GPIO와 I2C를 묶어 보내다! 시리얼 트랜시버 'IOHA:B'콘셉트 동플래시 고속 인터페이스 표준 'MIPI'란? 모바일의 틀을 벗어나 자동차에도 적용

2023.08.03
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현재 전자기기에는 USB, 썬더볼트, MIPI, HDMI, DisplayPort, 시리얼 ATA(SATA), LVDS 등 다양한 고속 인터페이스 기술이 사용되고 있다.

이러한 고속 인터페이스 기술 중 보급률은 높지만 일반 소비자의 인지도가 상당히 낮은 것이 있다. 바로 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)다. MIPI는 2008년에 제정된 고속 인터페이스 표준이다. 역사는 비교적 오래됐다. 그럼에도 불구하고 'USB나 썬더볼트, HDMI는 알지만 MIPI는 모른다'HDMI는 알지만 MIPI는 모른다

왜 그럴까? 그것은 MIPI가 휴대폰이나 스마트폰 등 모바일 기기 내부에서 카메라와 SoC 사이 또는 SoC와 디스플레이 사이를 연결하는 영상 신호용 인터페이스로 사용되고 있기 때문이다. 즉, 일반 소비자가 직접 접할 수 있는 기기 외부로 출력되지 않음. 그러니 알 길이 없는 것이다.

그 MIPI가 모바일 용도 외의 시장에서도 급속한 보급과 확장을 보이고 있다. 그동안 스마트폰 탑재 카메라의 고해상도 요구에 부응해 온 MIPI에는 고해상도 대응 센서의 종류도 다양하다. 최근 모바일 용도 이외의 임베디드 카메라 시스템에서도 고해상도화 요구가 높아지면서 MIPI를 고려하는 경우가 많아지고 있다.
이번에는 MIPI에 대해 알아보고 그 사양과 특징을 알아보자.

모바일에 특화된 표준으로 시작

MIPI는 LVDS 등에서 채용하고 있는 저전압 진폭 차동 전송 기술을 사용해 높은 플래시 룰렛를 구현하고 있다. 다만 주의해야 할 점이 있다. 플래시 룰렛와 전송 방식을 규정하는 물리계층(PHY) 표준이 하나만 있는 것이 아니라는 점이다. 사실 MIPI라고 한 마디로 말해도 물리계층 표준은 여러 개가 존재한다.

2008년에 제정된 최초의 물리(PHY) 계층 표준은 'D-PHY ver1.0'로, 최대 플래시 룰렛는 1레인당 1Gbps다(표 1). D-PHY ver1.0은 대상용도의 모바일 기기에 최적화한 표준이다. 최적화 포인트는 두 가지로, 하나는 단순성이다. 다른 하나는 저전력이다.
표1　MIPI의 물리층 표준표
플래시 룰렛
　　플래시 룰렛
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
첫 번째 단순성은 데이터 신호와 클록 신호를 별도의 신호선으로 플래시 룰렛하는 클럭 분리 플래시 룰렛 방식을 채택하여 실현되었다. 클럭 분리 플래시 룰렛 방식은 플래시 룰렛 거리가 길어질수록 신호 라인의 길이 차이와 특성 차이에 의한 스큐가 발생해 데이터 신호와 클럭 신호가 리시버(수신). 최악의 경우 플래시 룰렛 오류가 발생함. 하지만 모바일 기기 내부의 신호 플래시 룰렛이라면 그렇게 먼 거리를 보내는 필요가 없다. 실제로 D-PHY ver1.0으로 플래시 룰렛 가능한 거리는 수십 cm 정도다. 플래시 룰렛 거리보다 단순성을 우선시해 클럭별 플래시 룰렛 방식을 채택했다고 볼 수 있다.

두번째 저소비 전력은 차동 신호의 전압 진폭을 ±200mV로 낮춰 실현한 것. LVDS는 ±350mV이므로 전압 진폭을 4분의 7로 줄인 계산이 된다. 그만큼 소비 전력을 줄일 수 있다. 물론 전압 진폭을 줄이면 데이터 신호를 플래시 룰렛할 수 있는 거리가 짧아진다. 그러나 앞서 말한 것처럼 MIPI는, 데이터를 먼 거리로 보낼 필요가 없다. 그 부분을 소비 전력 절감으로 돌린 것이다.

자동차 애플리케이션용 물리 계층 표준 등장

앞서 언급했듯이, MIPI 표준에는 여러 물리적 계층 표준이 존재합니다. 예:, D-PHY ver1.0은 현재 'D-PHY ver3.0'로 업그레이드되었습니다, D-PHY ver3.0은 D-PHY ver1.0과 마찬가지로 차동전송의 신호진폭과 클럭별 전송방식을 채용하고 있는데, 여기에 디엔퍼시스 기술과 이퀄라이저 기술을 추가하여 최대 플래시 룰렛를 1레인당 9Gbit/s로 높였다.

