차세대 인터페이스 비교

사양 내역 파악, 차세대 인터페이스 비교

이번 기사는 차세대 이더넷, USB, Camera Link, CoaXpress 표준에 대한 개요와 함께 각 인터페이스를 비교한 내용을 담고 있으며, 향후 주목해야 할 인터페이스로 Thunderbolt3을 소개합니다. 이 카메라 인터페이스들은 그간 머신 비전 업계의 성장을 도왔으며, 미래에도 계속해 성장을 지원 할 것으로 예상됩니다.

10 기가비트 이더넷

이더넷은 1983년 IEEE 802.3 표준으로 채택되기 10년 전에 시중에 출시되었습니다. 그 이후로 신뢰성, 활용도. 속도가 꾸준히 개선되면서 이더넷 기술은 진정한 유비쿼터스 기술로 거듭났습니다. 2016년을 기준으로, 전 세계에서 판매되는 머신 비전 카메라 2대 중 1대는 기가비트 이더넷(GigE) 인터페이스를 사용하는 것으로 조사되었습니다.

향상된 속도, 줄어든 대기 시간을 제공하는 10 기가비트 이더넷(10GigE)은 GigE의 강점을 이어 받아 개선시킨 제품입니다. 초당 10Gbit의 대역폭을 갖춘 10GigE FLIR Oryx를 활용하면, 경제적이고 손쉽게 구할 수 있는 케이블(최대 60미터)을 통해 비압축식 12 비트 4K60 동영상을 전송 할 수 있습니다. FLIR Oryx가 지원하는 10 기가비트 이더넷의 10GBASE-T 실행 시, 흔히 볼 수 있는 RJ45 커넥터와 연선 동 케이블이 상용됩니다.

IT 업계는 네트워크 인프라용으로 10GigE를 채택하였습니다. Apple, Asus 등의 지원 덕분에 10GigE는 소비자 인터페이스로서 빠르게 주목을 받고 있습니다. 10GigE가 널리 보급됨에 따라, 다양한 저가형 제품과 고성능 제품으로 구성된 강력한 생태계가 조성되었습니다.

이더넷 전원 장치(PoE) 표준의 개정 버전이 도입되었습니다. IEEE 802.3bt의 경우, 널리 채택되지는 않았지만 10 기가비트 링크를 통해 PoE를 가능케 합니다. 현재는 활용 가능한 PoE 10GigE 머신 비전 카메라가 없습니다.

10GBASE-T는 IEEE 1588 정밀 시간 프로토콜(PTP)을 지원합니다. 이 프로토콜을 활용하면, FLIR Oryx와 같이 카메라가 사용자 감시없이 자동으로 내부 클럭을 서로 및 다른 이더넷 활성화 하드웨어와 동기화 할 수 있습니다.

USB 3.2

최근에 마련된 USB 3.2 사양은 대중적으로 활용되는 인터페이스를 대대적으로 개정하는 내용을 담고 있습니다. USB 3.2는 C형 커넥터의 양 측면을 모두 사용하여, 2개의 USB 3.1 링크를 병렬로 지원함으로써 최대 초당 20Gbps의 전송 속도를 구현하는 기술입니다. USB 3.0에서 USB 3.1로의 전환되면서 도입된 Gen 1과 Gen 2의 구분은 USB 3.2에서도 유지됩니다.

Gen 1과 Gen 2 기술의 가장 큰 차이점은 신호 속도, 인코딩 효율, 최대 케이블 길이라고 볼 수 있습니다. Gen 2는 신호 속도를 초당 5Gbit에서 초당 10Gbit로 높이고 Gen 1에 사용되는 8/10b 인코딩이 아닌, 보다 효율적인 128/132b 인코딩을 채택했다는 점이 특징입니다. 인코딩 오버 헤드를 저감한다는 것은 Gen 2 제품 실제 사용 시 구현되는 전송 속도가 신호 속도와 훨씬 가까워진다는 것을 의미합니다. Gen 1 제품은 실제 처리량이 초당 4Gbit이지만, Gen 2 제품은 초당 9.7Gbit까지 처리 할 수 있습니다.

케이블 길이의 경우, Gen 1은 최대 5미터이나, 2세대는 최대 1미터로 제한됩니다. 짧은 케이블 길이 때문에 USB 3.2 Gen 2는 앞으로 활성 광학 케이블의 가격이 보다 저렴해질 때까지 보급이 더딜 것으로 예상됩니다.

