채널 수가 많은 데이터 수집(DAQ) 시스템은 성능과 동기화, 확장성 측면에서 매우 까다로운 요구사항을 제기한다. 이러한 과제를 해결하기 위해 반도체 기술 공급회사와 플랫폼 개발회사 간의 긴밀한 협력이 점점 더 중요해지고 있다. 이 글에서는 아나로그디바이스(Analog Devices)와 레드 피타야(Red Pitaya)의 협력을 통해 개발된 레드 피타야 STEMlab 플랫폼 기반의 96채널 고속 DAQ 시스템을 소개한다. 이 시스템은 정밀 아날로그 데이터 변환 기술과 개방형 FPGA 기반 아키텍처를 결합함으로써 여러 채널에서 실시간 신호를 정밀하게 동기화하고 처리할 수 있을 뿐만 아니라, 소형화와 모듈형 설계를 구현했다. 그 결과, 이 솔루션은 시스템 수준의 협업 설계를 통해 과학 연구와 산업용 애플리케이션에서 요구되는 유연성과 고성능을 모두 갖춘 DAQ 시스템을 구현할 수 있음을 보여준다.
머리말
고성능 데이터 수집(DAQ) 시스템은 속도와 정밀도, 확장성에 대한 갈수록 높아지는 요구사항을 충족하기 위해 반도체 제조회사와 플랫폼 개발 회사 간의 긴밀한 협력에 점점 더 의존하고 있다. 아나로그디바이스(ADI)와 레드 피타야(Red Pitaya)의 오랜 협력은 첨단 아날로그 및 혼성신호 기술로 어떻게 유연한 소프트웨어 정의 계측 플랫폼을 구현할 수 있는지를 잘 보여준다. ADI의 높은 분해능 및 저잡음 데이터 변환 기술과 레드 피타야의 오픈소스 FPGA 기반 STEMlab 아키텍처를 결합함으로써 복잡한 다채널 계측 시스템을 빠르고 효율적으로 구현할 수 있게 되었다.
이 글에서는 ADI의 고성능 데이터 변환 기술을 기반으로 레드 피타야 STEMlab 플랫폼에 구현된 96채널 고속 DAQ 시스템을 소개한다. 이 시스템은 스웨덴의 프레바스 테스트&메저먼트(Prevas Test & Measurement)가 스웨덴 원자력 연료 및 폐기물 관리회사(SKB)와의 협업을 통해 통합한 사례로, ADI와 레드 피타야의 협력이 과학 연구와 산업 분야의 까다로운 요구사항을 충족하는 견고하면서 정밀하게 동기화된 확장형 솔루션을 어떻게 구현할 수 있는지를 보여준다.
협업의 중요성
레드 피타야에서 협업은 기업 운영의 핵심 원칙 가운데 하나다. 오픈소스 소프트웨어는 이러한 철학을 가장 잘 보여주는 사례이지만, 협업은 소프트웨어에만 국한되지 않는다. STEMlab과 같이 단순하면서도 강력하고 신뢰성이 높은 제품을 설계하고 제조하기 위해서는 믿을 수 있는 파트너와 장기적인 협력 관계를 구축하는 것이 필수적이다. 특히 레드 피타야 보드를 핵심 구성 요소로 통합하는 제품을 개발할 때 이러한 협력은 더욱 중요하다.
레드 피타야 보드를 보면, 네 개의 SMA 커넥터가 배치된 특유의 타원형 전면부 디자인이 가장 먼저 눈길을 끈다. 이 커넥터들은 보드에 통합된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 서브시스템의 아날로그 인터페이스 역할을 하며, 신호 샘플링과 재구성을 수행한다. 샘플링 속도는 표준 모델이 125MSPS, SIGNALlab 시리즈는 250MSPS를 지원하며 임의 파형 신호를 생성할 수 있다. 분해능은 모델에 따라 12비트부터 16비트까지 제공돼, 속도와 동적 범위(DR), 비용 간의 균형을 사용 목적에 맞게 선택할 수 있다. 고속·고분해능 신호 샘플링에 대한 수요가 갈수록 높아짐에 따라 신뢰성과 품질이 뛰어난 ADC와 DAC 칩의 중요성이 점점 더 강조되고 있다. 레드 피타야는 이러한 핵심 부품의 공급을 ADI에 맡겨 STEMlab 기반의 다양한 소프트웨어 정의 계측기에 적용하고 있다.