이 외에도 전송 방식을 클럭 분리 전송 방식에서 클럭 임베디드 방식으로 변경했다 'C-PHY'와 'M-PHY' 두 가지 규격이 있는데, C-PHY는 스마트폰 외에도 감시카메라, 드론 등을 위한 물리계층 규격이다. 가장 큰 특징은 클럭 임베디드 방식에 더해 3값 전송 방식을 채용해 최대 플래시 룰렛를 레인당 6Gbit/s로 높였다는 점이다.

M-PHY는 모바일 장치 내 프로세서 간 통신(IPC: Inter Processor Communication)을 위한 물리적 계층 표준이다. 이퀄라이저 기술과 8B10B 변조 기술 등을 적용해 C-PHY와 마찬가지로 최대 데이터 플래시 룰렛속도를 1레인당 6Gbit/s로 높였다.

D-PHY ver3.0과 C-PHY, M-PHY는 모두 MIPI의 타깃 용도인 모바일 기기를 위한 것이다. 새로운 전송 기술을 채택하여 최대 플래시 룰렛를 높이고, 모바일 기기용이라는 범위 내에서 새로운 용도에 대응하는 표준이라고 할 수 있다.

그런데 2020년 9월, 이러한 흐름에서 크게 벗어난 표준이 제정되었다. 자동차 사용을 위한 물리계층 표준 'A-PHY'가 그것이다. 이것은 자동차 내부에서 카메라와 디스플레이 사이의 데이터 플래시 룰렛 용도를 위한 것이다. '기기 내부에서의 고속 데이터 플래시 룰렛 규격'이라는 범주이긴 하지만, '모바일 기기'라는 범위가 크게 벗어난 모양새다.

용도가 모바일 기기에서 자동차로 바뀌면 당연히 요구되는 전송 거리가 크게 늘어날 수밖에 없다. 이에 A-PHY는 클럭 임베디드 방식에 더해 디엠퍼시스 기술과 이퀄라이저 기술, 8B10B 변조 기술을 채택하여 전송 거리를 최대 15m까지 늘렸습니다, 1레인당 플래시 룰렛는 최대 2Gbit/s이다. 향후 최대 15m 전송거리는 그대로 유지하면서 최대 데이터 전송속도를 레인당 최대 6Gbit/s로 높일 계획이다.

V-by-One HS로 문제해결

이처럼 MIPI의 물리계층 표준은 현재 초기 D-PHY ver1.0에서 큰 진화를 거듭하고 있다. 그러나 현재 초기 단계의 D-PHY를 채용한 애플리케이션이 적지 않다.

D-PHY의 최대 데이터 전송률은 ver1.0의 경우 1.0Gbps, ver1.1의 경우 1.5Gbps로 일반적인 용도라면 충분히 높은 플래시 룰렛일 것이다. 그러나 수십 cm라는 전송 거리는 용도에 따라서는 충분한 길이라고 할 수 없다. 예:, MIPI D-PHY 출력의 카메라 모듈(MIPI 카메라)을 사용해 산업용 IoT 시스템을 구축하는 경우다. 과수원의 작물 모니터링이라면 카메라 모듈을 과수대에 설치하고, 지상에 놓인 SoC 보드와 케이블로 연결. 이때 물리계층 규격이 D-PHY인 MIPI에서는 전송거리가 전혀 부족하다.
이 플래시 룰렛 거리 문제를 해결하는 방법 중 하나가 고속 인터페이스 기술인 'V-by-One HS'을 채택한 것. V-by-One HS의 사용법은 다음과 같다. 먼저 카메라 모듈에 연결된 송신기(송신) IC에서 D-PHY에 대응하는 MIPI 신호를 V-by-One HS 신호로 변환한다. 이후 이 신호를 이더넷 케이블 등을 통해 플래시 룰렛하고, 멀리 떨어진 곳에 있는 SoC 보드에 연결한 리시버(수신) IC에서 V-by-One HS 신호를 다시 MIPI 신호로 되돌려주는 것이다(그림 참조).
플래시 룰렛
그림 1 - V-by-OneHS IC 적용 사례(드라이브 레코더)

V-by-One HS는 MIPI와 마찬가지로 저전압 진폭 차동 플래시 룰렛 기술을 이용한 고속 인터페이스 기술이다. 그러나 MIPI와 달리 모바일 기기에 특화된 것이 아니라 범용적인 고속 인터페이스 기술이다. 전압 진폭은 ±600mV이고, 클럭 임베디드 방식을 채택하고 있다. 또한, 디엠퍼시스 기술과 이퀄라이저 기술을 채용하고 있어 최대 데이터 플래시 룰렛속도는 레인당 4Gbit/s로 높고, 플래시 룰렛 거리는 최대 약 15m로 길다. 따라서 D-PHY를 지원하는 MIPI의 플래시 룰렛거리 문제를 단번에 해결할 수 있다.

