고속 데이터 변환과 동기화 향상으로 엔지니어들과 과학자들이 세계 최대 전파 망원경을 구축할 수 있으며, 이로써 지금까지 볼 수 없었던 더 깊은 우주에 대한 데이터를 얻을 수 있다.

2018년에 크지스토프 카푸타(Krzysztof Caputa) 박사는 심각한 문제에 직면했다. 그가 캐나다국가연구위원회(NRC)에서 이끌고 있는 천문 장비 프로젝트가 수백 마일 떨어져 있는 주요 전자 부품들 간의 타이밍을 안정적으로 동기화하는 데 어려움을 겪고 있었던 것이다.

원거리 신호 타이밍을 수십억 분의 일초 대로 동기화하지 않고는 우주를 더 깊이 들여다보고 더 상세한 데이터를 얻는다는 것이 불가능했기 때문이다. 복잡한 엔지니어링 프로젝트는 종종 일정이 지체는 경우가 있다. 하지만 이 선구적인 프로젝트는 많은 기관들이 참여하고 있었으며 이 문제를 해결하는 것이 카푸타 박사가 이끌고 있는 팀에게는 새로운 영역을 개척할 수 있는 기회이기도 했다.

 TI의 사업 개발 책임자인 필립 프랫(Philip Pratt)은 “타이밍 문제가 역사상 유례없이 야심 찼던 전파 망원경 프로젝트에 큰 걸림돌이었다”고 말했다.

다수의 안테나를 하나의 신호로 결합

SKA(스퀘어 킬로미터 어레이, Square Kilometer Array) 전파 망원경 프로젝트는 십여 개 이상 국가의 과학자와 엔지니어들이 참여해서 수행하는 프로젝트로서, 수천 개의 소형 무선 안테나들로부터의 신호를 하나 혹은 그 이상의 큰 신호로 결합하도록 설계되었다.

업계를 선도하는 고속 ADC 제품 보기  

다수의 SKA 안테나들이 모여서 수집 영역이 1평방킬로미터에 이르는 대형 전파 망원경과 같은 신호 검출 성능을 낼 수 있는 것이다.

2027년에 이 프로젝트가 완료되고 가동에 들어가면 천문학 역사에 있어서 우주에 대해 그 전에 볼 수 없었던 더 깊은 데이터를 얻을 수 있게 될 것이다. 이것은 고속 데이터 전송과 세계 최대 전파 망원경의 발전에 힘입은 것이다. 다수의 안테나들이 결합해서 새로운 차원의 감도를 달성함으로써 멀리 떨어진 희미한 천문학적 물체와 현상��� 대해서 그 전에는 보지 못했던 것들을 볼 수 있는 것이다. 여기에는 최초의 블랙홀과 빅뱅 ���에 탄생한 별들, 우주가 어떻게 형성되었는지에 대한 실마리, 암흑 물질과 암흑 에너지의 성질, 생명을 형성하는 분자 물질 같은 것들 모두를 포함한다.

이를 위해서는 수십억분의 일초 대의 타이밍을 달성하는 것이 관건이었다.

높은 속도 요구

SKA 프로젝트는 2019년에 시작해서 2027년까지 진행되는 것을 목표로 한다. 1차 단계에서 남아프리카의 카루 사막 지역에 약 130개의 전파 망원경을 설치한다. 이러한 각각의 망원경들로부터 포착된 신호를 광섬유 케이블을 통해서 수천 마일 떨어진 중앙의 글로벌 프로세싱 벙커로 전송한다. 이곳에서는 신호들을 전자적으로 결합한다.

안테나로 포착된 신호를 이 벙커로 전송하기 앞서서, 먼저 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해야 한다. 이 일차적인 신호 프로세싱은 안테나 내부에서 일어나며, 이것을 처리하기 위한 전자장치를 설계하는 것이 이 프로젝트의 중요한 임무 중의 하나였다. 2014년에 이 임무를 맡게 된 것이 브리티시컬럼비아주 빅토리아의 NRC 소속 카푸타 박사와 엔지니어링 팀이었다.

2016년에 카푸타 박사와 그의 팀은 TI 고속 데이터 컨버터 팀의 도움을 받아서 당시에 TI가 새롭게 출시한 최신 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 칩 중 하나인 ADC12J4000을 기반으로 한 솔루션을 개발했었다.

“우리 회사는 천문학자들이 깊은 우주를 들여다볼 수 있도록 돕는 제품을 설계해온 오랜 역사를 가지고 있다. 이 프로젝트는 일정 수준의 속도와 성능을 요구했으며, 새롭게 개발된 칩은 초기의 요구 수준을 뛰어넘었다. 우리는 NRC 팀이 성공하도록 최선을 다해 돕고자 했다”고 프랫 책임자는 말했다.

타이밍의 중요성

그런데 2017년에 SKA 디자인을 검토한 결과, 새로운 과제에 봉착하게 되었다.

SKA 안테나는 되도록 많은 심우주 신호를 포착하기 위해서 각기 다른 주파수 간의 전환을 수행한다. 이렇게 전환할 때마다 ADC를 통해서 흐르는 데이터 속도에 순간적인 흔들림이 발생된다. 이 순간이란 거의 수십억 분의 일초에 가까운 찰나의 순간이다. 하지만 SKA는 다수의 안테나들로부터 고주파 신호를 결합하므로, 이와 같이 지극히 짧은 순간의 타이밍 불일치가 발생하면 중앙의 프로세싱 벙커와 동기화를 놓칠 수 있다.

