 VPX 보드 크기이지만, 이 두 가지가 유일한 옵션은 아닙니다. 프로젝트에 따라 다른 접근 방식이 필요한 고유한 요구 사항이 있는 경우도 있습니다.

절반 높이의 스키니 3U

표준 3U 보드의 높이가 너무 높아서 사용 가능한 공간에 맞지 않는 상황을 상상해 보세요. 바로 이 경우 절반 높이 3U VPX 보드의 틈새 솔루션이 필요합니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 보드는 동일한 깊이를 유지하면서 표준 3U 보드 높이의 약 절반에 불과합니다. 따라서 밀리미터 단위가 중요한 초소형 시스템에서 사용할 수 있습니다. 하지만 이렇게 크기가 줄어든 만큼 단점도 있습니다. 구성 요소를 위한 공간이 줄어들고 커넥터 옵션이 줄어들며 열 관리 문제가 더 커집니다. 절반 높이의 3U 보드는 일반적으로 공간 제약이 가장 중요한 매우 특수한 애플리케이션을 위해 예약되어 있습니다.

OpenVPX: 보드 크기에 맞는 선택형 어드벤처

OpenVPX(VITA 65)는 VPX 에코시스템에 또 다른 유연성을 추가합니다. 보다 모듈화되고 적응력이 뛰어난 VPX 버전이라고 생각하면 됩니다. 보드와 백플레인에 대한 다양한 구성을 지정하는 일련의 '프로파일'을 정의합니다. 완벽한 시스템을 만들기 위해 다양한 방식으로 결합할 수 있는 빌딩 블록 세트와 같습니다.

OpenVPX는 완전히 새로운 보드 크기를 정의하지는 않지만 커넥터 사용 방식과 보드 상호 연결 방식에 변화를 줄 수 있습니다. 이를 통해 시스템 설계자는 특정 성능 및 I/O 요구 사항을 충족하도록 아키텍처를 미세 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 시스템에서 3U 보드와 6U 보드를 혼합하여 사용하거나 커넥터 구성이 다른 보드를 모두 동일한 OpenVPX 프레임워크 내에서 사용할 수 있습니다. 이러한 유연성은 다양한 처리 및 I/O 요구 사항이 있는 복잡한 시스템에서 특히 유용합니다.

맞춤형으로 전환: 필요에 맞게 VPX 조정하기

때로는 OpenVPX의 유연성만으로는 충분하지 않을 수도 있습니다. 이러한 경우 엔지니어는 맞춤형으로 설계된 VPX 보드를 선택할 수 있습니다. 이는 사용자의 치수와 선호도에 정확히 맞춘 맞춤 정장을 받는 것과 같습니다. 맞춤형 VPX 보드는 비정상적인 공간에 적합하거나 특정 구성 요소를 수용하거나 고유한 성능 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있습니다.

하지만 커스텀 보드를 제작하는 데에는 여러 가지 어려움이 따릅니다. 맞춤형 보드를 디자인하는 것은 복잡하고 시간이 많이 소요되는 과정입니다. 전문 지식이 필요하며 표준 보드를 사용하는 것보다 훨씬 더 비쌀 수 있습니다. 또한 고려해야 할 잠재적인 호환성 문제도 있습니다. 맞춤형 보드는 기성 VPX 구성 요소와 원활하게 작동하지 않을 수 있으므로 추가 맞춤화 또는 전문 통합 작업이 필요할 수 있습니다.

이러한 어려움에도 불구하고 맞춤형 VPX 보드는 특정 애플리케이션에 이상적인 솔루션이 될 수 있습니다. 예를 들어, 방위 계약업체는 고유한 보안 요구 사항이 있는 기밀 프로젝트를 위한 특수 보드가 필요할 수 있습니다. 또는 연구 기관에서는 유일무이한 과학 장비와 인터페이스하기 위한 맞춤형 보드가 필요할 수 있습니다. 이러한 경우 맞춤형 솔루션의 이점이 비용과 복잡성보다 더 클 수 있습니다.

커넥터, 구성 요소 및 스퀴즈 플레이: 모든 것을 맞추는 방법

보드 크기에 대해 많이 이야기했지만, 보드에는 구성 요소가 가득 차 있으며 모든 구성 요소를 연결해야 한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이때 커넥터가 중요한 역할을 하며, 커넥터는 VPX 시스템의 전체 크기와 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

VPX 보드는 신호 저하를 최소화하면서 대량의 데이터를 처리하도록 설계된 특수 고속 커넥터를 사용합니다. "MultiGig RT"와 같은 용어를 들어보셨을 겁니다. 이러한 커넥터는 작은 공간에 수백 개의 핀을 집적하면서도 열악한 환경에서도 안정적인 연결을 보장하는 엔지니어링의 경이로움입니다. 충격, 진동, 극한의 온도를 견딜 수 있도록 설계되어 가장 까다로운 조건에서도 데이터 무결성을 보장합니다.

