고속·장거리 머신비전을 위한 차세대 인터페이스 '100 Gbps CoaXPress-over-Fiber'
고해상도 및 초고속 영상 데이터 전송이 요구되는 디스플레이 패널, 반도체, 의료, 항공우주 산업에서는 수십미터 이상의 거리에서도 안정적이고 신뢰성 높은 영상 전송이 필수적이다. 이러한 요구를 충족하기 위해 기존 동축 케이블 기반의 CoaXPress(Coaxial Express)를 광섬유로 확장한 새로운 기술, CoaXPress-over-Fiber (CoF)가 주목받고 있다.
CoaXPress의 한계와 CoaXPress-over-Fiber의 등장
전통적인 CoaXPress는 최대 12.5 Gbps의 전송 속도를 지원하며 데이터, 트리거, 제어 신호 및 전력을 단일 케이블로 통합하는 전력 전송 기능 덕분에 널리 활용되어 왔다. 그러나 약 15 미터의 전송 거리 제한, 전자기 간섭(EMI) 취약성, 복잡한 배선 구조 등의 한계가 있다. 이러한 제약을 극복하기 위해 등장한 CoF는 전송 매체를 광섬유로 전환하여 수백 미터에서 수 킬로미터까지 고속 데이터 전송을 실현하며 전자기 간섭에 강하고 배선 유연성도 뛰어나다.
CoaXPress-over-Fiber란?
CoaXPress의 최신 버전(Revision 2.1)은 광 인터페이스를 포함한 표준 이더넷 연결상에서도 별도의 수정없이 CoaXPress 프로토콜을 실행할 수 있는 기능을 제공한다. 이 기능은 ‘CoaXPress-over-Fiber (CoF)’로 불리며 CoaXPress의 주요 장점에 광통신의 이점을 더한 차세대 인터페이스이다.
CoF는 기존 CoaXPress의 높은 신뢰성과 저지연 데이터 전송 성능을 유지하며 전송 매체만 광섬유로 대체하여 전송 거리와 대역폭을 획기적으로 확장한다. CoaXPress의 상위 계층 프로토콜은 변경 없이 유지되며 물리 계층의 전기 신호만 광신호로 변환되어 전송된다.
이를 위해 SFP+, QSFP+, QSFP28 등의 광 트랜시버와 멀티모드(MMF) 또는 싱글모드(SMF) 광섬유 케이블이 사용된다. 이로써 기존 동축 기반 시스템과의 호환성을 유지하면서도 장거리의 고속 영상 데이터 전송을 가능하게 한다.
CoaXPress-over-Fiber의 전송 방식
CoF는 IEEE 802.3 표준 기반의 이더넷 1계층을 활용함으로써 고속 이더넷 기술이 발전할수록 더 높은 전송 속도와 저렴한 구성 요소의 혜택을 누린다. 기술적으로는 트랜시버에서 8b/10b 또는 64b/66b 인코딩을 통해 광 신호를 전송하며 CoaXPress 신호는 이 물리 계층 위에서 캡슐화되어 전달된다.
트리거 및이벤트와 같은 타이밍 민감 제어 신호도 광채널을 통해 전송되며 하드웨어 동기화를 통해 기존 동축 기반 CoaXPress와 동일 수준의 정밀한 동기화 성능을 구현한다. 단, 광섬유는 전력 전송이 불가하므로 PoCXP(Power-over-CoaXPress)는 지원되지 않으며 카메라에 별도 전원 공급 장치가 필요하다.
CoaXPress에서 CoaXPress-over-Fiber로의 전환
CoaXPress의 확장 기술인 CoF는 범용 GenICam 프로그래밍 인터페이스를 지원하며 운영 체제에 종속되지 않는 구조로 설계되어 있다. 이러한 특성 덕분에 동축 케이블 기반 시스템은 광섬유기반으로 쉽게 업그레이드될 수 있다.