ADI는 60년이 넘는 역사를 가진 업계 선도 기업으로, 설립된 지 12년째인 레드 피타야에 비해 오랜 기술 경험을 축적해 왔다. ADI의 데이터 변환 솔루션은 STEMlab 보드에 필요한 분해능과 샘플링 속도를 제공할 뿐 아니라, 낮은 노이즈와 왜곡, 뛰어난 선형성 및 안정성을 갖추고 있다. 이와 같은 높은 정밀도 덕분에 STEMlab 플랫폼은 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 함수 발생기, 데이터 수집(DAQ) 시스템 등 다양한 계측 장비에 활용될 수 있다. 이러한 특성들은 레드 피타야가 그동안 높은 평가를 받아온 핵심 경쟁력이기도 하다.
레드 피타야의 성공을 뒷받침하는 ADI의 혁신 기술
최고의 부품을 사용한다고 해서 항상 최고의 성능이 달성되는 것은 아니다. 시스템의 진정한 가치는 까다로운 실제 계측 환경에 적용됐을 때 가장 분명하게 드러난다. 통계적 증거가 의미가 있으려면 샘플 수가 충분히 제시되어야 한다. 따라서 가장 완벽한 시험은 최소 24대의 STEMlab 125-14 4채널 입력 보드를 사용하여, 총 48개의 ADC 칩(LTC2145-14)을 동시에 평가하는 것이다.
96채널 데이터 수집(DAQ) 플랫폼은 사용후 핵연료 특성 분석과 관련된 개념 검증(Proof of Concept, PoC) 작업 등 고난도 계측 애플리케이션을 위해 개발됐다. 시스템의 운영과 동기화를 지원하기 위해 독일 전자 싱크로트론 연구소(DESY)가 프레바스 테스트&메저먼트를 포함한 여러 협력사들과 공동으로 개발한 오픈소스 컨스텔레이션(Constellation) 제어 프레임워크를 적용했다. 이 시스템은 사용후 핵연료 특성 분석을 포함한 까다로운 계측 환경에서도 안정적으로 동작하도록 설계됐다.
이러한 요구사항을 충족하기 위해 프레바스 테스트&메저먼트와 SKB는 레드 피타야 STEMlab 아키텍처를 기반으로 한 96채널 DAQ 플랫폼을 공동 개발했다. 이 플랫폼은 동기화된 데이터 수집 기능과 맞춤형 FPGA 펌웨어, 모듈형 시스템 확장 기능을 통합했다. 그 결과, 24대의 레드 피타야 STEMlab 125-14 4채널 입력 장치(각 장치는 4개의 아날로그 입력 제공)와 레드 피타야 클릭 쉴드(Click Shield)를 활용해 총 96채널의 고성능 DAQ 시스템을 구현했다(그림 1). 이 시스템은 효율적인 고속 데이터 수집과 실시간 신호 처리가 필요한 애플리케이션을 위해 설계됐으며, 까다로운 산업 및 과학 계측 환경에 적합하다. 또한 콤팩트한 4U 규격의 19인치 랙마운트 케이스에 탑재되어, 공간을 덜 차지할 뿐만 아니라 모듈형 배치가 가능하다.
그림 1. 랙마운트 케이스에 장착된 24대의 STEMlab.
호스트 컴퓨터와 각 STEMlab 125-14 4채널 입력 장치에서 모두 실행되는 컨스텔레이션 소프트웨어 프레임워크는 분산형 DAQ 시스템을 관리하기 위한 강력한 오픈소스 소프트웨어 프레임워크이다. 이를 통해 중앙집중식 제어와 모니터링은 물론, 여러 채널 간 동기화를 효율적으로 수행할 수 있다.
이 FPGA 기반 DAQ 시스템의 핵심적인 혁신 요소는 맞춤형 FPGA 이미지로서, 이는 장치에서 직접 고급 실시간 데이터 분석을 수행한다. 이를 통해 펄스 형태 판별(pulse shape discrimination, PSD)과 펄스 높이 분석(pulse height analysis, PHA) 같은 작업을 실시간으로 수행할 수 있다. 각 채널은 파형을 분석해 독립적으로 자체 트리거를 생성하며, 관심 있는 이벤트만 처리하고 필요한 신호 파라미터만 추출한다. 이 방식은 호스트 시스템으로 전송되는 데이터 양을 최소화해 대역폭 사용을 줄이고 시스템 효율을 높인다.