VPX 보드에 사용되는 커넥터의 유형과 밀도는 보드의 크기와 기능에 직접적인 영향을 미칩니다. 커넥터가 많을수록 I/O 용량이 커지지만 보드의 공간도 더 많이 차지합니다. 엔지니어는 특정 애플리케이션에 필요한 커넥터의 수와 유형을 신중하게 고려하여 I/O 요구 사항과 공간 제약의 균형을 맞춰야 합니다.

커넥터 외에도 보드에 부품을 배치하는 것도 중요합니다. 엔지니어는 정교한 소프트웨어 도구를 사용하여 부품 배치를 최적화하여 신호 경로 길이를 최소화하고 전자기 간섭을 줄입니다. 이는 최적의 성능을 보장하기 위해 모든 조각이 완벽하게 맞아야 하는 복잡한 3D 퍼즐을 푸는 것과 같습니다. 고밀도 인터커넥트(HDI)와 같은 기술은 부품 밀도를 더욱 높이기 위해 PCB 제조에 사용되어 단일 보드에 더 많은 기능을 담을 수 있습니다.

시원하게 유지하세요: 열 관리에 크기가 중요한 이유

열은 전자제품의 적입니다. 부품이 점점 더 작아지고 강력해지면서 더 많은 열이 발생하고, 그 열을 관리하는 것이 중요한 과제가 되고 있습니다. 특히 보드가 밀폐된 섀시에 밀집되어 있는 경우가 많은 VPX의 경우 더욱 그렇습니다.

VPX 보드의 크기는 열 관리 요구 사항에 큰 영향을 미칩니다. 3U와 같이 작은 보드는 열을 방출할 표면적이 적기 때문에 냉각하기가 더 어렵습니다. 6U와 같이 보드가 클수록 방열판 및 기타 냉각 메커니즘을 위한 공간이 더 넓지만, 더 많은 열을 발생시키는 더 강력한 구성 요소를 수용하는 경향이 있습니다.

다음은 VPX 시스템에서 사용되는 일반적인 냉각 기술에 대한 요약입니다:

• 전도 냉각: 이는 특히 열악한 환경에서 VPX 보드를 냉각하는 일반적인 방법입니다. 열은 보드에서 섀시로 직접 접촉을 통해 전달되며, 웨지 잠금 장치와 같은 특수 부품을 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 웨지 잠금 장치는 보드를 섀시에 고정하고 열이 빠져나갈 수 있는 열 경로를 제공하는 두 가지 용도로 사용됩니다. 갭 패드 또는 열 페이스트와 같은 열 인터페이스 재료는 보드와 섀시 사이의 열 전달 효율을 개선하는 데 사용됩니다. 이 방법은 효과적이지만 섀시 자체가 열을 효과적으로 방출할 수 있는지에 따라 달라집니다.
• 공기 흐름을 통한 냉각: 이 기술은 팬을 사용하여 VPX 보드에 직접 공기를 불어넣어 열을 제거합니다. 전도 냉각보다 더 적극적인 냉각 방법이며 고전력 애플리케이션에서 더 효과적일 수 있습니다. 하지만 공기 흐름 경로를 신중하게 고려해야 하며 먼지 및 기타 오염 물질에 더 취약할 수 있습니다. 공기 흐름을 통한 냉각은 6U 보드의 크기가 더 커서 공기 흐름이 더 좋기 때문에 6U 보드에 더 일반적으로 사용됩니다.
• 액체 흐름 냉각: 가장 극한의 열 관리가 필요한 경우 액체 냉각을 사용할 수 있습니다. 여기에는 특수 유전체 유체와 같은 냉각수를 VPX 보드의 채널을 통해 순환시키는 것이 포함됩니다. 냉각수는 구성 요소에서 열을 흡수하여 열 교환기로 운반하여 열을 발산합니다. 액체 냉각은 매우 효과적이지만 시스템에 복잡성과 비용이 추가됩니다. 일반적으로 고성능 레이더 또는 전자전 시스템과 같이 가장 까다로운 애플리케이션에 사용됩니다.

