글/ 로저포세트(Roger Fawcett), 옴니텍(OmniTek) 매니징디렉터


해상도 레벨에 따라 4K TV라고도 불리는 UHD (Ultrahigh-Definition) TV는 이미 광범위하게 확산되어 있으며, 4K는 소비자들 사이에서 3D TV 보다 훨씬 더 대중적인 기술로 받아들여지고 있다. 하지만 표준 개발은 뒤처져있다. 4K60 비디오를 지원하는 6Gbps 및 12 Gpbs SDI를 위한 SMPTE(Society of Motion Picture & Television Engineers) 표준 만이 이제 겨우 발표되었고, 동일한 해상도를 지원하는 HDMITM 2.0 및 DisplayPort는 적용 초기 단계에 있다. 4K UHD에 대한 상당한 소비자의 수요를 고려해 볼 때, 수많은 임시 표준들이 이러한 빈자리를 메우기 위해 몰려들 것으로 예상된다. 
실제로 4K UHD TV의 많은 부분들은 여전히 유동적이기 때문에, 시스템은 반드시 개발되는 표준에 적응할 수 있도록 충분히 유연해야 한다. 유연성을 확보하는 방법은 이러한 디자인에 오랫동안 사용해 온 전통적인 칩셋이나 ASSP를 자일링스(Xilinx짋) 징크-7000(Zynq짋-7000) 올 프로그래머블(All Programmable) SoC(System-on-Chip)와 같은 올 프로그래머블 SoC 또는 FPGA로 대체하는 것이다. 이러한 솔루션은 필요한 유연성을 제공하는 것은 물론, ASIC에 필적하는 성능을 제공한다. 
이와 더불어 최신 FPGA 및 SoC의 크기 및 성능은 디자인이 상당히 어려운데다, 특히 FPGA에 대한 지식이 없는 엔지니어에게는 더더욱 큰 도전과제가 되고 있다. 하드웨어 디자인 및 FPGA 구현은 여러 면에서 비슷한 부분이 많이 있지만, FPGA 기반 시스템은 일반적으로 더 많은 컴포넌트를 포함하게 된다. 또한 본질적인 펌웨어 디자인의 유연성으로 인해 부가적인 어려움이 따른다. 
다행히 자일링스는 4K TV 디자이너에게 도움이 되는 여러 많은 솔루션을 제공하고 있으며, 이를 통해 기초부터 아무런 준비없이 시스템을 디자인하는 것보다 비용 및 시간을 모두 대폭 줄일 수 있다. 이 글에서는 4K 애플리케이션을 위해 어떻게 FPGA 기술을 활용할 것인지 자세히 설명하기 이전에, 먼저 4K 시스템이 어떻게 그렇게 빨리 대중화될 수 있었는지, 그리고 모든 4K 시스템에서 해결해야 할 문제는 무엇인지 살펴보도록 하겠다.