USB 레인 번호와 세대를 함께 활용하면, 소비자들 사이에 혼란을 야기 할 가능성이 있습니다. USB 3.2 인터페이스의 경우, USB 3.1에 비해 속도가 항상 빠른 것은 아닙니다. 상대적으로 비효율적인 USB 3.1 Gen 1의 인코딩 성능을 두 배로 증가시킨다고 하더라도, USB 3.1 Gen 2 제품에 비해 약 20% 느릴 수 있습니다. 각 USB 세대의 최대 케이블 길이에 차이가 있다는 것은, 소비자들이 자신이 사용하는 인터페이스 세대에 맞는 적정한 길이의 케이블을 선택한다는 의미입니다.

USB는 화상 데이터를 카메라에서 시스템 메모리로 직접 스트리밍 할 수 있게 도와주는 직접 메모리 접근(DMA) 기능을 지원합니다. 이 기능은 메모리 대역폭과 CPU 성능이 제한된 자체 응용 프로그램을 활용 할 때 이상적입니다.

그림 1. USB 표준 공시 내역 및 처리량 비교

Thunderbolt3

Thunderbolt 인터페이스는 아직까지 머신 비전 업계에서 별다는 주목을 받고 있지는 않지만, Thunderbolt3는 이런 판도를 바꾸어 놓을 가능성이 있는 기술입니다. 최대 초당 40Gbit의 속도, 사용 편의성, 친숙한 USB C형 커넥터를 활용하기 때문에 활용성이 높을 것으로 기대됩니다. Thunderbolt3은 또한 USB 전원 공급 기능을 지원하기 때문에, 최대 100W의 전원을 공급 할 수 있습니다. 그러나, 50cm로 제한되어 있는 케이블 길이 때문에, 더 안정적이고 경제적인 활성 광학 케이블이 시중에 출시될 때까지 Thunderbolt3의 파급력은 제한적일 가능성도 있습니다.

Thunderbolt3 케이블을 통한 최고 신호 속도는 초당 40Gbps에 달하지만, 실제 처리량은 현저히 낮을 것으로 예상됩니다. 호스트와 장치와 PHY를 PCIe 3.0 x4로 연결하면, 최대 초당 32Gbps의 대역폭을 만들어낼 수 있습니다. 나머지 대역폭의 경우, HD 및 UHD 모니터용 DisplayPort 신호를 전송하는데 사용됩니다. PHY의 PCIe 인터페이스는 호스트 측에서 DMA를 활성화시킵니다.

Thunderbolt 기술을 개발하고 운용하는 Intel은 앞으로 새롭게 출시된 모든 칩셋에 Thunderbolt3을 적용 할 것이라고 최근 밝힌 바 있습니다. 또한, 다른 제조업체들이 Thunderbolt 인터페이스를 채택하도록 유도하기 위해 라이선스 요건도 완화하였습니다. Thunderbolt3 채택을 장려하는 Intel의 노력 덕분에 Thunderbolt3을 활용하는 호스트는 많아졌지만, Thunderbolt 인터페이스를 활용하는 기기는 아직 많지 않은 특이한 시장이 형성되었습니다. 아직까지 시중에 출시된 Thunderbolt3 머신 비전 카메라는 없습니다.

CameraLink HS

CameraLink HS 표준은 지난 2012년에 수립되었습니다. CameraLink HS는 기존 CameraLink 인터페이스의 속도와 케이블 활용도를 향상시킨 인터페이스입니다. 특히, CameraLink HS 표준은 사용자가 케이블 길이와 전송 속도를 적절히 조절 할 수 있도록 몇 가지 유형의 케이블 옵션을 지원합니다. 가격도 비싸고 사용하기도 불편했던 이전 세대의 케이블과는 완전히 달라졌습니다. CRC 오류 수정 및 데이터 재전송 기능은 전송 신뢰도를 향상시켜줍니다. 단일 비트 전송 오류는 자동으로 감지되고 수정됩니다. 고속 프로그램 실행을 위해 추가적인 대역폭이 필요한 경우에는 최대 8개의 케이블을 병렬로 연결하여 활용 할 수 있습니다.

