향후 다가올 5G 네트워크는 보다 많은 사용자와 단말기를 수용하는 동시에 각 사용자에게 더 많은 데이터를 제공한다. 연구원들은 5G 네트워크 개발에 있어 빠른 데이터 속도와 모바일 접근성뿐 아니라 다양한 최첨단 장비와 단말기를 지원할 수 있는 완전히 새로운 네트워크를 구상하고 있다. 

5G는 사용자 당 10Gb/s(4G 기술의 1000배 이상)의 최고 전송속도를 목표로 한다. 현재의 초고속 네트워크를 사용하여 HD 동영상을 40분 걸려 다운로드하던 것을 5G 기술을 사용하면 고작 몇 초 안에 다운로드할 수 있다.

하지만 5G 기술을 도입하기 위해서는 서비스 지역의 커버리지 균일성, 네트워크의 에너지 효율성 향상 등을 개선해야 한다.

데이터 속도를 높이기 위해서는 몇 가지 문제를 해결해야 한다.

우선 통신사들이 정부에 막대한 돈을 지불하고 구입하는 주파수 대역이 남아있지 않다. 주파수 문제는 새로운 스펙트럼을 찾거나, 기술을 개발하여 현재 할당된 스펙트럼 내에서 더 많은 비트를 사용자에게 전송하는 방법으로 해결할 수 있다.

시스템을 설계하는 과정에서 또한 문제가 발생한다. 5G에서 사물인터넷의 잠재력을 실현하려면 네트워크 응답시간(지연) 문제를 해결해야 한다. 시스템을 제어할 때 일정한 응답시간을 보장하지 못하면 기술의 활용도가 크게 낮아진다. 

현재 네트워크 지연시간은 평균 수십 밀리초 정도로 추산되며, 표준편차가 크다. 지연시간을 줄이고 결정성을 향상시킬 수 있다면, 센서나 액추에이터 등과 결합된 제어 애플리케이션을 원격 또는 클라우드를 통해 제어·작동시킬 수 있게 된다.

연구원들은 기존의 스펙트럼을 통해 전달하는 비트 수를 증가시켜 스펙트럼을 효율적으로 활용하기 위해 웨이브폼을 연구하고 있다. 새로운 5G 웨이브폼은 기존의 네트워크 인프라를 가지고 더 많은 사용자와 장비를 지원하며 1㎐당 전송 비트 수를 늘려 스펙트럼의 효율성 향상을 꾀한다. 

또 하나의 방법은 밀집화로, 서비스 지역에 배포하는 마이크로셀, 스몰셀, 피코셀과 같은 액세스 포인트의 개수를 늘리는 것이다. 밀집화는 특정 서비스 지역에 액세스 포인트 수를 증가시키면 스펙트럼 그 자체보다는 지역에 따라 스펙트럼이 나뉘게 된다는 이론에 바탕을 두고 있다.

분산된 네트워크를 제어하는 데에 중요한 문제는 지연시간이다. CROWD(Connectivity management for eneRgy Optimised Wireless Dense) 네트워크 프로젝트 연구원들은 새 아키텍처의 프로토타입을 통해 밀집된 네트워크 내에서 분산 제어를 선보였다. 

Massive MIMO(Multiple Input, Multiple Output)와 같은 새로운 기지국 기술은 더욱 넓은 대역폭과 에너지 효율성을 약속한다. Massive MIMO 기지국은 수백 개의 안테나 요소를 통합하여 사용자에게 에너지를 집중시키고, 데이터 속도와 셀 엣지에서 통신 링크의 품질을 높인다.

밀리미터 웨이브(mmWave) 주파수 대역에서는 28㎓, 38㎓, 71㎓~76㎓ 범위에서 새로운 스펙트럼의 활용 가능성을 검토하고 있다. 

앞서 설명한 새로운 5G 웨이브폼·네트워크 밀집화·massive MIMO·mmWave 통신은 시간차를 두고 점진적으로 배포될 것으로 보인다. 따라서 이러한 기술들은 서로 경쟁한다기보다는 상호 보완하는 관계로 보아야 한다. 5G 기술은 계속 발전하고 있으며, 모든 사람과 사물을 위한 사물 인터넷은 하루하루 현실에 더욱 가까워지고 있다.