4K의 강점 및 약점 

텔레비전이 처음 발명된 이후 지금까지 실제와 가장 비슷한 이미지를 구현하는데 줄곧 주력해 왔다. 이러한 노력은 일반적으로 해상도나 프레임 레이트 또는 이미지의 다이나믹 레인지를 증대(즉, 가능한 최대한 선명하게)시킴으로써 더 크고, 빠르고, 뛰어난 비디오를 제공하려는 방향으로 귀결되어 왔으며, 더불어 3D 효과나 보다 높은 몰입도를 달성하려는 시도 또한 이어져 왔다.
해상도 증가로 이미지를 보다 세밀하게 묘사할 수 있게 됨에 따라, 선명하게 만들기 위한 픽셀레이션(Pixilation) 기법을 사용하지 않고도 더 큰 스크린에 디스플레이가 가능하게 되었다. 대형 스크린은 몰입도를 더욱 높여준다. 이러한 개선은 고객들이 쉽게 진가를 알아볼 수 있기 때문에 기꺼이 비용을 지불하게 된다. 이러한 발전은 프레임 레이트(부드러운 동작)나 다이나믹 레인지(명암을 더욱 선명하게)가 증대됨으로써 가능하게 되었지만, 반면에 아직까지 소비자들의 상상력을 따라잡기에는 부족하다. 
새로운 4K UHD TV는 이전의 인기 있는 HD 표준 보다 픽셀 수가 4배 많다. 아마도 소비자들에게 가장 중요한 점은, 4K는 이미지 품질에 어떠한 효과를 주지 않고도 훨씬 더 몰입감을 느낄 수 있는 훨씬 큰 TV로 업그레이드가 가능하다는 점일 것이다.
하지만 4K 비디오를 지원하는 시스템을 개발하기 위해서는 내재된 기술적 해결과제들이 상당하다. 먼저 최고 60Hz의 프레임 레이트로 제공되는 3,840 x 2,160 픽셀 프레임 사이즈를 고려할 때 픽셀 레이트는 600MHz가 된다. 이러한 레이트를 실시간으로 처리하기 위해서는 매우 높은 시스템 성능이 필요하다. 또한 4K를 위해 정의된 전송 컨피규레이션(다중 데이터 스트림 및 동일 케이블 또는 각기 다른 케이블 상에서 전송 및 멀티플렉싱을 비롯한 모든 것)도 각기 다르며, 이를 제공하는 최신 기술(4 x 3G, 6G-SDI, 12G-SDI, HDMI 1.4 및 2.0, DisplayPort 1.2, V-by-One HS)들 또한 매우 다양하다. 
디자이너에게 또 다른 문제는 4K 뿐만 아니라, SD를 비롯한 현재 사용되고 있는 모든 비디오 표준은 아니더라도 대부분을 처리할 수 있는 시스템이 필요하다는 것이다. 또한 시스템은 업/다운/크로스-컨버전 및 비조화 컬러공간, 컬러 보정, 인터레이싱 및 디-인터페이싱(Deinterlacing), 케이던스 핸들링(Cadence Handling) 등 모든 관련 문제들과 함께 이러한 각기 다른 표준 간의 컨버전을 지원해야 한다. 더 복잡한 문제는 업컨버전은 일반적으로 이미지 평탄화를 대체할 수 있는 ‘초고해상도(Super-Resolution)’라고 불리는 첨단 기법 애플리케이션이 반드시 뒤따른다는 점이다. 
또한 모두 실시간으로 처리되는 노이즈 감소, 크로핑(Cropping), 리사이징(Resizing)과 같은 다른 프로세스들이 필요할 수도 있다. 일부 시스템은 HDCP(High-Bandwidth Digital Copy Protection) 또한 처리할 필요가 있다. 한편 방송 전송 품질을 결정해야 하는 사람은 높은 비트 레이트에서 구현이 더욱 어려운 기술인 적절한 아이(Eye) 및 지터 디스플레이를 생성해야 한다.

일차적인 지원: 4K IP 코어

모든 시스템 디자인의 첫 번째 단계는 편리하게 해당 디자인에 포함시킬 수 있는 이미 구현된 블록들을 찾는 것이다. FPGA 분야에서는, PCB 디자인에 포함 가능한 여러 칩 상의 동등한 빌딩 블록을 IP(Intellectual- Property) 코어라고 한다. 따라서 디자인의 첫 단계는 4K UHD 디자인에 어떠한 IP 코어를 사용할 수 있는지 확인하는 것이다. 
옴니텍(OmniTek)은 모든 종류의 비디오 시스템 디자인을 위한 뛰어난 IP 코어 공급원이다. 이 회사는 자일링스 얼라이언스 프로그램(Xilinx Alliance Program)의 공인 회원사로, 자체 비디오 T&M(Text and Measure-ment) 시스템 초기 개발자로서 비디오 프로세싱 분야에서 상당한 경험을 보유하고 있다. 이러한 시스템은 전용 하드웨어가 필요하며, 결국 전용 펌웨어 블록도 개발해야 한다. 현재 이러한 펌웨어 블록은 IP 코어로 제공되고 있다. 옴니텍이 가장 최근에 개발한 T&M 시스템으로 새롭게 출시된 울트라 4K 툴 박스(Ultra 4K Tool Box)는 4K-지원 가능한 IP 코어를 개발할 수 있도록 해주며, 현재 써드파티 개발자들이 이용할 수 있다.
특히 자일링스 7 시리즈 FPGA 및 징크(Zynq) SoC를 겨냥해 제공되고 있는 옴니텍의 2개의 코어, OSVP v2 확장 가능한 비디오 프로세서 및 멀티-채널 스트리밍 DMA 컨트롤러는 4K 시스템 디자이너에게 유용하다. 두 코어 모두 ARM짋 AMBA짋 AXI4 시스템 인터커넥트 표준을 채택하고 있다.

