기 술 백 서 Silicon Motion 그래픽 디스플레이용 SoC 4K 고화질 및 저전력을 구현하는 솔루션 전력 소비와 대역폭 모든 컴퓨터에 고화질의 디스플레이를 탑재하기 위해 해결해야 할 두 과제 사무 공간, 소매점, 병원 및 공장 등의 설계 및 구성과 소매 분야에서도 이중 USB 디스플레이가 사용되고 관련한 현재 추세는 이동성과 유연성을 유례없이 있다. 한쪽은 고객이 보는 화면이고 다른 쪽은 영업 강조하고 있다. 이러한 현상은 다양한 장비에 구성되는 담당자가 보는 화면이다. 이중 디스플레이 장치는 USB 디스플레이 사용자 인터페이스 분야에도 파급을 미치고 케이블 하나로 판매점 단말에 연결된다. USB 케이블은 있다. 특히 사용자와 고용주들은 USB를 통해 이동식 전원 공급, 데이터 및 그래픽 연결에 모두 사용이 또는 공유 디스플레이에 연결이 가능한 장치를 원하고 가능하며, 각 디스플레이 장치에 전원 아답터와 VGA, 있다. DVI 또는 HDMI 인터페이스를 따로 연결하는 방식과 비교할 때 더 단순하고 더 작고 편리하다는 이점이 있다. USB (범용 직렬 버스) 기술은 랩톱 컴퓨터, 태블릿, 스마트 폰 등의 다양한 컴퓨팅 장치에 범용적으로 활용되고 또한, 시중에는 USB 그래픽 입력 신호를 표준 있다. 랩탑이나 태블릿에는 오늘날 사용되는 다양한 디스플레이(HDMI 또는 DisplayPort)를 이용, 고화질 디스플레이 인터페이스(HDMI, VGA, DVI, Display 포트 그래픽으로 변환하는 기능을 제공하는 다양한 그래픽 등) 모두가 구성되지는 않지만, USB 인터페이스는 하나 프로세서가 판매되고 있지만, 여전히 극복해야 할 이상이 꼭 채택된다. USB-디스플레이를 연결하는 브릿지 문제들이 존재한다. 장치는 따라서 모든 컴퓨터를 모든 디스플레이 장치로 압축 연결할 수 있도록 해준다. 알고리즘을 구동하는 호스트 CPU에 오버로드를 가하지 않고, USB 인터페이스를 통해 이는 디스플레이의 유연성을 크게 증가시킨다. 과거 전송되는 그래픽, 비디오 및 오디오 콘텐츠를 사무실 책상에는 고정식 PC와 디스플레이 일체가 어떻게 최소한으로 유지할 것인가? 구비되었는데, 높은 외장 전원 공급 장치를 사용하지 않고, USB 모든 전원만으로 그래픽 시스템을 충분히 구동할 수 도킹 있도록 해 주는 낮은 소비 전력을 어떻게 구현할 직원들에게 디스플레이에 최근의 아무 모든 기업들은 책상이나 유형의 이동성이 사용하여, 랩탑을 USB 것인가? 스테이션이나 동글 등을 통해 연결할 수 있는 환경을 제공하고자 노력 중이다. 이를 위해 다양한 아키텍처가 개발되었으며, 각기 다른 공장 자동화 설비 분야에서도, OEM은 전용 내장 방식의 절충안을 채택하고 있다. 본서에서는 Silicon 디스플레이를 걷어내는 방식으로 제품의 크기와 비용을 Motion 사가 개발한 새로운 아키텍처를 소개하고, 절감시키는 추세이다. 대신 이동식 USB 디스플레이와 고화질 그래픽, 낮은 대기시간, 데이터 압축 효율 및 연결이 가능한 USB 포트만 탑재한다. 저전력 소비라는 성능 간의 균형을 도모하는지에 대하여 살펴보기로 하겠다. -1 -
사용자에게타협은없다. USB-HDMI 또는 USB-DisplayPort 연결에사용되는, USB 도킹스테이션과같은브릿지장치들은모든 USB 호스트장치 ( 예 : 랩톱 ) 를모든디스플레이 ( 그림 1, 2 참고 ) 와 연결한다. 사용자에게있어, 도킹스테이션과같은장치는일견단순해보이지만, 복잡한기술이숨겨져있다. 그림 1. 도킹스테이션은고화질디스플레이출력및마우스, 키보드및기타주변장치용포트를제공한다. USB 2.0 장치 카메라 마우스 프린터 키보드 장치 기가비트이더넷 HDMI 모니터 DVI 또는 VGA 모니터 헤드폰 & 마이크 초고속 (5Gbps) 파일전송 노트북 그림 2. 도킹스테이션연결예시 사용자들은예를들어랩톱을도킹스테이션을통해외장디스플레이에연결하여사용하는상황은기존의스탠드얼론모드로랩톱을사용하는경우와다르지않는것을생각한다. 또한, 도킹스테이션이 UHD와같은고해상도포맷과듀얼디스플레이출력이지원되며, 랩톱의연산에는속도느림과손상없이를기대한다. 그러나, 그이면을들여다보면, USB와디스플레이간의브릿지장치는복잡하고다양한기능을수행한다. 