2. 자동화 테스트 장비의 세대교체
기존 자동화 테스트 장비는 대부분 무어의 법칙을 따르는 디지털 기술을 테스트하는 데에 최적화되어 있다. 그러나 지난 수십 년 동안 보다 많은 아날로그 기술을 IC에 통합하면서 보다 복잡한 테스트 문제가 발생했다. 

사물인터넷을 위한 기술은 센서 및 RF 안테나 등에서 오는 디지털 신호와 아날로그 신호를 모두 수용하는 혼합 신호 시스템을 검증하고, 수많은 테스트를 최소한의 비용으로 처리해야 한다. 기존 테스트 장비는 향후 과제를 해결하기에 부족하다. 사물인터넷 시대의 장비를 테스트하기 위한 장비가 필요한 이유다.

특성화 테스트와 양산 테스트는 별개로 이루어진다. 특성화 테스트는 보통 고정 기능형 계측기들을 사용하여 연구실에서 수행하고, 양산 테스트는 조작기에서 이루어지며 갖가지 계측 장비가 내장된 테스트 헤드를 사용한다. 따라서 테스트 엔지니어들은 양쪽 계측을 통해 수집한 데이터를 연결하는 작업을 수행해야 한다. 매번 테스트 시스템을 설정할 때마다 갖가지 장비를 조합하면 엄청난 경우의 수가 나온다. 따라서 특성화와 양산 테스트 사이에 측정 불일치가 발생할 가능성이 생겨난다. 

사물인터넷 사용자들이 경우의 수를 줄이기 위해 사용할 수 있는 방법으로는 세 가지가 있다.

1) 양산 테스트를 특성화 연구소로 옮긴다. 이를 실현하려면 값비싼 장비를 구매해야 하므로 추가적인 자본 투자가 필요하다.

2) 여러 개의 박스형 계측기를 생산 라인에 설치하여 테스트한다. 하지만 이는 측정 처리량이 감소하여 테스트 병목 현상을 일으킨다.

3) 스마트 ATE 플랫폼을 마련하여 테스트 엔지니어가 같은 계측기를 여러 폼 팩터로 구현하여 특성화 테스트 및 양산 테스트에 모두 사용한다. 이를 통해 데이터 연관 작업에 대한 우려를 완전히 지울 수는 없겠지만, 데이터 연관 과정을 단순화할 수는 있다.

보다 스마트한 테스트 장비를 제작하기 위해 플랫폼 기반의 모듈 방식을 사용하는 경우, 테스트 엔지니어들은 상용 계측기를 사용하여 초기 요구사항을 충족하는 시스템을 구성한다. 

이 단계에서는 다양한 업체가 생산하는 계측기를 선택할 수 있다. 하지만 시스템을 제대로 작동시키기 위해서는 플랫폼 요소들 간의 상호 호환성이 필요하다. 테스트 시스템에서 지능 부분을 담당하는 소프트웨어의 중요성이 커지는 이유다. 

반면 플랫폼 기반 방식을 사용하면 엔지니어들이 필요할 때마다 모듈을 추가하여 테스터의 기능을 확장할 수 있으며, 그 결과 하드웨어를 재구성하고 하위 레벨의 소프트웨어를 재작성하는 데에 필요한 비용을 크게 줄인다.

소프트웨어 기반 테스트 장비에 투자하면 현재의 테스트 문제를 해결하면서도 향후의 새로운 요구사항을 수용할 수 있는 플랫폼을 갖추게 된다. 플랫폼을 기반으로 한 ATE 구현 방식에서는 모듈형 하드웨어도 분명 중요한 역할을 하지만, 모든 요소를 하나로 통합하는 역할을 하는 것은 소프트웨어다.

점차 많은 기업들이 다양한 문제를 해결하기 위해 테스트 장비에 보다 스마트한 플랫폼 기반 방식을 적용하고 있다. 오늘날에는 비용과 시장 출시 기간이 계속해서 단축되고 있다. 기업이 각자 생산하는 장비에 뒤지지 않을 만큼 스마트한 자동화 테스트 장비를 갖춰야 하는 이유다.

