FPGA 대 마이크로컨트롤러 - 주요 차이점 이해

마이크로컨트롤러와 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)는 모두 디지털 시스템 설계에 자주 활용됩니다. 마이크로컨트롤러 기반 시스템은 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 저렴한 비용, 낮은 전력 소모, 그리고 기본적인 제어 작업에 대한 적합성 때문에 선택의 여지가 많습니다. 반면, FPGA의 급속한 인기, 강력한 개발 도구의 등장, 그리고 향상된 병렬 처리 성능과 집적도 덕분에 FPGA 기반 시스템은 매력적인 선택지가 되었습니다.

오늘날 임베디드 시장에는 8051과 같은 기존 설계부터 RISC 또는 DSP 머신에 이르기까지 다양한 마이크로컨트롤러 코어가 출시되어 있습니다. 다양한 설계 간의 선택은 속도, 전력, 설치 기반, 재사용 가능성 및 기타 기술적 고려 사항과 같은 기준에 따라 결정됩니다. 임베디드 애플리케이션은 컴퓨터 시스템에서 끊임없이 연구되는 분야입니다. MCU는 다수의 통신 포트, 펄스 폭 변조(PWM) 장치, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 단일 칩에 통합하여 산업용 애플리케이션에 이상적입니다.

다양한 전기 공학 분야에서 MCU는 일반적으로 기본 제어, 통신 및 저복잡도 작업에 사용되는 반면, FPGA(Field Programmable Gate Array)는 고속의 시간 결정적 처리 작업에 사용됩니다. 그러나 가전제품에 통합된 장치 기반 애플리케이션은 다양한 설계 제약을 받습니다. 이러한 상황에서는 전력 소비, 코드 밀도, 그리고 주변 장치 통합이 성능 요구 사항보다 우선시될 수 있습니다. 한편, 기술적 관점에서는 FPGA의 집적도 증가와 대량 생산으로 인한 가격 하락으로 인해 단일 FPGA 칩에 임베디드 시스템을 통합할 수 있게 되었습니다.

마이크로 컨트롤러 란 무엇입니까?

마이크로컨트롤러는 마이크로컴퓨터 계열에 속하는 전자 장치입니다. 마이크로컨트롤러의 구성 요소는 초고밀도 집적회로(VLSI)를 사용하여 단일 칩으로 제작됩니다. 이러한 마이크로컨트롤러는 컴퓨터 온 칩(Computer-on-chip)이라고도 합니다. 마이크로컨트롤러는 프로그램 코드를 저장하기 위한 일정 용량의 RAM과 ROM(EEPROM, EPROM 등) 또는 플래시 메모리를 가지고 있습니다. 또한 타이머, 병렬 포트, 직렬 포트, 인터럽트 포트, ADC, PWM, DAC 등의 추가 기능을 제공합니다. 마이크로컨트롤러는 메모리와 I/O 기능을 갖춘 마이크로프로세서입니다. 마이크로컨트롤러는 CPU, 메모리, I/O 주변 장치를 단일 칩에 통합하여 임베디드 시스템에 널리 사용됩니다.

PC나 노트북은 게임, 인터넷 검색, 음악 감상, 워드 프로세싱 등 다양한 작업에 사용되는 범용 기기입니다. 반면, 임베디드 시스템은 일반적으로 특정 작업을 위해 설계된 단일 기능 장치입니다. 마이크로컨트롤러 시스템의 주요 특징은 완전한 운영 체제(예: Windows, Linux, macOS, iOS) 없이도 특정 작업을 수행할 수 있다는 것입니다. 시계, MP3 플레이어, 자판기, 기타 전자 기기에는 임베디드 시스템이 내장되어 있습니다. 완전한 컴퓨터는 때때로 기기의 기능을 방해할 수 있습니다. 식기세척기를 작동시키기 위해 Windows를 시작해야 한다고 상상해 보세요. 그림 2는 마이크로컨트롤러의 아키텍처를 보여줍니다.

컴파일러는 고급 프로그래밍 언어 코드가 문법 및 메모리 할당 측면에서 유효한지 확인합니다. 이러한 상황에서는 오류나 경고가 자주 발생하며, 오류가 포함된 코드는 마이크로컨트롤러에 저장되지 않습니다. 코드가 올바르면 컴파일러는 이를 기계어로 변환하고 HEX 파일을 출력하여 마이크로컨트롤러의 메모리에 로드합니다.