CoF로의 전환을 위해서는 CoF 호환 카메라와 프레임그래버, 광섬유 케이블, 그리고 적합한 트랜시버 및 커넥터가 필요하다. 현재는 관련 하드웨어의 선택 폭이 제한적이나 CoaXPress 표준이 빠르게 보급되었던 전례와 같이 CoF 역시 기술적 이점이 산업 전반에 빠르게 인식되며 고속 성장과 생태계 확장이 기대된다.
CoaXPress-over-Fiber 적용 분야
높은 대역폭, 긴 전송 거리, 전자기 간섭에 대한 우수한 저항성, 유연한 배선 구조 등의 강점을 바탕으로 CoF는 장거리 배선이 필요한 대형 장비, 전자기 노이즈가 심한 환경, 고속전송이 요구되는 응용 분야에 최적화된 솔루션이다. 반도체 웨이퍼 검사 시스템, 고속 엑스레이 검사 장비, 이동형 자동 검사 로봇 등 다양한 산업 분야에서 CoF 장비의 도입이 확대되고 있다.
<표> CoF의 장점
CoaXPress-over-Fiber의 장점: 광섬유의 다양한 이점
광섬유는 전기적으로 절연되어 있어 전자기 간섭의 영향을 받지 않으며 전송 지연이나 누화(crosstalk)현상도 발생하지 않는다. 이러한 특성은 시스템 설계에서 접지 관련 문제를 제거하여 안정성을 높인다. 또한, 광섬유는 열을 방출하지 않아 과열로 인한 화재 위험이 없으며 구리 케이블에 비해 인장 강도가 뛰어나 장거리에서도 쉽게 끊어지지 않는다.
외부 환경 변화에도 강한 내성을 보여 동축 케이블이나 이더넷 케이블보다 습기와 온도 변화에 덜 민감하게 반응한다. 그 외에도, 광섬유는 가볍고 직경이 작아 기계 장비나 로봇, 항공기, 지상 차량 등 설치 공간이 제한적인 환경에서도 배선이 용이하다.
CoaXPress-over-Fiber의 데이터 처리 구조 및 동작 방식
CoaXPress 프로토콜 기반 카메라의 FPGA (FieldProgrammable Gate Array)는 이더넷 표준을 지원하는 기능을 갖추고 있다. 특히, IEEE 802.3by 표준에 정의된 25GMII (25 Gbps Media Independent Interface)는 25 Gbps 이더넷 미디어 액세스 제어(Media Access Control)와 물리 계층(Physical Layer)간의 병렬 인터페이스로 25 Gbps 이더넷의 실제 물리 계층 접근을 위한 기본 경로 역할을 한다.
CoaXPress-over-Fiber Device Bridge IP 코어를 활용하면 CoaXPress Device IP 코어를 FPGA 내부의 25GMII 버스에 직접 연결할 수 있다. 이러한 25GMII의 범용성 덕분에 CoaXPress 신호를 이더넷의 PCS (Physical Coding Sublayer), PMA (Physical Medium Attachment) 하위 계층으로 손쉽게 매핑할 수 있다.
CoF 환경에서 안정적인 고대 역폭 전송 후 Host Bridge IP 코어는 이더넷 PCS, PMA 블록으로부터 수신된 25GMII 포맷의 패킷을 CoaXPress 패킷으로 재변환하여 데이터 처리를 수행한다.
<그림1> CoF 기능 블록도
CoaXPress 표준 이해를 위한 OSI 계층 구조
CoaXPress는 디지털 이미징 시스템을 위한 고속 및 저지연의 점대점(Point-to-Point) 시리얼 인터페이스로 OSI (Open Systems Interconnection) 모델에 기반하여 물리 매체, 커넥터, 코딩 방식, 링크 프로토콜, 데이터 전송 방식, 그리고 GenICam과의 호환성을 포함한 계층적 구조로 구성된다.
이 표준은 물리 계층의 POC (Physical Optical-Connector), PCS 그리고 PMA부터 애플리케이션 계층까지 각 구성 요소를 유기적으로 결합하여 안정적인 통신과 효율적인 데이터 흐름 제어를 지원한다. 광 인터페이스는 계층 간의 연계를 명확히 보여주며 동축과 광 기반 환경 모두에서 CoaXPress 프로토콜이 작동한다. 또한 GenICam과의 연동으로 머신 비전 시스템 전반의 호환성과 유연성을 높인다.