“몇 시간 동안 계속해서 동기화를 유지해야 하는데, 이 시간에 한 클록 사이클이라도 놓친다면 동기화 타이밍을 놓치게 될 것”이라고 카푸타 박사는 말했다.

이 문제를 해결하기 위해서는 각기 안테나로 2개의 독립된 ADC 시스템이 필요해 보였다. 한 시스템은 한 주파수로부터의 신호를 중앙의 벙커로 전달하고, 그러는 동안에 다른 시스템은 그 다음 주파수에 맞추도록 준비시킬 수 있다. 그러면 그 다음 주파수로 전환하기 위해서 다른 컨버터로 전환하기만 하면 되므로, 타이밍을 놓치지 않고 주파수를 전환할 수 있다. 하지만 2개 ADC를 사용하는 솔루션은 모든 배선과 디지털 신호 프로세싱 부품을 두 배로 늘려야 하므로, 전면적인 시스템 설계 변경을 필요로 할 것이고, 이는 전체 일정의 지연을 의미하게 되는 것이었다.

“우리는 모든 것을 두 배로 늘리는 것만은 결사적으로 피하고 싶었다. 다양한 방안들을 모색해 보았으나, 다른 방법은 없는 것 같았다. 바로 이때 TI와의 협력으로 해결책을 찾아냈다”고 카푸타 박사는 말했다.

놀라운 속도와 유례없는 정확도

TI의 프랫 책임자와 엔지니어들은 어떻게 문제를 해결할 수 있을지 카푸타 박사에게 제시했다. 그 열쇠가 되었던 것이 바로 초당 10기가샘플을 기록할 수 있는 거의 불가능에 가까운 속도를 달성하는 새로운 칩이었다.

“우리는 애초에 요구되었던 것보다도 더 높은 속도를 제공했는데, 실제로 애초의 계획보다 더 높은 속도가 필요했던 것으로 밝혀졌다”고 프랫 책임자는 말했다. 10기가샘플 칩을 듀얼 채널 모드로 실행하고 각기 채널로 절반의 속도로 각기 다른 주파수 신호를 처리하도록 할 수 있으며, 그러면서도 각기 채널을 SKA에서 요구하는 데이터 속도로 실행할 수 있는 것이다.

“이렇게 하면 추가적인 통신 라인이 필요 없어진다. 동일한 장비로 2개 신호를 처리할 수 있기 때문”이라고 카푸타 박사는 말했다.

카푸타 박사는 2018년에 SKA 지도부에 이 솔루션을 제안하고 승인을 받았다. TI 팀은 이 솔루션을 제공하기 위해서 모든 역량을 집중시켰다. 속도를 두 배로 높이는 것에 따른 전력 요구량으로 인해서 발생되는 추가적인 열을 처리하기 위해서 칩 설계를 변경했다. 뿐만 아니라, 이 칩으로 클록 타이밍을 엄밀하게 하고 십억 분의 일초 대에 이르는 각각의 사이클을 이전에 볼 수 없던 정확도로 실행하기 위해서 새로운 기술들을 개발했다.

카푸타 박사와 TI 엔지니어들은 무수히 많은 전화 통화와 이메일을 주고받은 끝에 처음 논의가 시작된 후로부터 4개월 만에 프랫이 카푸타 박사에게 새로운 칩의 프로토타입을 인도했다. 바로 ADC12DJ5200RF이다. 이 칩은 카푸타 박사의 모든 테스트를 통과했다.

“이로써 타이밍 사이클을 놓치지 않으면서 각 채널로 초당 5.2기가샘플의 목표 속도로 실행할 수 있음이 확인되었다”고 프랫 책임자는 말했다.

다시 본 궤도 진입

2019년에 2차로 SKA 시스템을 상세하게 검토한 후에 새로운 부품들을 승인했다. “우리는 성공적으로 승인을 받았으며, 대대적인 설계 변경 없이 칩을 교체하기만 하면 됐다”고 카푸타 박사는 말했다.

이 새로운 칩은 타이밍을 완벽한 동기 상태로 유지할 뿐만 아니라 시스템의 주파수 응답을 향상시킴으로써 SKA로 더 선명한 신호를 얻을 수 있도록 한다. 카푸타 박사 팀은 처음으로 안테나에 이 디바이스를 탑재하려고 준비하고 있다.

프랫 책임자는 자신과 TI 설계 팀이 카푸타 박사와 SKA 프로젝트를 위해서 기여할 수 있어서 자랑스럽게 생각한다고 전했다. 프로젝트가 다시 일정대로 진행되고 있어 천문 과학자들도 기뻐하고 있다. “SKA는 놀라운 프로젝트이다. TI와 함께 협력해서 해결책을 찾을 수 있어서 정말 다행”이라고 카푸타 박사는 말했다.

거듭된 혁신으로 더 나은 세상 실현

향상된 고속 데이터 변환 및 동기화는 TI가 반도체를 통해서 더 나은 세상을 실현하기 위해서 어떠한 열정을 가지고 혁신을 거듭하고 있는지 잘 보여준다. 집적회로의 진화를 선도하기 위해서 TI의 이 열정은 오늘도 계속되고 있다. 지속적인 혁신은 기술을 더 작고, 효율적이고, 신뢰할 만하고, 경제적이게 만듦으로써 새로운 시장을 탄생시키고 다양한 분야에 반도체를 활용할 수 있도록 한다. 이것이 바로 TI가 생각하는 엔지니어링의 진화이다. TI가 지금도 실현하고 있으며, 지난 수십년 동안 해왔던 일이다.

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