[그림 1] 옴니텍(OmniTek)의 OSVP v2 확장가능한비디오프로세서코어의입력채널아키텍처


[그림 2] 비바도(Vivado) IPI(IP Integrator)내에펼쳐진 RTVE 3.1 비디오디자인과컨피규레이션윈도우
OSVP v2의 기능에는 6축 컬러 보정을 비롯해 모션 어댑티브(Motion Adaptive) 및 에지 어댑티브(Edge-Adaptive) 디-인터레이싱(3:2 및 2:2 케이던스 검출 및 프로세싱 완비), 이미지 선명화 및 평탄화 기능을 갖춘 리사이징 및 크로핑, 그리고 노이즈 감소 등이 포함되어 있다. 그림 1은 이 코어의 블록 다이어그램을 보여주고 있다. 합성 시간이 포함된 프로세싱 기능을 선택하고, OSVP v2 코어로 수행되는 보다 상세한 프로세싱을 런타임으로 설정하거나 소프트웨어로 구동할 수 있다. 




OSVP v2 코어는 하나의 세트로서 다중 비디오 스트림 조합을 위한 합성기, 인터레이싱된 포맷으로 출력을 생성하기 위한 인터레이서, 전용 크로스포인트, 4:4:4, 4:2:2 및 4:2:0 YCbCr 간의 이행에 사용할 수 있는 크로마 리샘플러를 포함하고 있다.(하나의 크로마 리샘플러 구현으로 4:4:4에서 4:2:2 또는 4:2:2에서 4:2:0, 4:2:2에서 4:4:4, 4:2:0에서 4:2:2로 변환이 가능하다.)
하나의 OSVP v2 코어는 다중 비디오 채널을 처리한다. 제한 요인들은 FPGA나 SoC 상에 구현되어 제공되는 리소스와 이용 가능한 SDRAM 대역폭 규모이다. 예를 들어, 8개의 각기 다른 HD 비디오 표준과 8개의 컬러 공간 등으로 비디오를 처리할 수 있도록 킨텍스-7(Kintex짋-7) XC7K325T FPGA 상에 구현된 OSVP 코어를 최고 8개의 입력을 지원할 수 있도록 컨피규레이션할 수 있다. 이와 동시에 최고 16개의 프로그레시브 HD 출력을 위한 출력 블록을 컨피규레이션할 수 있다. 그렇지 않으면, 단일 4K 채널 또는 쿼드 분할(Square Division)이나 2-픽셀 샘플 인터리브 4K를 함께 제공하는 4개의 채널 세트를 제공하도록 출력 블록을 설정할 수 있다.
이러한 복잡한 4K 시스템 디자인의 또 다른 도전과제는 비디오 프로세싱에서 요구되는 수많은 고대역폭 메모리 액세스를 관리하는 것이다. 간혹 요구되는 비디오 처리를 위해 비디오-프로세싱 블록이 함께 제공된다. 예를 들어, OSVP v2 코어는 비디오 입출력 처리를 위해 매우 효율적인 엔진을 제공하는 멀티-포트 비디오 DMA 블록을 포함하고 있다. 
하지만 PCI Express짋를 기반으로 하나 이상의 4K60 채널을 캡처하고, 플레이하기 위해서는 PCIe짋 인터페이스를 통한 데이터 스트리밍 처리에 최적화된 DMA 컨트롤러가 필요하다. 옴니텍의 다중-채널 스트리밍 DMA 컨트롤러는 이에 도움이 되는 두 개의 핵심 기능을 갖추고 있다. 첫 번째는 메모리의 데이터 입출력을 전송할 필요가 없는 FIFO-기반 DMA(FDMA)이다. 두 번째는 SG(Scatter-Gather) 모드 디스크립터 프리페치(Prefetching) 및 TLP 패킷의 백-투-백 패킹(Back-to-Back Packing)을 통해 컨트롤러가 PCIe 대역폭을 매우 효율적으로 사용할 수 있도록 해주는 일련의 디자인 최적화이다. 
옴니텍이 4K UHD 비디오를 처리할 수 있도록 개발한 또 다른 IP 코어는 2-샘플 인터리브 형태의 4K 비디오로 구성된 각기 다른 스트림을 풀기 위한 블록이다. 또한 기본 MIG SDRAM 컨트롤러를 위한 드롭-인 대체품은 UHD TV 비디오 애플리케이션의 성능을 더욱 향상시킨다.