<그림2> Interface Model on Host
CoF 기능: 디바이스 검색
CoaXPress는 저속 업링크(Host→Device)와 고속 다운링크(Device→Host)로 구성된 대칭 연결 구조를 가지며 디바이스 검색 절차도 역시 이를 기반으로 설계되었다. CoF에서도 동일하게 적용되며, 다음 사항들을 고려해야 한다.
• 광학 업링크는 기존의 저속 업링크와 동일한 방식으로 간주되며 해당 채널은 제어 패킷 송수신을 위한 용도로만 사용된다.
• 광학 업링크에서는 워드 경계(Word boundary) 기반의 패킷 구조를 따라야 하므로 바이트 스트리밍 구조와는 다르게 데이터는 워드 단위로 정렬되어야 한다.
• 업링크의 비트 전송률은 기존 CoaXPress 1.1.1에서 사용되던 20.83 Mbps 대신 고정된 1.250 Gbps (CXP-1) 속도로 동작한다.
• 광 기반 CoF 구조에서는 고속 업링크는 존재하지 않으며 모든 업링크는 저속 채널로 간주된다.
뷰웍스 VC-21MDHF 카메라
뷰웍스는 산업용 카메라 분야의 선도 기업으로 최신 CoaXPress 2.1 및 CoF 표준을 지원하는 제품 포트폴리오를 기반으로 초고속 영상 처리 기술의 핵심 주자로 자리매김하고 있다. 뷰웍스의 CoF 2 채널 인터페이스 카메라인 VC-21MDHF는 다음과 같은 주요 특징을 갖는다.
첫째, QSFP28 트랜시버 기반의 4 × 25 Gbps 구성 으로 단일 광섬유 케이블만으로도 최대 100 Gbps 의 실효 대역폭을 확보하여 고속 데이터 전송을 지원한다.
둘째, 멀티모드 및 싱글모드 광섬유를 모두 지원함으로써 수 킬로미터에 이르는 장거리 전송 시에도 신호 손실 없이 안정적인 영상 데이터 전송이 가능하다.
셋째, 전용 프레임그래버와의 연동을 통해 낮은 지연과 높은 신뢰성의 이미지 전송을 실현하며 정밀한 동기화가 요구되는 머신비전 시스템에 적합하다.
마지막으로, 가볍고 유연한 광케이블 구조 덕분에 기계 장비, 산업용 로봇, 이동형 검사 시스템 등 공간과 배선 제약이 있는 환경에서도 설치와 운용이 용이하여 높은 시스템 설계 유연성을 높인다.
<그림3> 뷰웍스 VC-21MDHF 카메라
미래의 고속 머신비전을 위한 최적의 선택
CoF는 단순히 전송 매체를 광섬유로 대체하는 수준을 넘어 머신비전 시스템 설계 패러다임을 근본적으로 전환하는 혁신 기술이다. 차세대 반도체 검사 장비, 초고속 자동화 생산 라인, 정밀 의료 영상 시스템 등 다양한 산업 현장에서 필수 요소로 자리잡았으며, 뷰웍스는 그 기술 혁신의 최전선에서 시장을 선도하고 있다.
뷰웍스는 또 한 단계의 도약을 준비하고 있다. 고속과 고감도를 동시에 실현한 1 MHz 16k TDI (Time Delayed Integration) 라인 스캔 카메라는 반도체 웨이퍼 및 디스플레이 패널 검사 등 대면적 고속 검사가 요구 되는 애플리케이션에서 기존 한계를 극복하는 게임체인저로 주목받고 있다.
또한, BSI (Back-Side Illuminated) 센서 기반의 14 메가픽셀 해상도 에어리어 스캔 카메라는 작은 픽셀 구조에서도 높은 감도와 340 fps의 빠른 속도를 동시에 구현하여 3D 비전, 로봇 비전, 정밀 측정 등 다양한 분야에서 차세대 고속 솔루션으로 자리 잡고 있다.
자료제공: 뷰웍스(www.vieworks.com)