3. 산업용 사물인터넷(IIoT)

산업용 사물인터넷은 엄청난 수의 산업용 시스템이 네트워크에 연결되어 서로 통신하고 데이터 분석과 작동을 조율하여 산업 시스템의 성능을 높이고 사회 전반적인 이익을 가져온다.

산업용 사물인터넷을 활용해 주변 환경에 적응하고 상태를 자체적으로 조절할 수 있는 산업용 시스템을 구현할 수 있다. 장애가 발생할 때까지 계속해서 작동하는 것이 아니라, 주기적으로 자가 점검을 수행하거나 알고리즘을 유기적으로 조절하여 장비 상태 및 마모된 부품을 파악하고 그 데이터를 다른 장비나 사람에게 전달한다. 자체 프로세싱과 통신 기능을 탑재한 기계가 도입되면 이전에는 상상할 수도 없었던 방법으로 문제를 해결할 수 있다. 

하지만 IIoT는 지연시간·결정성·대역폭 등의 측면에서 네트워크 요구사항이 까다로운 편이다. 예를 들어 타이밍이 수 밀리초만 벗어나도 장애가 발생하는 정밀기계를 다룰 경우, 작업자·기계·작업 안전을 위해 엄격한 요구사항을 준수해야 한다.

IIoT가 실제로 구현되면 기존의 산업 시스템에는 큰 변화가 일어난다. 기존 산업용 시스템은 보통 ▲독점 또는 맞춤형 통합 솔루션을 설계하거나 ▲공급업체가 제공하는 블랙박스 솔루션을 추가하여 하나씩 기능을 보완해나가는 형태로 설계와 확장을 진행했다.

1) 추가형 솔루션은 비교적 신속하게 구현할 수 있다. 하지만 상용 상태 모니터링 솔루션을 추가하는 경우, 수집·분석한 데이터를 쉽게 활용할 수 없으며, 시스템 기능도 대규모 장애를 방지하기 위해 간단한 알람을 보내는 정도에 국한된다. 수집한 데이터를 기반으로 제어 알고리즘을 조절하거나 수집한 데이터를 이벤트에 연동시킬 수 없으므로 시스템의 효율성을 높이거나 시스템 장애를 방지하는 일도 불가능하다.

2) 통합(End-To-End) 솔루션은 모든 구성요소가 서로 잘 연동된다. 또한 솔루션을 구성할 경우 일관된 통신 프로토콜을 사용하므로 데이터를 쉽게 공유할 수 있다. 그러나 해당 통신 프로토콜로 인해 통합 솔루션 자체가 사실상 블랙박스로 전락한다.

IIoT 시스템은 전체 솔루션에 손쉽게 접목할 수 있는 소프트웨어나 추가 기능을 통해 시스템을 확장할 수 있어야 한다. 전체 시스템이 블랙박스 형태라면 자유로운 확장을 실현할 수 없다. 따라서 이질적인 시스템을 손쉽게 통합하고 혁신적인 기능을 추가하면서도 시스템을 단순화하는 방법을 찾아내야 한다.

다른 과제는 시스템 관리와 보안이다. 대규모 시스템 네트워크가 작동하게 되면 멀리 떨어진 네트워크 상의 시스템들이 서로 정보를 주고받아야 한다. 이 때 시스템과 통신 모두의 보안이 확보되어야 한다. 보안이 취약하면 수백만 달러에 달하는 자산이 위험에 처할 수도 있다.

끊임없이 변하는 기능 및 시스템 관리 요구사항을 충족하기 위해 지속적인 수정과 관리가 필요하다. 여러 기능이 추가되면 소프트웨어를 업데이트해야 하고, 필요한 시스템의 수도 늘어난다. 여러 구성요소가 서로 복잡하게 얽히는 원인이다. 

새로운 시스템은 기존의 시스템뿐 아니라 연동된 모든 다른 시스템을 통합할 수 있어야 한다. 전 세계에 흩어져 있는 수많은 시스템을 원격으로 수정하고 업데이트하는 것.

