2022년 8월 13일 토요일

T 기술기고문

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SHARC+ DSP 기반 쿼드 코어텍스 사운드 박스

- 정확하면서도 자연스러운 동적 응답으로 무장한, 당신이 즐겨 찾는 음향 장비의 최첨단 에뮬레이션

글: 마이켈 코칼리-바누라(Maikel Kokaly-Bannourah) AE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.) / 더글라스 카스트로(Douglas Castro) CEO, 뉴럴 DSP 테크놀로지(Neural DSP Technologies)
 
뉴럴 DSP 테크놀로지(Neural DSP Technologies)는 음악 산업 관련 기술을 최소 20년 이상 획기적으로 혁신한다는 야심 찬 목표로, 세상에서 가장 강력한 플로어 모델러 ‘쿼드 코어텍스(Quad Cortex)’를 탄생시켰다. 쿼드 코어 SHARC+® 아키텍처를 채택한 2GHz 디지털 신호 프로세서(DSP)의 압도적인 처리 성능은 무한한 음향 설계 가능성을 열어준다.

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그림 1. 쿼드 코어텍스 플로어 모델러

무한 창작 실현
쿼드 코어텍스의 주요 목표는 뮤지션들이 아무런 제한 없이 창작에 몰두할 수 있도록 충분한 음향 옵션과 라우팅 옵션을 갖춘 플랫폼을 제공하는 것. 그리고 심플하고 말끔한 외관에, 사용자가 원하는 복잡하고 추상적인 표현을 직관적이고 재미있게 구현할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 지원하는 것이었다.
이러한 목표는 뉴럴 DSP 엔지니어들의 손에 의해, 사용자가 선택할 수 있는 최대한의 옵션과 다양한 활용성을 확보하면서도 더할 나위 없이 깔끔하고 심플하며 즐거운 경험을 누릴 수 있도록 실현되었다.

성능과 조작 용이성
음향 장치는 언제나 그 성능과 조작 용이성 간에 선택이 되어 왔다. 뉴럴 DSP의 주요 과제는 세계에서 가장 까다로운 뮤지션에게 충분히 강력하면서도 완전 초보자도 사용할 수 있는 심플하고 직관적인 제품을 만드는 것이었다. 따라서 손쉬운 사용법과 확장성, 프로그래밍 가능성, 출력 효율성 그리고 지연 없이 민첩한 오디오 프로세싱 기능이 매우 중요했다.
이러한 까다로운 요건들 때문에 뉴럴 DSP가 선택할 수 있었던 단 하나의 솔루션은 아나로그디바이스의 SHARC+ DSP 제품이었다. SHARC+ 기술은 오디오 엔지니어링 업계에서 프로페셔널 오디오 프로세싱의 황금 표준으로 통한다. 다양한 버전의 초강력 멀티코어의 시스템 온 칩 (SoC) 제품을 선택할 수 있는 편리함은 이 솔루션을 더욱 매력적으로 만든다. 뉴럴 DSP는 단일 디바이스나 확장 디바이스의 조합으로 매우 강력한 시스템을 만들 수 있다는 사실을 빠르게 알아차렸고, 이는 시스템의 설계 속도를 가속시키는데 있어 매우 효과적이다.

ADSP-SC58x  ADSP-2158x 멀티코어 프로세서 제품군
ADSP-SC58x 및 ADSP-2158x 프로세서 제품군(이하 ADSP-SC589)은 SHARC+ 제품군에 속한다. 멀티코어 SHARC+ 및 Arm® SoC는 첨단 실시간 자동차, 가전 및 전문가용 오디오 시장 부문을 위한 고성능, 고정적이고 지연 시간이 짧은 오디오 프로세싱 기능을 제공한다. ADSP-SC589 프로세서는 듀얼 SHARC+ SIMD(single-instruction multiple-data) 코어와 Arm Cortex®-A5 코어가 탑재되어 있다. 이 32비트/40비트/64비트 부동 소수점 프로세서는 고성능 오디오/부동 소수점 애플리케이션용으로 최적화됐으며, 대용량 온 칩 SRAM 및 다중 내부 버스를 포함하고 있어 입/출력(I/O) 병목을 해소시킨다. 또한 풍부한 기능을 갖춘 오디오 페리퍼럴 세트, 다양한 종류의 제어 및 커넥티비티 옵션을 제공한다. 그림 2는 ADSP-SC58x SHARC+ 프로세서의 블록 다이어그램을 나타낸다.
쿼드 코어텍스 아키텍처는 2개의 ADSP-SC589 디바이스를 사용했으므로 총 4개의 SHARC+ 코어를 사용해서, 합산 2GHz의 강력한 DSP 연산 능력을 보여준다.