이러한기능들이더욱효율적으로처리되어사용자경험이양호하다할수있다. 특히, 도킹스테이션에연결된호스트컴퓨터는압축알고리즘을구동하여, USB 인터페이스를통해전송한화면콘텐츠의데이터양을줄여야한다. 도킹스테이션또는디스플레이브릿지장치는디스플레이측에서화면콘텐츠데이터를다시압축처리한다 ( 그림 3 참고 ). 호스트랩톱과도킹스테이션사이를연결한단일 USB 채널이있어화면콘텐츠뿐만아니라이더넷트래픽과기타 USB 데이터 ( 프린터 / 스캐너와의송신데이터 ) 를모두처리해야하기때문에, 이러한재압축절차는필수적이다. 화면콘텐츠데이터의양을줄이면다른데이터들을동시에처리할여유를만들수있다. - 2 -
SM768 장치 화면콘텐츠는더작은데이터사이즈로압축됨 USB 또는네트워크를통해전송 SM768 을통해화면데이터압축을해제후출력 그림 3. 그래픽신호는 USB 케이블, 이더넷또는 Wi-Fi 네트워크를통해전송하기위해압축처리한다. 이러한압축과정은데이터를그원래크기보다훨씬더작은크기로줄여야한다는까다로운요건을만족해야하며, 동시에호스트 CPU에대한부하를가능한최소화해야한다. CPU에과도한부하를유도할경우, 알려진바와같이, 해당디스플레이에관련되지않은다른기능의구현속도가크게저하될수있으며, 이는사용자가인지할수있는수준의지연현상을발생시키게된다. 그래픽시스템온칩 (SoC) 제조사인 Silicon Motion이개발한신개념의압축기술은, 탁월한이미지품질과다른그래픽프로세서에비해현저히낮은 CPU 로딩이라는두마리토끼를모두잡았다. Silicon Motion 사의 Content Adaptive Technology ( 콘텐츠적응형기술, CATTM) 시스템은 Windows, MacOS 또는 Linux 운영체제의호스트컴퓨터에서구동되며, Intel 및 Nvidia사의그래픽칩셋의하드웨어가속기능을이용한다. CAT와경쟁하는다른 USB 그래픽프로세서제품들은하드웨어가속엔진을이용한실행이 가능하도록구성되지않으며, 사용되는압축알고리즘은따라서소프트웨어영역에서만구동된다. 압축작업의대부분을하드웨어가속기에할당하는방식을이용하는 Silicon Motion사의 CAT 기술은더빠른연산이가능하며, 동시에 CPU에더적은부하를가한다. 나중에논의하겠지만, SM768 (Silicon Motion 사의 1세대그래픽프로세서 ) 로하여금최신 CAT 알고리즘을사용할수있으며, 이를통해매우낮은 CPU 부하를구현한다. CPU 로딩은압축할그래픽또는영상신호의유형, 호스트 CPU/ 그래픽칩셋의종류, 가용 RAM 용량, 운영시스템등다양한변수에따라영향을미치게된다. 그러나 HD 비디오클립을압축하여 USB를통해 Intel Core i5 칩셋이내장된듀얼 HD 디스플레이로전송하는테스트를수행한결과, SM768의평균부하량은경쟁제품에비해약 22%~32% 정도더낮은것으로나타났다 ( 그림 4 참고 ). - 3 -
USB 그래픽프로세서 테스트구성 CPU 로딩 ( 범위 ) CPU 로딩 ( 평균 ) 초당프레임속도 평균 CPU 로드 / 초당프레임속도 SM768 사용시의평균 CPU 로딩감소량 SM768 33% - 48% 39.22% 102 0.3821 경쟁제품 1 42% - 58% 50.13% 102 0.4915 22% 경쟁제품 2 46% - 61% 50.99% 91.34 0.5583 32% 그림 4. mp4 포맷의 HD 비디오클립전송할때 SM768과경쟁사 USB 그래픽프로세서제품 (2종) 의 CPU로딩비교표 새로운지능형압축기술덕분에, CAT 시스템은낮은수준의 CPU 로딩뿐만아니라높은수준의이미지품질도유지한다. 다양한콘텐츠유형을구별할수있으며, 해당콘텐츠유형에적합한압축기법을적용하기때문이다. 그래픽및 3D 이미지는높은압축률의 MJPEG 코덱으로처리텍스트는 Silicon Motion사가자체개발한무손실프로토콜을이용하여압축처리비디오는원래의압축포맷 ( 예 : MPEG4 등 ) 그대로전송처리 SM768에서, 디스플레이측에서처리하는압축해제작업은해당장치의아키텍처를통해구현한다. 즉, Arm Cortex -R5 CPU 코어와자체개발한그래픽및디스플레이엔진을통합한 SM768은하나의그래픽프로세서가아닌, 하나의그래픽 SoC로구성된다 ( 그림 5 참고 ). Arm CPU는, USB 프로토콜스택을구동하면서압축해제작업을조정할수있다. 