프로세서가 차세대 의료 기기를 구동하다

초음파 시스템과 이식형 장치부터 가정용 혈당 측정기와 피트니스 트래커까지 의료 기기는 실행 속도, 신뢰성, 보안, 전력 효율, 연결성에서 뛰어난 마이크로프로세서(MPU)와 마이크로컨트롤러(MCU)에 의존한다. 이러한 성능 향상의 대부분은 광범위한 애플리케이션 스펙트럼에 걸쳐 적용된다.

초저전력 및 보안 칩에 대한 수요 증가

고령화 인구와 높아진 건강 인식은 웨어러블 및 커넥티드 의료 전자제품의 채택을 가속화한다. 이 급증은 칩 설계자들이 사이버 보안을 실리콘 수준에 내장하도록 강요한다. 초저전력은 실시간 감지(온도, 가속도, 속도)와 수년간 단일 배터리로 작동해야 하는 장치에 필수적이다.

MarketsandMarkets 보고서는 저전력과 통합 아날로그 주변기기를 결합한 마이크로컨트롤러의 필요성을 강조한다. 이러한 칩은 더 높은 신뢰성, 낮은 노이즈, 감소된 레이턴시, 비용 절감을 제공한다. 이는 혈당 측정기, 심박수 모니터, 이식형 장치의 핵심 이점이다.

르네사스 시너지 S1JA: 저전력 고성능 솔루션

시너지 S1 MCU 시리즈는 이러한 추세를 예시한다. S1JA 그룹은 48MHz Arm Cortex-M23 코어, 프로그래머블 아날로그 블록, 견고한 보안 기능을 제공하여 설계를 간소화하고 BOM(자재 명세서)을 줄인다. 이 MCU는 비용 민감한 저전력 IIoT 및 의료 모니터링 애플리케이션(유량계, 다중 센서 시스템, 단상 전력량계)에 적합하다.

• 플래시: 256KB
• SRAM: 32KB
• 동작 전압: 1.6V~5.5V
• 통합 센서 바이어싱 유닛 및 구성 가능한 아날로그 패브릭

온칩 아날로그 제품군에는 16비트 ADC, 24비트 시그마-델타 ADC, 12비트 DAC, 레일-투-레일 저오프셋 오피앰프, 고속 비교기가 포함된다. 설계자는 여러 외부 아날로그 구성요소를 이 내부 블록으로 대체할 수 있다.

르네사스 S1JA MCU는 기본 기능부터 복잡한 아날로그 블록까지 고급 아날로그 구성을 가능하게 한다. (이미지: 르네사스 일렉트로닉스)

S1JA MCU는 초저전력을 달성한다: 500nA 대기 모드는 대부분의 시간을 슬립 상태에서 보내는 장치에 20년 배터리 수명을 지원한다.

보안은 AES 암호 가속기, 트루 랜덤 넘버 제너레이터(TRNG), 메모리 보호 유닛으로 내장되어 있으며, 이는 안전한 클라우드 연결을 위한 기초 블록이다.

르네사스 시너지 소프트웨어 패키지(SSP)는 HAL 드라이버, 애플리케이션 프레임워크, RTOS 지원을 제공한다. 또한 내부 아날로그 블록의 상호 연결을 간소화하는 6개 모듈을 제공한다. 설계자는 e² 스튜디오 또는 IAR 임베디드 워크벤치를 사용하여 솔루션을 맞춤화할 수 있다.

웨어러블 건강 모니터용 레퍼런스 디자인

르네사스의 레퍼런스 솔루션은 S1JA의 다재다능함을 보여준다. 웨어러블 피부 전기 반응(GSR) 및 휴대용 체성분 분석기(BCM)를 구동한다. GSR은 DC 전도도를 측정하고, BCM은 고정밀 AC 임피던스를 포착한다. 둘 다 정확한 ADC 해상도, 빠른 샘플링, 피부 온도 보상이 필요하다.

주요 구성요소: 르네사스 S1JA MCU, RL78/G1D 블루투스 LE MCU(송신 4.3mA, 수신 3.5mA), ISL9203A 리튬이온 충전기(2.4V부터 동작).