프로그래머블의 장점

FPGA 및 SoC-기반 4K 비디오 시스템 디자이너를 위한 추가적인 지원은 자일링스에서 제공되고 있으며, 3가지 방식으로 지원된다. 
첫 번째 장점은 고성능 비디오 및 이미지 프로세싱을 위한 강력한 하드웨어 및 소프트웨어 프로세싱 성능을 갖춘 디바이스인 징크(Zynq) SoC에 있다. 징크(Zynq) SoC는 풍부한 기능의 듀얼-코어 ARM 코어텍스-A9(CortexTM-A9) 프로세싱 시스템과 7 시리즈(28nm) FPGA 프로그래머블 로직을 단일 디바이스 안에 통합했다. 사용자는 ARM 프로세서 상에서 프로세싱 알고리즘을 구동하거나 실시간 동작을 달성하기 위해 가속이 필요한 경우 FPGA 하드웨어에 이를 분담시킬 수 있다. 
1,600Mbps의 64bit DDR3 메모리 성능을 겸비하고 있는 킨텍스-7 FPGA 및 징크(Zynq) SoC의 프로그래머블 로직으로 제공되는 지속 가능한 300MHz의 비디오 프로세싱 속도는 4K 비디오 프로세싱 및 4K 프레임 버퍼를 처리하는데 매우 중요하다. 풍부한 DSP를 제공하는 징크(Zynq) SoC의 프로그래머블 로직 패브릭은 DSP 디자이너들에게 시그널 프로세싱 알고리즘을 구현하기 위한 매우 유연한 플랫폼을 제공하는 것은 물론, 프로세서 및 프로그래머블 로직 간의 긴밀한 결합을 통해 두 도메인 간에 걸쳐 코덱 알고리즘 개발을 가능하게 해준다. 또한 징크(Zynq) SoC를 토대로 한 디자인은 다중 ASSP로 달성할 수 있는 것을 단일 디바이스에 통합할 수 있기 때문에 전력 및 비용을 절감할 수 있다. 
또한 자일링스는 FPGA 및 SoC에 포함된 통합 트랜시버는 물론, 자사의 광범위한 인하우스 커넥티비티 IP를 통해 4K 비디오 시스템을 개발할 수 있도록 지원하는 상당한 커넥티비티를 제공한다. 예를 들어, 징크(Zynq) 7045 SoC는 최고 16개의 12.5Gbps 트랜시버를 제공하며, 이는 12G-SDI, 6Gbps HDMI 2.0, 5.4Gbps DisplayPort 1.2, 10Gbps 이더넷 표준과 함께 사용할 수 있다. 
자일링스가 제공하는 세 번째로 중요한 장점은 비바도(Vivado짋) 디자인 수트와 결부된 IPI(IP Integrator) 툴을 통해서 달성된다. 그림 2에 나타낸 것처럼, IPI를 통한 IP 블록의 링크 작업은 PCB 보드 상에서 칩을 연결하는 방식과 유사하다. 이는 IP 블록 상의 인터페이스(옴니텍 OSVP 및 DMA 블록도 마찬가지)가 자일링스가 표준처럼 채택하고 있는 AMBA AXI4 인터커넥트 프로토콜과 부합하는 경우 특히 용이하다. 
클럭 속도는 초당 최고 수백 기가비트까지 지원되고, ASIC-등급으로 분류되는 자일링스의 새로운 울트라스케일(UltraScaleTM; 16nm/20nm) 기술의 출현으로 전력 또한 향상되었다(추가정보 확인: www.xilinx.com/ products/technology/ultrascale.html). 울트라스케일 아키텍처는 4K는 물론, 곧 다가올 8K 및 그 이상의 비디오 시스템을 개발할 수 있도록 해준다. 