다시말해, 시스템설계자들은 SM768을 USB-디스플레이브릿징을위한, 완벽한단일칩솔루션으로사용할수있다는것이다. PLL 장치 ARM Cortex R5 128-bit 2D 그래픽엔진 HDMI 1.4 DAC 350 MHz HDMI 2x CRT PCI-E USB 2.0 호스트 H.264 AVS + 디코더 MJPEG 디코더 x2 디스플레이엔진 2x LVDS 듀얼 LVDS & 24-bit 디지털 2x 디지털 24-bit USB 2.0 허브 Golomb 디코더 x2 SPI I2S ARM Cortex R5 는 RTOS (Real Time OS) 를구동하여다음을처리하기위해사용됨 : USB SW 스택 SMI CAT( 콘텐츠적응형기술 ) DDR3 SDRAM EPROM 그림 5. Silicon Motion사의 SM768 그래픽 SoC의블록구성도 - 4 -
SM768의 CAT 기술과 저전력 ARM Cortex-R5 USB-디스플레이 브릿징을 위한 종합적인 시스템 솔루션 코어의 통합 및 경량 그래픽 및 디스플레이 엔진의 경쟁 제품들과 대비, SM768 그래픽 SoC는 호스트 채택을 통해 낮은 전력 소비에서도 고속 연산이 CPU에 훨씬 더 적은 로딩을 제공하며, 따라서 양호한 가능하게 되었다. 사용자 경험을 구현한다. 이와 더불어, CAT 압축 저전력 성능의 중요성 기술이 구현하는 탁월한 이미지 품질, 듀얼 디스플레이 이러한 고속 연산은 Full HD 화질의 프레임의 경우, 모드에서의 낮은 대기시간, 저전력 소비 및 작은 <16ms 수준의 낮은 대기 시간을 갖는다. 이처럼 낮은 크기라는 특징 또한 사용자 경험을 증진시킨다. 수준의 대기 시간은 사람의 눈으로 인지하기 어려운 수준이다. Microsoft사가 Miracast의 테스트를 위해 Silicon Motion사가 채택한 아키텍처는 OEM업체들이 제안한 것과 유사하게 구성한 테스트에서 SM768 완벽한 도킹 스테이션을 구현할 수 있도록 해주며, 또한 그래픽 SoC를 통해 연결된 디스플레이는 자체 연결된 최소한의 외장 컴포넌트만을 사용하는 제품 설계를 디스플레이를 나란히 배치하였다(그림 6 참고). 두 개의 지원한다. 실시간 작동 시스템을 비롯, USB 및 CAT 디스플레이는 동일한 시간에 동일한 프레임을 갖는 소프트웨어는 SM768 자체에서 구동된다. 이 장치는 것으로 나타났다. 또한 4개의 USB 2.0 채널을 제공하여, 무선 키보드, 마우스, 동글, 그리고 프린터와 같은 HID(Human Interface Device) 장치들의 연결이 가능하다. 이러한 연결 기능은, SM768이 최신 사양의 도킹 스테이션과 동글 설계를 지원하며, 가정용, 사무용, 점포용 및 공장용 등 다양한 유형의 컴퓨팅 장비에 유연성, 편의성 및 이동성을 개선시킬 수 있음을 설명한다. 그림 6. 자체 디스플레이 연결과 나란히 비교한 테스트 결과 SM768 장치에는 PCI-e 인터페이스가 구성되어, 다른 SM768의 대기 시간(지연)은 인지할 수 없는 수준이었다. 유형의 호스트에도 사용이 가능하다. 따라서 OEM 이러한 고속 연산은 저전력으로 수행된다. SM768은 업체들은 USB 시장 및 기타 응용에 적합한 제품 두얼 Full HD 또는 단일 4K 디스플레이를 을 설계를 할 수 있다는 점에서 SM768 장치의 PCI-e 연결 통해 호스트 장치와 연결할 경우, <2.5W 수준의 기능은 주목할 가치가 있다. 전력을 소비한다. 이러한 낮은 전력 소비 특성은 매우 중요하다. 그 이유는, 첫째, 저전력 특성은 브릿징 시스템이 외부 전원 공급 장치는 필요없이 USB 전력만으로 구동될 수 있음을 의미하며, 둘째, SM768 연산의 높은 효율은 방열 장치(heat sink) 없이도 운영이 가능하다는 의미이며, 따라서 OEM 업체들은 이동성을 갖춘 소형 제품을 제작할 수 있기 때문이다(소형화와 이동성은 USB 디스플레이 동글과 같은 장치 유형의 경우 대단히 중요한 가치임). SM768 은 소형 BGA 칩으로, 19mm x 19mm의 체적(footprint )을 갖는다. SM768은 256MB의 DDR3 DRAM을 가진 하나의 멀티 칩 모듈이라고 할 수 있으며, 더 많은 여유 공간 절약을 확보한다. (SM768 칩은 최대 1GB의 확장 DRAM을 지원한다) -5 -