하드웨어 가속기를 통한 성능 가속
고성능 부동 소수점 코어와 대용량 온 칩 메모리 (저지연 오디오 신호 처리/ 다채널 고품질 오디오 신호 처리에 필요한 특성) 외에도, SHARC+ 프로세서는 고성능 FFT 및 유한/무한 임펄스 응답(FIR/IIR) 블록과 같이, 코어에 부담을 주는 기능을 대신해 주는 전용 하드웨어 가속 엔진을 탑재하고 있다.
쿼드 코어텍스의 임펄스 응답 기반 스피커 시뮬레이션은 온 칩 FIR 하드웨어 가속기를 이용하므로, SHARC+ 코어를 FIR 이 아닌 다른 병렬 연산을 위해 아껴 둘 수가 있어 코어의 연산 능력을 크게 절약한다. 또한 FIR 블록은 안티-앨리어싱에 매우 효과적인데, 이는 기타(Guitar) 앰프와 같은 매우 높은 증폭율과 비선형 시스템 모델이 필요한 경우 중요한 필수 요건이다.

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그림 2. ADSP-SC58x SHARC+ 프로세서 블록 다이어그램

뿐만 아니라 온 칩 하드웨어 암호화 엔진은 보안 부팅, IP 코드 인증, 기밀성, 암호화/복호화 같은 풍부한 보안 기능을 구현할 수 있게 한다. 이 모든 기능들은 오늘날 프로페셔널 오디오 시장에서 갈수록 우려의 목소리가 높아지고 있는 제조사 IP 보호와 안전한 제품 배포를 보장한다.

3ms 이하의 탁월한 오디오 처리 지연 시간
SHARC+ SoC 아키텍처는 고속 DMA 채널과 대용량 내부 SRAM 메모리 블록(L1 및 L2)을 내장하고 있어 효율적인 온 칩 및 오프 칩 코어 간 통신 프로토콜을 구현할 수 있다. 마찬가지로 2개의 온 보드 ADSP-SC589 디바이스 간 오디오 및 고속 데이터 교환을 위한 바이트 단위의 링크 포트와, MIDI (musical instrument digital interface)연결 및 진단을 위한 2-와이어 인터페이스(TWI/ I2C) 같은 풍부한 기능의 페리퍼럴 세트 등의 조합으로 3밀리초(ms) 이하의 매우 인상적인 짧은 지연 시간을 달성한다!

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그림 3. 쿼드 SHARC+ 멀티칩  멀티코어 아키텍처

통합된 ARM 코어 아키텍처
쿼드 코어텍스 플로어 모델러는 대형 7인치 멀티터치 디스플레이를 탑재하고 있다. 강력한 파라메트릭 이퀄라이저 (EQ)는 사용자의 손끝에서 놀랍도록 손쉽게 완벽한 조절이 가능하다. SHARC+ DSP 코어가 전적으로 고성능 오디오 처리에 초점을 맞추고 있다면, 통합 온 칩 ARM Cortex-A5 코어는 제품의 주 컨트롤러로 사용되고 그 위에 사용자 인터페이스(UI)가 실행되는 리눅스 운영체제(OS)를 탑재하여 호스팅한다.
오디오 클래스 2에 호환되는 장치들은 USB 인터페이스를 통해 관리된다. 여기에서도 마찬가지로 ARM 코어가 호스팅한다. 따라서 ADSP-SC589에 하나씩 탑재된 ARM 코어는 주 제어 및 커넥티비티 기능을 완벽하게 담당해 주므로 SHARC+ DSP 부동 소수점 엔진은 연산 집약적인 오디오 신호 처리만을 온전히 해낼 수 있다.
 