시스템의 기능을 확장하기 위해, 레드 피타야 클릭 쉴드를 사용해 다양한 MIKROE 클릭(MIKROE Click) 보드를 통합했다. 예를 들어 익스팬드 11 클릭(Expand 11 Click) 보드는 5V 입·출력(I/O) 호환성을 제공하며, RDT 클릭(RDT Click) 보드는 저항식 온도 센서를 이용하여 정밀 온도 데이터 수집 기능을 지원한다. 이러한 기능을 통해 이 시스템은 환경 모니터링과 온도 민감형 계측, 그 밖에 다양한 산업용 애플리케이션에 폭넓게 활용할 수 있다.
컨스텔레이션 제어 프레임워크로 운용되는 96채널 DAQ 플랫폼은 레드 피타야의 대용량 메모리(deep memory) 데이터 수집 기능도 활용한다. 이를 통해 고속 데이터를 RAM으로 직접 스트리밍해 대용량 데이터 블록을 효율적으로 처리할 수 있다. 이후 데이터는 채널당 초당 최대 200만 개 이벤트의 속도로 디스크에 저장된다. 96개 채널이 해당 LTC2145 컨버터에서 동시에 동작할 경우, 전체 처리량은 초당 1억9,200만 개 이벤트에 달해 고속 연속 데이터 수집과 대규모 데이터 분석이 요구되는 환경에서도 충분한 성능을 제공한다.
그림 2. 아나로그디바이스의 LTC2145-14 컨버터
24대의 모든 STEMlab 장치 간 트리거 동기화는 클릭 쉴드를 통해 수행되며, 동기화 정확도는 60ns 이내이다. 또한 수집된 모든 데이터에는 8ns 분해능의 타임스탬프가 부여돼 개별 장치 내부는 물론 시스템 전체에서 정밀한 시간 정렬을 보장한다.
이 고속 FPGA 기반 DAQ 시스템은 복잡한 신호 수집 및 처리 작업을 위한 유연하고 신뢰성 높은 모듈형 솔루션을 제공한다. 하드웨어 수준의 효율적인 데이터 처리와 뛰어난 확장성, 오픈소스 소프트웨어 스택을 결합하고 있어 과학 연구와 산업 자동화는 물론, 사용후 핵연료 특성 분석과 같은 전문 분야에도 적합하다. 또한 확장 가능한 시스템 설계를 통해 이중화 구성과 유지보수의 편의성을 확보했으며, 대규모 데이터 처리가 요구되는 환경에서도 안정적이고 뛰어난 성능을 제공한다.
결론
컨스텔레이션 제어 프레임워크를 기반으로 운용되는 96채널 고속 DAQ 시스템은 아나로그디바이스, 레드 피타야, 프레바스 테스트&메저먼트, SKB의 긴밀한 협력을 통해 확장 가능하면서도 뛰어난 성능의 계측 플랫폼을 구현한 사례를 잘 보여준다. 정밀 아날로그 기술과 오픈소스 FPGA 기반 아키텍처를 결합함으로써, 이 솔루션은 까다로운 과학 연구 및 산업용 계측 애플리케이션에 적합한 동기화되고 효율적이며 유연한 데이터 수집 기능을 제공한다. 이 시스템은 긴밀한 협력 관계가 혁신을 가속화하고, 첨단 반도체 및 전자 부품을 실제 현장에서 활용 가능한 시스템 수준의 솔루션으로 발전시키는 데 얼마나 중요한 역할을 하는지를 입증한다.
참고 문헌
Simon Spannagel, Stephan Lachnit, Hanno Perrey, Justus Braach, Lene Kristian Bryngemark, Erika Garutti, Adrian Herkert, Finn King, Christoph Krieger, David Leppla-Weber, Linus Ros, Sara Ruiz Daza, Murtaza Safdari, Luis G. Sarmiento, Annika Vauth, and Hakan Wennlof. “Constellation: The Autonomous Control and Data Acquisition System for Dynamic Experimental Setups.” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 1085, May 2026.
저자 소개
츠르트 발렌틴치치(?rt Valentin?i?)는 레드 피타야의 최고기술책임자(CTO)이자 공동 창업자로, 오픈소스 계측 및 제어 플랫폼의 아키텍처 설계와 기술 전략을 총괄하고 있다. 그는 광학(포토닉스), 항공우주, 양자기술, 산업 연구개발(R&D) 분야에서 엔지니어와 연구자들이 고성능 시스템을 구축할 수 있도록 지원한다.
필리포 파이퍼(Filippo Pfaiffer)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로, 유럽 지역 고객을 지원하며 시스템 수준의 솔루션 구현을 위해 긴밀히 협력하고 있다. 그는 ADI의 반도체 기술과 레드 피타야의 오픈소스 계측 플랫폼을 결합한 고속 데이터 수집 및 계측 시스템에 주력하고 있다.
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