4D 이미징 레이더 칩셋, 차세대 자동차 센서를 위한 정밀 객체 식별 구현

레이더가 뜨겁다. 특히 기존 레이더가 할 수 없었던 객체 식별/분류와 더 높은 위도(수직) 해상도를 약속하는 발전 덕분에 더욱 그렇다. 이러한 신기술로 레이더는 고도 자동화 차량을 개발하는 완성차 업체와 티어 1 공급사들 사이에서 가장 선호되는 센서로 부상하고 있다.

레이더 시스템 솔루션 (출처: NXP)

자동차 업계의 높은 기대에 부응하여 NXP 반도체는 자사의 S32R45 레이더 프로세서와 새로운 77GHz 트랜시버인 TEF82xx로 구성된 새로운 레이더 센서 칩셋 제품군을 샘플링 중이라고 발표했다.

5년 전 '돌핀'이라는 첫 레이더 칩으로 RF CMOS 레이더를 개척한 NXP는 선도적인 자동차 레이더 솔루션 공급업체로 자리매김해왔다.

NXP의 4D 이미징 센서는 거리와 속도뿐만 아니라 "고도, 방향, 입사각을 측정하면서 훨씬 더 높은 해상도로 객체를 식별할 수 있다"고 NXP의 무선 주파수 처리 부문 수석 부사장 겸 총괄 매니저 토르스텐 레만은 EE 타임즈와의 인터뷰에서 설명했다. 수평면뿐만 아니라 수직면도 이해하는 4D 이미징 레이더로 차량은 객체 '아래로' 통과할지 '위로' 통과할지 결정할 수 있다고 레만은 말했다.

"고속도로에서 시속 80km로 주행 중인 차량 뒤에서, 반사율이 낮은 작은 객체인 오토바이가 시속 200km로 접근하는 장면을 상상해보라"고 그는 말했다. 카메라와 라이다와 달리, 이 개선된 레이더는 처음엔 멀리 있던 오토바이를 식별하고 두 객체가 서로 다른 속도로 움직임을 인식할 수 있다고 레만은 설명했다.

(출처: NXP)

지금까지 레이더는 300미터 이상의 거리에서 고속으로 움직이는 객체를 인식할 수 있는 유일한 센서였다. 카메라나 라이다는 그만한 거리와 속도를 처리할 수 없다.

더 높은 해상도의 이미징 레이더가 등장하면서 NXP를 포함한 많은 레이더 공급업체들은 레이더를 최악의 날씨와 조명 조건에서도 작동할 수 있는 유일한 고속 센서로 격상시키려 한다.

확장성

NXP만 4D 이미징 레이더를 이야기하는 것이 아니다. 콘티넨탈은 지난 9월 자일링스 FPGA를 사용해 자동차 업계 최초의 양산 준비된 4D 이미징 레이더를 발표했으며, 2021년 양산 승용차에 탑재될 예정이다.

77GHz RF CMOS 트랜시버 양산 경험과 S32R45 레이더 프로세서를 바탕으로, NXP는 자사의 4D 이미징 레이더 칩셋이 범용 FPGA 구현 대비 비용과 전력 효율을 크게 개선할 수 있다고 주장한다. 다만 구체적인 비용/전력 절감 수치는 밝히지 않았다.

VSI 랩스의 창업자이자 사장인 필 매그니는 "이 분야를 수년간 주시해왔다. 아이러니하게도 처음 이 이야기를 들은 건 수년 전 NXP 프레젠테이션이었다. 당시에는 새로운 레이더가 포인트 클라우드를 생성할 수 있어 라이다의 잠재적 경쟁자로 제시되었다."고 말했다.

분명 NXP는 4D 이미징 레이더 출시를 오랫동안 준비해왔다.

하지만 NXP의 피칭은 변화하고 있다. 포인트 클라우드 생성 능력만 강조하는 대신, 새로운 레이더 솔루션 제품군이 제공하는 확장성을 강조한다.