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그림 4. 7인치 멀티터치 디스플레이의 강력한 파라메트릭 EQ

신경망 캡처  인공 지능
다양한 하이엔드 오디오 처리 기능 중에서, 뉴럴 DSP의 쿼드 코어텍스 아키텍처는 뮤지션이 애용하는 리그(rig)의 사운드 캡처, 공유, 다운로드를 지원한다. 쿼드 코어텍스는 독창적인 생체모방 인공 지능(AI) 기술을 탑재하여 대단한 정확도로 모든 물리적 앰프, 오버드라이브, 캐비넷의 음향 특성을 학습 및 복제할 수 있다.
시중의 다른 제품들과는 달리, 뉴럴 DSP의 정교한 신경망 알고리즘은 인간과 유사하게 사운드를 인지하므로 놀랍도록 자연스러운 사운드 캡처가 가능하다. 딥 러닝에 가까운 이 프로세스는 매우 연산 집약적이다. 4개 모두 사용 가능한 SHARC+ DSP 코어는 극히 강력한 부동 소수점 처리 기능을 기반으로 하여, 지극히 시간 효율적인 처리 성능을 구현한다.

가볍고 컴팩트하며 독창적인 디자인
뿐만 아니라 쿼드 코어텍스는 초소형에 현대적이며 가벼운 알루미늄 일체형 보디를 갖고 있다. 이 제품은 노브로 사용할 수 있는 풋스위치 등의 독창적인 설계를 자랑한다. 이러한 모든 것을 결합함으로써, 쿼드 코어텍스는 유사 경쟁 제품보다 대략 2배 더 강력할 뿐 아니라, SHARC+ 기술의 초소형 및 통합 SoC 솔루션을 통해 무게는 절반이고, 크기는 1/3이 되지 않는다. ADSP-SC589 멀티코어 프로세서는 초소형 19mm × 19mm, 529볼 BGA 패키지로 제공된다.
쿼드 코어텍스 SHARC+ 프로젝트는 굉장히 까다롭지만 흥미진진한 여정으로 탄생했다. 반응형 UI를 위한 이미지 렌더링, DSP 코어를 사용하는 신경망 훈련, 최적화된 오디오 알고리즘 구현, 무선 프리셋 공유를 위한 클라우드 플랫폼 개발, 펌웨어 업데이트 수행 등 새로운 이정표를 세운 이 혁신적인 디바이스의 개발 및 제작 과정에서 직면했던 많은 과제의 일부일 뿐이다. 제품 개발에는 오랜 기간 동안 수십 명의 사람들이 참여했지만, 뉴럴 DSP와 아나로그디바이스는 진정으로 뮤지션들이 그 어느 때보다 창조적이고 영감을 얻도록 도와줄 업계 최고의 전문 오디오 장비가 탄생했다고 자부하고 있다.

저자 소개
마이켈 코칼리-바누라(Maikel Kokaly-Bannourah)는 영국 허트포드셔대학에서 전기 및 전자공학 학사, 스페인 라스팔마스에 있는 MBA 경영대학원에서 경영학 석사 학위를 받았다. 2000년에 아나로그디바이스에 입사하여 현재 임베디드 프로세싱 및 커넥티비티 애플리케이션 엔지니어로 재직 중이다. 아나로그디바이스 DSP에 20년 이상 경험을 가지고 있다. ADI의 프로세서 및 DSP 포트폴리오에 깊이 참여하고 있으며 산업용, 자동차, 가전 및 전문가용 오디오 같은 다양한 애플리케이션을 지원한다. 문의: maikel.kokaly-bannourah@analog.com.
더글라스 카스트로(Douglas Castro)는 칠레에서 태어나 핀란드에서 활동하고 있는 전자공학 엔지니어, 뮤지션 및 기술 기업가이며, 뉴럴 DSP 테크놀로지스의 공동 설립자이자 CEO이다. 뉴럴 DSP 창업 전에는 베이스 기타 앰프 업계 선도기업인 다크글라스 일렉트로닉스(Darkglass Electronics)를 설립했다. 지난 십여 년 동안 전 세계 50만 명이 넘는 뮤지션들이 사용하는 오디오 제품 개발을 개인적으로 설계하거나 이끌었다. 문의: doug@neuraldsp.com.