삼성 엑시노스 i T100: 멀티 프로토콜, 보안 웨어러블

삼성의 엑시노스 i T100은 Arm Cortex-M4F(최대 100MHz)와 1.2MB 플래시, 192KB SRAM, 24KB RAM을 통합한다. 블루투스 5 LE, 지그비 3.0, 스레드를 지원하며 두 프로토콜을 동시에 실행할 수 있다. 전용 보안 서브시스템(SSS)과 물리적 복제 불가능 기능(PUF)이 해킹에 대한 강력한 보호를 제공한다.

동작 온도: -40°C~125°C. 삼성은 아두이노 호환 실드 인터페이스를 갖춘 레퍼런스 보드와 빠른 애플리케이션 개발을 위한 OS 및 API 지원을 제공한다.

ST마이크로일렉트로닉스 STM32MP1: 저전력 칩에서 리눅스 구현

STM32MP1 멀티코어 프로세서는 Arm Cortex-A7과 Cortex-M4를 결합하여 실시간 기능을 유지하면서 리눅스 수준의 성능을 제공한다. 전력 절감은 상당하다: 유휴 Cortex-A7 실행을 중단하여 Cortex-M4가 대부분의 작업을 처리하게 하면 전력을 ~25% 절감한다. 대기 모드는 소비를 최대 2.5k배까지 추가로 줄인다.

칩에는 HMI용 3D GPU가 포함되며, 외부 DDR SDRAM과 플래시를 지원하고, 어느 코어에 할당할 수 있는 광범위한 주변기기 세트를 제공한다. 평가 보드(STM32MP157A-EV1, STM32MP157C-EV1)와 디스커버리 키트(STM32MP157A-DK1, STM32MP157C-DK2)가 사용 가능하며, 다양한 프로젝트 요구에 맞는 세 가지 개발자 패키지(Starter, Developer, Distribution)가 있다.

ST마이크로일렉트로닉스 STM32MP1은 향상된 성능, 리소스, 오픈소스 소프트웨어를 제공한다. (이미지: ST마이크로일렉트로닉스)

빅데이터와 의료 영상의 만남

대규모 데이터 처리는 의료 영상, 커넥티드 기기, 자동화 전반에서 중요한 과제다. 더 많은 데이터 볼륨은 더 강력한 보안, 더 높은 상호 운용성, 더 빠른 처리, 일관된 통신을 요구한다.

TI의 BAW 기반 솔루션

TI의 벌크 어쿠스틱 웨이브(BAW) 기술은 심플링크(SimpleLink) CC2652RB 무선 MCU와 LMK05318 네트워크 동기화 클록을 구동한다. 이 장치들은 고처리량 의료 장비를 위해 설계되었다. BAW 공진기는 콤팩트한 폼팩터에서 높은 주파수, 향상된 기계적 탄력성, 유무선 신호를 위한 정밀한 타이밍을 제공한다.

CC2652RB는 최초의 크리스탈리스(crystal-less) MCU로, BAW 공진기와 48MHz Arm Cortex-M4F CPU를 통합한다. 뛰어난 배터리 수명(서브-µA 슬립 전류, 최대 80KB 패리티 보호 RAM)을 제공하며 지그비, 스레드, 블루투스 LE, 독점 2.4GHz 프로토콜을 지원한다. 장치는 -40°C~85°C에서 동작하며 TI 런치패드 개발 키트에서 사용 가능하다.

인텔 제온 스케일러블 프로세서의 AI 기반 영상 처리

인공지능이 의료 영상을 빠르게 변화시키고 있지만, 많은 솔루션은 여전히 딥러닝을 위해 GPU에 의존한다. 인텔의 제온 스케일러블 프로세서는 이제 일반적으로 GPU용으로 예약된 복잡하고 메모리 집약적인 워크로드를 처리한다.

필립스(Philips)와 협력하여 인텔은 제온 스케일러블 서버가 전용 가속기 없이 X-레이와 CT 스캔에서 딥러닝 추론을 수행할 수 있음을 입증했다. 인텔 OpenVINO 배포판과 소프트웨어 최적화를 사용하여 필립스는 X-레이에서 골연령 예측 188배 속업, CT 스캔에서 폐 분할 37배 속업을 달성했다.

이 결과는 고성능 CPU가 헬스케어에서 요구되는 AI 워크로드를 충족할 수 있음을 확인하며, 잠재적으로 하드웨어 복잡성과 비용을 줄일 수 있다.