NXP는 이제 "다양한 사용 사례에 걸쳐 확장 가능한 공통 플랫폼"을 내세운다. 코너 레이더, 장거리 전방 레이더, 이미징 레이더까지 아우른다. 이는 NCAP(신차 평가 프로그램) 요건인 사각지대 감지와 자동 긴급 제동 성능 향상을 충족하려는 업계에 중요하다. NCAP는 선호 센서 기술을 지정하지 않지만, NCAP 요건을 맞춰야 하는 완성차 업체들은 코너와 전방에서 객체를 감지할 더 나은 레이더 기술을 찾고 있다고 레만은 설명한다.

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(출처: NXP)

레벨 1, 2 차량의 사각지대 감지와 차선 유지를 위해 NXP의 단일 TEF82xx 트랜시버와 S32R45 레이더 프로세서 조합이 작동한다. 레벨 2, 3 차량의 어댑티브 크루즈 컨트롤과 전/후방 충돌 경고 추가에는 두 개의 트랜시버가 필요하다. 레벨 4, 5 자율주행차에서 요구되는 객체 분리 및 분류를 위해 OEM은 4개의 캐스케이드 트랜시버를 하나의 레이더 프로세서와 결합할 수 있다.

핵심은 더 높은 자동화로의 전환 과정에서 다양한 브랜드와 모델을 다루어야 하는 완성차 업체들이 소프트웨어와 하드웨어를 재사용하도록 설계된 단일 플랫폼을 사용할 수 있다는 점이다.

4D 이미징 레이더로의 전환

자동차 레이더의 진화는 마케팅 용어로 인해 혼란스럽다.

기존 레이더(때로 2D라 불림)는 이미징 레이더로 진화했다. "이미징 레이더는 본질적으로 어레이를 생성하여 측정 밀도를 극적으로 증가시킵니다."라고 매그니가 설명했다. "전통적인 2D 레이더는 이에 비해 조잡하며 객체당 단일 포인트만 생성합니다. 하지만 이미징 레이더는 추적 대상을 더 잘 이해하기 위해 많은 포인트를 생성합니다." 요약하면, "이미징 레이더는 수직 해상도를 생성하는 반면 전통적 레이더는 단일 평면에서 작동합니다."

그렇다면 3D와 4D 이미징 레이더는 어떻게 다른가?

"시간이 4번째 차원으로 사용되는 것 같습니다. 몇 다른 회사에서도 그렇게 말하는 것을 들었습니다."라고 매그니가 언급했다. 하지만 그는 "솔직히 4D는 마케팅 과장 이상의 의미는 없습니다. 시간 요소는 도플러에서 파생되기 때문입니다. 그렇다면 전통적 2D도 3D라고 부를 수 있을 것입니다."라고 덧붙였다.

즉, 시간 요소는 레이더가 제공하는 것에 항상 핵심적이었다. 같은 질문에 NXP의 레만은 4D 이미징 센서의 4번째 요소가 "측면 해상도(lateral resolution)"라고 답했다. 4D 이미징 레이더는 환경을 더 잘 파악하여 차량이 객체 아래로 지나갈지 위로 지나갈지 결정한다.

위도(수직) 해상도

"더 높은 위도 해상도"는 더 큰 수직 해상도로 이어진다고 매그니는 지적했다. "이 자체가 더 중요한 특징 중 하나입니다."

이 논의는 조슈아 브라운 사건을 연상시킨다. 2016년 5월 플로리다주 27A 고속도로에서 브라운의 테슬라 모델 S가 경로를 가로지르는 트랙터-트레일러와 충돌해 운전자가 사망했다. 테슬라가 카메라와 전통적 2D 레이더를 장착하고 있었고, 거대한 리그 아래로 통과할 수 있다고 판단해 그대로 돌진했다는 보도가 널리 알려졌다.

사진은 세미트레일러 우측면을 보여준다. 빨간 타원 영역이 조슈아 브라운의 테슬라 S 충돌 손상을 강조한다. (출처: 국가교통안전위원회)

4D 이미징 센서가 이러한 치명적 사고를 예방할 수 있었을까? 매그니는 "예, 이런 유형의 레이더는 전통적 레이더에서 오는 거짓 양성에 취약하지 않습니다. 그리고 테슬라 사고를 허용하지 않았을 것입니다."라고 말했다.