쉽게 사용할 수 있는 개발 키트 출시

현재 자인일렉트로닉스는 2023년 2월부터 MIPI 카메라의 신호 플래시 룰렛 거리를 크게 늘릴 수 있는 MIPI 카메라 SerDes 스타터 키트의 판매를 시작했다. 이 스타터 키트는 SerDes 세트인 'THEVA24-RJ45-SET-V1'과 지정된 그래버 보드 'THEVA-GRABBER-V1', 그리고 '대응 카메라 모듈' 세 가지를 조합하여 사용한다(그림 참조).

그림 2　스타터 키트 세트 내용 및 그래버 보드

THEVA24-RJ45-SET-V1에 카메라 측의 Tx 보드, 그래버 보드 측의 Rx 보드, 그리고 이더넷 케이블이 세트로 포함되어 있습니다, Tx 보드 및 Rx 보드에는 자인 일렉트로닉스의 MIPI 인터페이스 변환 SerDes 칩 세트인 THCV241A-P(송신기 IC), THCV242A-P(수신기 IC)가 장착되어 있다.
이 개발 키트에 대한 자세한 내용은 여기을 참조해 주시기 바랍니다.

MIPI 거리 연장을 위한 다양한 IC 제공

현재자인일렉트로닉스는 D-PHY 규격에 준거한 MIPI CSI-2 신호를 V-by-One HS 신호로 변환하여 송신하는 송신기 IC와 수신한 V-by-One HS 신호를 D-PHY 규격에 준거한 MIPI CSI-2 신호로 변환하여 출력하는 수신기 IC를, 7개 제품을 준비하고 있다(표 2). 아래에서 각각의 IC를 소개하고자 한다.
표 2. V-by-One HS 및 MIPI에 대응하는 송신기/수신기 IC

송신기 IC는 'THCV241A'와 'THCV241A-P', 'THCV243'의 세 가지 제품으로, THCV241A와 THCV241A-P는 모두 MIPI CSI-2 신호의 입력은 4레인, V-by-One HS 신호의 출력은 2레인이다. HS 신호의 최대 데이터 전송률은 4Gbit/s와 동일하지만, MIPI CSI-2 신호의 최대 플래시 룰렛가 다르다: THCV241A는 최대 1.2Gbit/s, THCV241A-P는 최대 1.5Gbit/s이다. 패키지는 모두 5mm×5mm 크기의 QFN40으로, 실장 면적은 5mm×5mm이다.
THCV243은 2.9mm x 2.1mm의 작은 CSP35에 장착 면적이 2.9mm x 2.1mm로 작아진 것이 특징이다. MIPI CSI-2 신호의 입력은 최대 4레인, V-by-One HS 신호의 출력은 1레인입니다, MIPI CSI-플래시 룰렛 1.2Gbit/s, V-by-One HS 신호는 최대 4Gbit/s이다.

수신기 IC는 'THCV242A'와 'THCV242A-P', 'THCV244A', 'THCV244A', 'THCV244A-QP' 등 4개 제품이며, THCV242A와 THCV242A-P는 모두 V-by-One HS 신호의 입력이 2레인, MIPI CSI-2 신호의 출력은 4레인이다. V-by-One HS 신호의 최대 플래시 룰렛는 4Gbit/s와 같지만, MIPI CSI-2 신호의 최대 데이터 전송률이 다릅니다, THCV242A 최대 1.2Gbit/s, THCV242A-P는 최대 1.5Gbit/s이다.
THCV244A와 THCV244A-QP는 V-by-One HS 신호 입력을 4레인으로 갖춘 것이 특징이다. 따라서 자동차의 서라운드 뷰 등과 같이 여러 대의 카메라로 촬영하는 용도에 적합하다. 이 제품도 V-by-One HS 신호의 최대 플래시 룰렛는 4Gbps로 동일하지만, MIPI CSI-2 신호의 최대 데이터 전송률은 THCV244A가 1.2Gbps, THCV244A-QP가 1.49Gbps이다.
패키지는 4개 제품 모두 9mm×9mm 크기의 QFN64이다.