그림 2. CameraLink HS와 사용 가능한 케이블 정보

다양한 개선 작업이 이루어지긴 했지만, CameraLink HS는 여전히 일반 소비자가 사용 할 수 있는 인터페이스는 아닙니다. 특히, DMA를 지원하지 않습니다. 대신, 가능한 빠르게 화상 데이터를 FPGA로 전송 할 수 있도록 설계되었습니다. 시스템은 입력된 CameraLink HS 화상 데이터를 사용자에게 전달되기 이전에 프레임 그래버(frame grabber)라는 기능을 통해 데이터를 수신하고 조각을 맞춥니다. 이는 비전 시스템을 더욱 복잡하게 만들고 비용을 높이게 됩니다. 여러 대의 PC로 데이터 분리 토폴로지 기술을 활용하는 시스템을 실행 할 경우, 이는 시스템을 더욱 복잡하게 만듭니다.

CoaXPress 2.0

2017년 초에 마련된 CoaXpress 2.0 사양은 고속 프로그램에 중점을 두고 성능 및 기능을 향상시켰습니다. CoaXpress는 HD-SDI를 통한 4K60 동영상을 기반으로 초당 6.25Gb에서 초당 12.5Gb까지 단일 채널의 속도를 높여줄 수 있는 기술을 차용합니다. 이러한 속도라면, 사용자는 4-코어 케이블을 통해 초당 4Gb의 속도로 화상 데이터를 카메라에서 호스트 장치에 전송 할 수 있습니다. 최대 업링크 속도도 두 배로 늘어나면, 500kHz 이상의 속도로 트리거링이 가능해집니다. CoaXpress 2.0은 복수 수신처 전송을 지원하기 때문에 카메라가 여러 호스트 PC의 프레임 그래버로 데이터를 보낼 수 있게 도와줍니다.

CoaXpress 2.0형 케이블의 최대 길이는 표준 CoaXpress와 마찬가지로 최대 40m에 달합니다. 단일 레인 동축 케이블의 경우, 가격이 경제적 입니다. 반면, 다중 레인 케이블 어셈블리나 프레임 그래버를 활용하면 비용이 빠르게 불어날 수도 있습니다.

자동화 광학 장치 검사

자동 광학 검사기(AOI)는 매우 다양한 분야에 걸쳐 활용되고 있기 때문에 모든 경우에 맞는 최적의 인터페이스가 존재하지 않습니다.

인쇄 또는 박막 제조 등 연속 공급 공정의 경우, 매우 높은 프레임률을 제공하는 카메라가 필요합니다. CoaXpress 및 CameraLink HS를 다중 레인으로 구성하면, 높은 대역폭은 제공 할 수 있기 때문에 이러한 용도로 이상적이며, 라인 스캔 카메라에 비해 우수한 결과를 기대 할 수 있습니다. CoaXpress의 다중 호스트 지원 기능은 사용자가 여러 대의 PC를 사용하여 작업을 병렬 처리 할 수 있게 도와줍니다.

검사 시스템의 경우, 카메라 및 인터페이스 속도 이외의 요인으로 인해 성능이 제한되는 경우가 많습니다. 팬-아웃 출력 웨이퍼 패키징을 대상으로 반도체 검사 등을 수행하면, 기계 공정에 제약을 받게 됩니다. 이러한 사용 분야에서는 CameraLink HS와 CoaXpress을 통해 구현한 높은 프레임률이 시스템 성능에 큰 영향을 줄 수 없습니다. 단지, 비용 부담과 복잡성만 증가시키게 됩니다. USB 3.2와 10 기가비트 이더넷은 빠른 속도, 사용 편의성, 경제적인 유지 비용을 고려했을 때, 검사 작업에 가장 이상적인 인터페이스라고 할 수 있습니다.

일부 AOI 시스템은 대형 기계설비의 일부분으로 설치되는 경우가 있습니다. 모터나 다른 장비는 사용자가 원하지 않는 전자파 방해(EMI)을 생성 할 수도 있습니다. USB 3.2와 Thunderbolt3은 다량의 EMI가 발생하는 환경에서 사용하기 위해 개발된 인터페이스가 아닙니다. EMI가 발생하기 쉬운 환경에서 이러한 인터페이스의 신뢰성을 확보하려면, 안정적이면서 경제적인 활성 광학 연장 케이블이 필요합니다.

홍보 문구로 자주 사용되는 Industry 4.0은 이벤트 기반 제어 방식이 아닌, 일정한 시간을 기반으로 작동하는 시스템을 구현한다는 점에서 시스템 설계의 기본 원칙에 큰 변화를 가져다 준 개념입니다. IEEE 1588 정밀 시각 프로토콜(PTP)을 지원하는 유일한 차세대 인터페이스인 10GigE는 다른 이더넷 지원 장치와 카메라를 동기화 시키는데 활용 할 수 있습니다. 시스템 설계자들은 PTP를 향후 Industry 4.0 원칙을 구현 할 때, 핵심 기술로 활용하기 위해 채택하고 있습니다.