더 높은 성능의 트랜시버와 레이더 프로세싱

NXP의 새로운 TEF82xx(75mm x 75mm)는 40nm 공정 기술 기반의 2세대 RFCMOS로 제작되었다. 회사는 이전 버전 대비 RF 성능을 2배 향상시켜 향상된 센싱을 가능하게 한다고 주장한다.

새 트랜시버 칩은 타겟 주변에서 4배 위상 노이즈 감소를 제공하여 더 나은 객체 분리를 가능하게 한다. 빔 조향 애플리케이션을 위한 6비트 위상 회전기와 고급 변조 MIMO 지원을 탑재했다.

NXP의 새로운 S32R45 레이더는 16nm 핀펫 공정으로 제작되었다. 레벨 4, 5 차량에서 "정밀한 환경 매핑과 향상된 장면 이해"를 위해 최대 4배 캐스케이드 트랜시버를 지원한다고 회사는 주장했다.

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S32R45 블록 다이어그램. (출처: NXP)

S32R45는 새로운 레이더 가속 기능을 제공한다는 점이 중요하다. 구체적으로 "선형 대수 레이더 가속기"를 새로 제공하여 ARM A53 코어 대비 최대 64배 성능을 낸다고 NXP는 밝혔다. 이는 "슈퍼해상도 입사각(DoA) 알고리즘과 악천후에서도 진정한 MIMO 동작"을 실행하는 것으로 이어진다고 NXP는 주장했다.

재점화된 논쟁: 라이다 vs 레이더

NXP는 새로운 4D 이미징 레이더가 1도 미만의 각도 해상도를 제공한다고 주장한다. 하지만 라이다와는 어떻게 비교되는가?

레만은 "웨이모가 사용하는 기계식 회전 타입 같은 고성능 라이다를 말한다면, 0.1° 또는 0.5° 미만의 각도 해상도로 훨씬 세밀한 포인트 클라우드를 생성할 수 있습니다."라고 지적했다. 하지만 그런 라이다는 "부피가 크고 수천 달러가 든다."고 덧붙였다.

매그니는 "테슬라가 모델 3 플랫폼에 이미징 레이더 도입을 고려 중이라는 소문이 있는데, 이는 라이다를 쓰지 않는 더 나은 답이 될 수 있어 좋은 움직임"이라고 관찰했다. 시스템 플러스 컨설팅의 분해 분석에 따르면 테슬라는 콘티넨탈의 2D 레이더를 사용했다고 EE 타임즈가 보도했다.

그러나 매그니에 따르면 테슬라는 더 긴 범위를 위해 콘티넨탈에서 보쉬로 전환했다. 그는 이들이 모두 전통적 레이더의 한계를 가진 2D 레이더라고 설명했다. "내가 보기엔 테슬라의 이미징 레이더 전환은 영리할 것입니다. 이미징 레이더가 포인트 클라우드를 생성한다는 것을 이해하세요. 라이다보다 해상도는 낮지만, [여전히] 전통적 레이더 대비 엄청난 개선입니다."라고 매그니는 말했다.

요약하자면 매그니는 "라이다를 아직 버스 밑으로 던지진 않겠다."고 강조했다.

그의 의견으로는 라이다가 현재 레이더 대비 큰 이점을 가지며, 새로운 레이더들로 그 격차가 좁혀질 수 있지만, "라이다의 핵심 애플리케이션 중 하나는 베이스 맵 대비 상대적 로컬라이제이션 수행 능력입니다. 이는 도심 로보택시와 셔틀에 필수적이며, 이 작업에서 라이다를 대체할 수 있다고 생각하지 않습니다."

매그니는 "라이다는 4D 레이더가 와도 사라지지 않을 것입니다. 라이다를 대체하는 대신, 새로운 레이더가 전통적 레이더의 일부 한계를 극복한다고 말할 수 있습니다."라고 결론지었다.

공급 일정

NXP의 새로운 레이더 칩셋은 현재 샘플링 중이며 2021년 양산에 들어갈 예정이다. 코너 레이더, 전방 레이더, 4D 이미징 레이더가 2021년 수개월에 걸쳐 출시되지만, 세 가지 모두 하반기에 출시될 것이라고 레만은 말했다. 가격에 대해서는 언급을 거부했다.

>> 이 기사는 자매 사이트 EE Times에 처음 게재되었습니다.