냉각 방법의 선택은 보드의 크기, 구성 요소의 전력 소비량, 운영 환경, 전체 시스템 설계 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 엔지니어는 종종 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 열 흐름을 모델링하고 선택한 냉각 솔루션이 효과적인지 확인합니다.

미래는 작고 빠릅니다: VPX의 다음 단계는 무엇인가요?

임베디드 컴퓨팅의 세계는 끊임없이 진화하고 있으며 VPX도 예외는 아닙니다. 엔지니어들은 항상 한계를 뛰어넘어 더 작고, 더 빠르고, 더 강력한 시스템을 만들기 위해 노력하고 있습니다.

한 가지 트렌드는 더 작은 폼 팩터를 향한 움직임입니다. VNX라고도 하는 VITA 74는 3U VPX보다 더 작은 폼 팩터를 정의하는 새로운 표준입니다. VNX 보드는 매우 작기 때문에 소형 무인 항공기나 웨어러블 전자기기와 같이 공간이 극도로 제한된 애플리케이션에 적합합니다. 하지만 크기가 작아지면 열 관리 및 I/O 밀도 측면에서 더 큰 어려움이 따릅니다.

또 다른 주요 트렌드는 광학 인터커넥트의 사용 증가입니다. 광 인터커넥트는 보드 간에 데이터를 전송할 때 전기 신호를 사용하는 대신 빛을 사용합니다. 이를 통해 훨씬 더 높은 대역폭과 낮은 지연 시간을 제공하여 더 빠른 데이터 전송과 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 광 인터커넥트는 VPX 업계에서 아직은 비교적 새로운 기술이지만 미래의 고성능 시스템에 큰 가능성을 가지고 있습니다. 광학 기술의 채택은 향후 보드 설계에 영향을 미쳐 새로운 커넥터 유형과 백플레인 아키텍처로 이어질 가능성이 높습니다.

시스템 온 칩(SoC) 기술의 부상은 VPX 보드 설계에도 영향을 미치고 있습니다. SoC는 처리, 메모리, I/O와 같은 여러 기능을 단일 칩에 통합합니다. 이를 통해 필요한 개별 구성 요소가 줄어들기 때문에 VPX 보드의 크기와 복잡성을 줄일 수 있습니다. 또한 SoC는 성능을 개선하고 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 하지만 SoC를 VPX 에코시스템에 통합하려면 표준화 및 상호 운용성 측면에서 과제가 있습니다.

이는 VPX의 미래를 형성하고 있는 트렌드 중 일부에 불과합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 더 작고, 더 빠르고, 더 뛰어난 성능의 시스템으로 이어지는 VPX 보드 설계의 혁신이 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다. 새로운 VITA 표준의 지속적인 개발은 이러한 발전을 주도하고 VPX 에코시스템의 지속적인 성공을 보장하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

마무리: 크기, 성능 및 VPX의 이점

VPX 보드 치수에 대한 이 글에서 많은 내용을 다루었습니다. 핵심은 크기는 단순히 물리적 크기에 관한 것이 아니라 VPX 시스템의 설계와 기능의 모든 측면에 영향을 미치는 중요한 요소라는 것입니다. 보드에 패킹할 수 있는 구성 요소의 수부터 냉각에 사용되는 방법에 이르기까지 크기는 중요한 역할을 합니다.

3U, 6U 또는 맞춤형 폼 팩터 등 적합한 VPX 보드 크기를 선택하려면 애플리케이션의 특정 요구 사항을 신중하게 고려해야 합니다. 엔지니어는 성능 요구 사항과 공간 및 무게 제약, 열 관리 문제, 전체 시스템 아키텍처 간의 균형을 맞춰야 합니다.

VPX 표준은 고성능 임베디드 컴퓨팅 시스템 구축을 위한 견고하고 유연한 플랫폼을 제공합니다. 모듈식 설계와 다양한 보드 크기 및 구성이 결합되어 항공우주 및 방위 산업부터 산업 자동화 및 과학 연구에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 적합합니다.

견고한 고성능 컴퓨팅 솔루션을 찾고 있다면 VPX는 강력하고 다재다능한 플랫폼을 제공합니다. 커넥터 기술, 열 관리 및 구성 요소 통합의 발전에 힘입어 지속적으로 진화하고 있으며, 앞으로도 임베디드 컴퓨팅의 선두를 유지할 것입니다. 귀사의 특정 요구 사항을 충족하고 차세대 고성능 시스템을 구축하는 데 VPX가 어떻게 도움이 되는지 자세히 알아보려면 당사에 문의하세요.