3D 스캔

휴대형

휴대형 3D 스캔 시스템은 크기가 작고 배터리를 사용해 작동하는 기기를 의미합니다. 제품의 성공은 작은 크기, 가벼운 무게, 낮은 전력 소비량에 의해 판가름이 납니다. 휴대형 제품은 그 크기가 USB 3.2나 Thunderbolt3의 케이블 길이에 비해 작기 때문에 유용하게 활용될 수 있습니다. 이러한 인터페이스는 높은 점군 밀도에 필요한 해상도와 빠른 스캐닝 속도에 맞는 프레임률을 지원 할 수 있는 충분한 대역폭을 제공합니다.

아울러, USB 3.2와 Thunderbolt3은 별도의 프레임 그래버 없이도 활용이 가능하기 때문에 공간을 추가로 절약 할 수 있습니다. USB 전원 공급 기능은 적외선 조명 장치, 기기에 설치된 투광기 등 추가 장치에 전원을 공급하고자 할 때 유용하게 쓸 수 있습니다. 소형 내장형 시스템, 단일 보드형 컴퓨터 등 다양한 기기들이 현재 USB를 지원하고 있습니다. 이러한 추세는 앞으로 USB 3.2 인터페이스가 자리를 잡으면 계속 이어질 것으로 기대됩니다.

대형 시스템

자동차, 항공기, 건물 전체를 스캔하는데 활용되는 대형 시스템의 경우, 보통 휴대가 용이하고 활용이 쉬우면서 내구성이 좋아야 합니다. 10 기가비트 이더넷은 고해상도 점군을 캡처 할 수 있는 대역폭을 제공하는 신뢰도 높은 솔루션입니다. 최대 케이블의 길이도 길기 때문에 거리가 멀리 떨어져 있어도 고정밀 스캐닝이 가능합니다. Camera Link HS와 CoaXpress는 대형 3D 스캐닝 시, 사용되는 일반적인 케이블 길이를 지원하기는 하지만, 프레임 그래버가 있어야 하기 때문에 비용과 복잡성을 증가된다는 단점이 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 고정이 되어있지 않기 때문에, 더욱 빠른 속도를 제공해도 성능이 향상되지는 않습니다.

가상 현실

가상 현실(VR)은 긴밀하게 동기화된 카메라가 2대나 필요한 까다로운 응용 분야입니다. 6자유도로 입체 화상을 촬영 할 수 있는 VR 시스템의 경우, 20대 이상의 카메라가 필요 할 수도 있습니다. 독립적인 카메라 모듈로 구성된 시스템을 활용 할 때에는 카메라의 시차 오류를 최소화하기 위해 가능한 카메라를 서로 가깝게 배치해야 합니다. USB 3.2나 Thunderbolt3을 사용하는 소형 C형 커넥터는 이러한 용도로 이상적인 인터페이스입니다. VR 시스템은 일반적으로 소비자 중심적으로 구성됩니다. USB, Thunderbolt, 이더넷 인터페이스는 사용자 친화적이기 때문에 VR 분야에서는 CoaXpress나 CameraLink에 비해 더 많이 활용됩니다.

스포츠 같은 콘텐츠에 사용되는 VR 시스템은 관심영역 내에서 발생하는 움직임만 중요하기 때문에 전체 화면을 캡처하지 않습니다. 이러한 시스템은 보통 더 적은 수의 고해상도 카메라로 구성됩니다. 대형 스포츠 시설은 보통 길이가 매우 긴 케이블을 사용합니다. 10GigE는 사용이 간단하고 비압축식 4K60 동영상을 전송 할 수 있으면서, 케이블 길이도 길게 활용 할 수 있기 때문에 스포츠 시설용으로 최적인 인터페이스입니다. 1킬로미터 이상의 거리를 커버해야 한다면, 초당 10Gbit 전송 속도를 지원하는 광 미디어 컨버터를 사용 할 수도 있습니다.

고도로 특화된 슬로 모션 체적 캡처 시스템의 경우, 속도, 케이블 길이, 용량, PTP 기반 클럭 동기화 지원 등 기능을 갖춘 10 기가비트 이더넷을 활용하는 것이 좋습니다. 반면, CoaXpress 2.0은 과학 분야에서 매우 빠른 속도로 데이터를 전송해야 할 때, 사용 가능한 인터페이스입니다.