IIoT를 구성하는 시스템을 개발·배포하려면 앞으로 수십 년 간 큰 투자가 이루어져야 한다. 현재와 미래의 수요를 충족시키는 유일한 방법은 끊임없이 진화하고 적응하는 유연한 시스템 네트워크를 배포하는 것이다. 이를 위해서는 플랫폼 기반 방식을 적극 활용해야 한다. 

여러 애플리케이션에 두루 적용할 수 있는 유연한 하드웨어 아키텍처를 사용하면 하드웨어 구성이 크게 단순화되어 소프트웨어 문제에 보다 역량을 집중할 수 있다. 플랫폼 기반 방식을 효과적으로 활용하면 하드웨어나 소프트웨어보다 애플리케이션 그 자체에 혁신의 주안점을 둘 수 있다.

시스템 개발자는 사용자를 안전하게 인증하여 시스템의 무결성을 유지하고 시스템을 최대한 활용하기 위해 IT 시스템과의 호환성이 좋은 OS를 바탕으로 한 플랫폼을 선택해야 한다. 

플랫폼을 구현하기 위해서는 보안 전문가들이 협력하여 최신 임베디드 보안 기술을 개발할 수 있도록 지원하는 개방형 OS가 필요하다. 플랫폼은 표준 이더넷 기술을 기반으로 변화하는 표준을 수용하여 IIoT에 걸맞은 지연시간·결정성·대역폭 사양을 충족하는 개방적이고 결정성 높은 네트워크를 구축할 수 있도록 지원해야 한다. 동시에 서로 다른 산업용 시스템 및 소비자 사물인터넷과의 상호 호환성도 극대화해야 한다.

IIC·IEEE·AVnu와 같은 단체들은 IIoT를 규정하는 작업에 박차를 가하고 있으며, 활용사례를 수집하여 어떻게 보다 많은 혁신 기술을 도입할 것인지 파악하는 작업을 진행하고 있다.

엔지니어와 과학자들은 이러한 단체들과 적극 협력하면서 플랫폼 기반 방식을 중심으로 한 IIoT세대의 주역으로 거듭난다.

4. 우리가 만들어가는 세계

메이커 운동(Maker Movement)의 개념이 등장했다. 전 세계의 제작자들이 서로 아이디어를 주고받으며 스마트 가젯·로봇 장치·자율 비행 장치·착용 가능한 장비를 제작하고 있다. 이는 더 이상 대기업의 전유물이 아니다. 제작자들은 차고나 공동 작업실에서 동료들과 함께 개발에 열중하며, 자신의 발명을 온라인에 공유하여 다른 제작자들에게 영감을 주기도 한다.

PC가 보편화되면서 물리적 한계 없이 디지털 세계에서 마음껏 혁신을 추구할 수 있는 새로운 소프트웨어 개발자 세대가 등장했다. 소프트웨어는 사실상 한계 비용이 0에 가까워 혁신에 꼭 필요한 도구로 자리매김했다. 

소프트웨어는 창의력을 마음껏 발휘할 수 있는 흰 캔버스다. 개인도 기업에서 개발한 제품이나 비즈니스 모델을 뛰어넘는 뛰어난 제품을 제작할 수 있다. 바야흐로 개인의 상상력에서 탄생한 아이디어가 쉽게 대중에게 전파되는 시대가 도래했다.

메이커 운동은 누구나 기업가가 될 수 있는 환경을 마련한다. 기업이 경쟁력을 유지하려면 메이커 운동을 수용하는 것이 바람직하다. 

전 세계의 교육 시스템 또한 일방적인 강의와 기계적 암기에서 벗어나 창의적인 문제 해결 방식에 초점을 맞춰야 한다. 실습을 통해 학습하고, 아이디어를 반복해서 구현하며, 동료들과 협력하는 것은 메이커 운동의 본질이다. 

메이커 운동은 강력한 구축 및 통신 툴이 많은 사람들에게 보급된 결과이자, 전 세계적으로 엔지니어링 혁신을 일으키고 있는 하나의 대중문화다. 개인도 참여할 수 있는 제품 개발 과정을 도입하고, 제품이 시장에 출시될 수 있도록 지원하며, 차세대 혁신 주역을 교육하는 방식을 바꿈으로써 새로운 산업 혁명의 시대에 진입한다. 미래는 우리의 손으로 만들어가는 것이다.