[그림 3] RTVE 3.1 레퍼런스디자인개요도

[그림 4] 옴니텍(OmniTek)의 새로운 울트라 4K 툴박스, 기반이 되는 컴포넌트들이 오픈되었다

조정 가능한 미리 구현된 시스템

IP 코어로 제공되는 빌딩 블록은 비디오 시스템 디자인 구현 작업을 용이하게 하는데 큰 도움이 될 뿐만 아니라, 조정이 가능한 미리 구현된 시스템은 보다 뛰어난 출발점을 제공한다. 당분간 자일링스는 옴니텍의 IP 블록과 자일링스의 비디오 및 커넥티비티 IP를 모두 통합한 RTVE(Real-Time Video Engine) 레퍼런스 디자인을 제공하고 있다. 이러한 레퍼런스 디자인은 다양한 비디오 애플리케이션을 겨냥한 방송-품질의 비디오 프로세싱을 실제로 시연해 볼 수 있다. RTVE 디자인은 AXI4 인터커넥트 표준으로 모두 설계되었기 때문에 IP 블록의 기능 및 용이한 상호운용성을 확실히 입증했다. 
각각의 새로운 버전의 RTVE는 최신 IP 블록을 통합으로써 디자인 성능을 높였다. 최신 버전인 RTVE 3.1은 SMPTE 425-5:2014, DisplayPort 1.2, 6G-SDI, 12G-SDI로 정의함으로써 4K 비디오 표준을 위한 지원을 추가했다. 그림 3은 이 디자인을 위한 블록 다이어그램의 개요를 나타낸 것이다. 



RTVE 3.1 디자인은 위에서 언급한 옴니텍 코어와 옴니텍 인터레이서, 합성기, 전용 크로스포인트와 함께 자일링스의 일부 핵심 컴포넌트들을 모두 포함하고 있다. 또한 웹기반 인터페이스로 RTVE 엔진을 구동하는 애플리케이션 및 API가 함께 제공된다. RTVE 3.1 디자인 펌웨어와 애플리케이션 소프트웨어는 모두 이러한 툴을 이용해 시스템 디자인을 어떻게 시작할 것인지를 제시하거나, 또는 유사한 시스템 개발을 위한 시작점으로 사용할 수 있도록 소스 형태로 고객들에게 제공된다. 
또한 고객들에게 제공되는 것은 RTVE 3.1을 위한 하드웨어 플랫폼으로, 옴니텍 OZ745 개발 키트(자일링스 Zynq 7045 SoC 기반)와 FMC 확장 카드로 구성된다. FMC는 2개의 SD/HD/3G/6G-SDI 입력 및 출력과 함께 DisplayPort 1.2-호환 입력 및 출력 포트가 추가된다. 이러한 I/O는 모두 함께 6G 4K 및 12G 4K, 3G Level A 및 3G Level B Square Division/Quad 4K, 3G Level A 및 3G Level B 2-샘플 인터리브 4K를 비롯해 지원되는 비디오 표준을 확장할 수 있다.
이러한 컴포넌트는 상업적으로 이용 가능한 시스템을 만드는데 함께 사용이 가능하다는 것이 옴니텍의 울트라 4K 툴 박스 형태로 입증되었다(그림 4 참조). 4K 툴 박스의 기본 아키텍처는 옴니텍의 OZ745 개발 키트 및 FMC 카드, 펌웨어 및 관련 RTVE 3.1 애플리케이션 소프트웨어로 구현되었다. 4K 툴 박스는 최고 4K60의 모든 비디오 표준의 업/다운/크로스-컨버전을 제공할 뿐만 아니라 아이 및 지터, 4K 이미지를 만드는 여러 모든 데이터 스트림에 대한 픽셀 데이터 및 전체 뷰(Gamut View)를 비롯해 다양한 디스플레이를 제공한다. 
울트라 4K 툴 박스는 최근 시장에 출시되었지만, 여러 분야의 고객들이 이미 구매했으며, 칩셋 제조업체에서 테스트 및 측정, 방송 장비에 이르기까지 모든 분야의 4K 프로세싱을 처리한다. 이 제품에 대한 활용도는 비디오 업계 전반에 걸쳐 새로운 4K 표준에 대한 폭넓은 관심을 반영하고 있다. 




궁극적인 지원

이러한 툴 및 IP와 함께 옴니텍은 고객들이 4K 디자인을 실현할 수 있도록 도움을 주는 자문 서비스도 제공하고 있다. 자일링스의 첨단 실리콘 기술과 소프트웨어, 그리고 옴니텍의 비디오 프로세싱 및 전문 제조기술이 결합됨으로써 비디오 시스템 디자이너는 기대 이상의 탁월한 지원 및 훨씬 간편한 통합 성능을 갖춘 완벽한 개발 프레임워크 안에서 개발작업을 시작할 수 있게 되었다. 그 결과 혁신적이고 경쟁력 있는 제품을 훨씬 더 빠르게 마켓에 출시할 수 있는 토대를 구축하게 되었다.