FPGA(Field Programmable Gate Array)란 무엇인가요?

필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGAs)는 변경 가능한(프로그래밍 가능한) 논리 블록과 상호연결을 포함하는 디지털 집적 회로(IC)입니다. 설계 엔지니어는 이러한 가젯을 프로그래밍하여 다양한 기능을 실행할 수 있습니다. FPGA의 구조에 따라 특정 FPGA는 한 번만 프로그래밍할 수 있는 반면, 다른 FPGA는 반복적으로 프로그래밍할 수 있습니다. 당연하게도, 한 번만 프로그래밍할 수 있는 장치를 일회성 프로그래밍 가능 장치(One-Time Programmable Device)라고 합니다.

FPGA라는 명칭의 "현장 프로그래밍 가능"이라는 부분은 프로그래밍이 "현장에서" 이루어진다는 사실을 암시합니다(핵심 기능이 제조업체에서 직접 배선하여 구현되는 장치와는 대조적으로). 이는 실험실에서 FPGA를 구성하거나 이미 실제 환경에 구축된 전자 시스템에서 장치의 작동 방식을 변경하는 경우에도 적용될 수 있습니다. 장치가 상위 시스템에 있는 동안 프로그래밍될 수 있다면, 해당 장치는 시스템 내 프로그래밍 가능(in-system programmable)하다고 합니다. 그림 3은 FPGA 개발 보드를 보여줍니다.

FPGA는 기존 프로세서의 보조 프로세서로 자주 사용되어 시간이 중요한 작업을 가속화하거나 일반적인 ALU의 기능을 확장합니다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러를 사용할 때 두 개 이상의 항이 있는 방정식을 계산하려면 일련의 산술 및/또는 논리 연산이 필요하며, 많은 경우 임시 변수를 할당해야 합니다. FPGA는 상당한 양의 조합 논리를 사용하면서 이러한 계산을 병렬로 완료하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

FPGA는 전체 컴퓨팅 장치가 FPGA에서 생성되고 구현되는 맞춤형 컴퓨팅 시스템에도 일반적으로 사용됩니다. 단일 칩 마이크로컨트롤러는 종종 사용되며 특정 애플리케이션 요구 사항을 충족하기에 충분합니다. 이 경우, 원하는 애플리케이션의 소프트웨어만 작성하면 됩니다. 하드웨어 인터페이스는 이러한 시스템 설계에 필수적이며, 일반적으로 표준 특수 칩을 사용하여 구현됩니다. 따라서 하드웨어 재설계 없이는 변경할 수 없는 고정된 시스템이 됩니다. FPGA는 이러한 애플리케이션에서 상당한 유연성을 제공하여 하드웨어 맞춤 설정 및 병렬 처리를 가능하게 합니다. 그림 4는 FPGA 개발 보드의 내부 블록 다이어그램을 보여줍니다.

마이크로컨트롤러와 FPGA의 주요 차이점

성능

마이크로컨트롤러는 클럭 속도에 의존하기 때문에 일반적으로 FPGA보다 성능이 낮습니다. 주파수는 설계에 따라 달라지기 때문입니다. 이러한 애플리케이션은 대부분 이미지 및 비디오 처리입니다.

전력 소비

마이크로컨트롤러(MCU)는 크기가 작기 때문에 FPGA보다 전력 소모량이 적습니다. 마이크로컨트롤러는 배터리, 인버터, 컨버터 구동에 이상적입니다. 반면, FPGA는 이미지 및 비디오 처리를 위한 디지털 처리에 더 적합합니다.

유연성 및 사용자 정의

FPGA에서는 하드웨어 설정이 유연한 반면, 마이크로컨트롤러에서는 모든 변경이 소프트웨어 개발을 통해 이루어집니다. 이러한 점 때문에 마이크로컨트롤러는 FPGA보다 유연성이 떨어집니다. MCU에서는 소프트웨어 기반 맞춤 설정이 유리한 반면, FPGA에서는 하드웨어 기반 맞춤 설정이 더 쉽습니다.

개발 시간 및 복잡성

MCU와 FPGA는 메모리 아키텍처와 성능 측면에서 차이가 있습니다. 마이크로컨트롤러는 비휘발성 메모리를 가지고 있어 전원이 꺼진 후에도 MCU는 메모리를 유지하지만, FPGA에는 랜덤 액세스 메모리(RAM)가 있어 이러한 기능이 없습니다. 마이크로컨트롤러는 일반적으로 C/C++와 같은 고급 언어를 사용하여 프로그래밍하는 반면, FPGA 개발에는 Verilog 또는 VHDL과 같은 하드웨어 기술 언어가 필요합니다. Verilog와 FPGA는 하드웨어 지원 언어이며, C/C++는 소프트웨어 지원 언어입니다.

마이크로컨트롤러와 FPGA의 유사점은 무엇인가?

기본 구성 요소

마이크로컨트롤러는 집적회로(IC)와 통합되어 있기 때문에 사실상 아무것도 아니지만, FPGA는 대부분 IC와 기타 집적회로를 포함합니다. 간단히 말해, 두 기술 모두 집적회로와 고급 언어의 결합입니다.

맞춤설정으로 들어간다

FPGA와 마이크로컨트롤러는 제조 후 재프로그래밍이 가능하며, 인프라 구축 후 기능 변경이 가능합니다. 그러나 FPGA는 주로 고사양 애플리케이션에 적합한 반면, 아두이노와 같은 MCU는 보다 단순한 애플리케이션에도 적합합니다.

FPGA 및 마이크로컨트롤러용 애플리케이션

마이크로컨트롤러는 저렴한 가격으로 널리 사용 가능하며 전력 및 전자 애플리케이션에 다양한 기능을 제공합니다. 그러나 MCU를 사용하려면 C/C++와 같은 고급 언어에 대한 전문 지식이 필요합니다. 반면, FPGA는 가격이 높지만 사용자 친화적입니다. 마이크로컨트롤러는 저전력으로 효율적으로 작동하여 에너지 소비량을 줄입니다. 반면, FPGA는 고전력을 필요로 하므로 작동에 더 많은 에너지가 필요합니다. 소프트웨어 기반 솔루션은 직접 맞춤 제작되지 않는 반면, 하드웨어 기반 솔루션은 직접 맞춤 제작됩니다. 인버터, UPS, 컨버터는 MCU에 적합한 애플리케이션이며, 비디오 및 이미지 처리는 병렬 처리 기능을 갖춘 FPGA에 더 적합합니다.

FPGA와 마이크로컨트롤러를 사용하는 시기

하지만 둘 다 애플리케이션에 따라 다릅니다. 설계자와 엔지니어는 소형 크기 때문에 임베디드 시스템에서 MCU가 더 정교하다고 생각했습니다. 대부분의 애플리케이션은 DC-DC 컨버터 및 기타 여러 전력 전자 애플리케이션과 같이 크기 제약을 받습니다. 반면, FPGA는 인공지능, 이미지 처리, 비디오 처리에서 내구성과 효율성을 제공합니다. FPGA는 사용자 친화적이며 MCU보다 훨씬 빠르게 복잡한 계산을 처리할 수 있습니다. FPGA를 사용하는 데 필요한 전문 지식은 MCU보다 적습니다.

FPGA 대 다른 제품

이 섹션에서는 FPGA, CPLD, MCU의 차이점을 설명합니다.

FPGA 대 CPLD

FPGA 대 마이크로프로세서

맺음말

MCU와 FPGA는 모두 다양한 디지털, 전기 및 전력 애플리케이션에 유용합니다. 마이크로컨트롤러는 경제적이고 저전력을 소모하며 소프트웨어에 유리한 반면, FPGA는 비용이 많이 들고 전력 소모가 높으며 하드웨어 친화적이지만 고성능과 병렬 처리가 용이합니다. MCU는 RAM 덕분에 전원이 꺼져도 기능을 유지하는 반면, FPGA는 휘발성 메모리 때문에 이러한 기능이 없습니다. 두 기술 모두 설계 기반 기술에 적용되지만, MCU와 FPGA를 모두 사용할 수 있는 애플리케이션의 경우 전력 소모, 개발 시간, 병렬 처리 및 유연성을 고려해야 합니다.