FMC 메자닌 생태계: VITA 57로 아날로그·고속 I/O 확장하기
FPGA 개발 보드는 I/O가 항상 모자라다: 고속 ADC가 필요하고, 광 모듈이 필요하고, LVDS 센서가 필요한데—그때마다 PCB를 다시 설계하고 싶지는 않다. FMC(FPGA Mezzanine Card, VITA 57 표준)가 이 문제를 해결한다: 캐리어 보드 하나 + 표준 메자닌 카드 라이브러리, 카드를 바꿔 끼우면 인터페이스가 바뀐다. 이 글에서는 LPC vs HPC, 핀 예산, 일반적인 메자닌 구성을 풀어 본다.
1. FMC란 무엇인가: 캐리어와 메자닌 사이의 표준 인터페이스
FMC는 2008년 VITA 컨소시엄이 발표했다(VITA 57). 핵심 아이디어:
- 캐리어: FPGA + DDR + PCIe 핵심 리소스, 장기 고정
- 메자닌: ADC/DAC, 광, HDMI, LVDS I/O 모듈, 필요에 따라 교체
- 커넥터: 신호, 클록, 전력을 carrying하는 고속 보드간 커넥터
하나의 캐리어에 다른 메자닌을 끼우면 데이터 수집 카드, SDR 플랫폼, 영상 처리 보드가 된다—PCB 재설계도 재검증도 없이.
2. LPC vs HPC: 핀 예산 고르기
FMC는 두 가지 규격이 있으며, 트랜시버와 총 I/O 수에서 차이가 난다:
| 항목 | FMC LPC (Low Pin Count) | FMC HPC (High Pin Count) |
|---|---|---|
| 고속 트랜시버 (GTP/GTX/GTH) | 2 페어 | 10 페어 (8~10 사용 가능) |
| 싱글엔디드 I/O 핀 | ≤ 34 페어 | ≤ 80 페어 |
| 차동 I/O 핀 | ≤ 17 페어 | ≤ 40 페어 |
| 총 I/O | ≈ 68 | ≈ 160 |
| 클록 페어 | 1 페어 | 2 페어 |
| 용도 | 저속 ADC, LVDS 센서, 기본 확장 | 고속 ADC/DAC, 광, 다채널 고속 I/O |
규칙: 트랜시버부터 세어라
메자닌이 트랜시버 2 페어를 넘게 필요하면(예: 4채널 1Gsps ADC, QSFP 광 모듈), HPC로 가라. LPC에는 트랜시버가 2개뿐—고속 메자닌을 스펙대로 돌릴 수 없다.
Duyuuan 캐리어 보드:
- DUF7690T: 듀얼 FMC HPC (2×10 트랜시버 페어) — 다채널 고속 메자닌용
- DUK7325T: 싱글 FMC HPC — 비용 효율적 선택
- PBC7K325G: 싱글 FMC LPC — 엔트리 확장용
3. FMC 핀은 어떻게 구성되어 있나
FMC 커넥터 핀은 VITA 57 표준으로 정의된다:
| 핀 종류 | 수 (HPC) | 용도 |
|---|---|---|
| GTX/GTH 트랜시버 페어 | 10 페어 | 고속 직렬: JESD204B ADC, 광, PCIe 업링크 |
| 차동 클록 페어 (CLK0/CLK1) | 2 페어 | 메자닌에서 FPGA로의 샘플 클록 |
| 싱글엔디드 I/O (LA 그룹) | ≤ 80 | 제어, 트리거, 저속 LVDS |
| 시스템 신호 | 고정 | PRSNT, SPI, I2C, UART, 전력 인에이블 |
| 전력 핀 | 고정 | +12V, +3.3V, +VADJ (가변 I/O 전압) |
+VADJ가 왜 중요한가
+VADJ는 메자닌 I/O에 전력을 공급한다—캐리어와 메자닌이 일치해야 한다:
- LVDS는 보통 2.5V / 1.8V
- LVCMOS 3.3V / 1.8V / 1.5V
- 일부 고속 ADC 메자닌은 1.8V 또는 1.5V 필요
캐리어의 +VADJ는 전력 IC로 프로그래밍 가능하다. 전원을 켜기 전에 항상 메자닌 데이터시트를 확인하라—전압이 잘못되면 I/O가 손상된다.
4. 일반적인 FMC 메자닌 구성
1. 고속 ADC 메자닌 (JESD204B)
대표 사양: JESD204B 기반 4채널 14-bit 250MS/s ADC.
- 필요 트랜시버 페어: 4~8 (채당 1~2) → HPC 필수
- 클록: 메자닌이 CLK0을 통해 FPGA로 샘플 클록 제공
- DUF7690T 조합: 듀얼 HPC로 ADC 메자닌 2장을 꽂아 8채널 수집
2. 광 메자닌 (SFP+/QSFP)
대표 사양: 4× SFP+ 10G 광 트랜시버.
- 필요 트랜시버 페어: 4 페어 → HPC 최소 요건
- 클록: 캐리어가 복조 클록을 제공하거나 메자닌 외부 클록 입력
- XCKU15P 조합: HPC + UltraScale+ 트랜시버로 10G/25G를 문제없이 구동
3. 영상 I/O 메자닌 (HDMI/SDI)
대표 사양: 4× HDMI 입력 + 2× HDMI 출력.
- 필요 트랜시버 페어: 0~2 (영상은 병렬/LVDS, GTX 아님)
- 싱글엔디드 I/O: ~40~60 → HPC/LPC 모두 가능
- DUK7410T 조합: LPC로 충분, 비용 절감
5. FMC의 세 가지 함정
함정 1: LPC로는 고속 메자닌을 풀스피드로 못 돌린다
LPC는 GTX 페어가 2개뿐이다. 4채널 JESD204B ADC 메자닌을 LPC에 꽂으면 채널 절반밖에 쓰지 못한다. 구매 전에 트랜시버 페어를 세어라.
함정 2: +VADJ 전압 불일치
메자닌은 1.8V를 요구하는데 캐리어 기본값이 2.5V라면—전원 인가 시 I/O가 손상된다. 항상 메자닌의 +VADJ 요구 사항을 확인하라.
함정 3: 잘못된 클록 라우팅
JESD204B 메자닌은 전용 Device Clock과 복조 클록이 필요하다. CLK0/CLK1 핀은 FPGA MRCC/SRCC 글로벌 클록 입력으로 라우팅되어야 한다. 설계 단계에서 핀 플래닝을 잘못하면 나중에 고칠 수 없다.
FMC의 가치는 “포트 하나 추가”가 아니라, “캐리어 하나를 모든 시나리오에 재사용”이다. LPC vs HPC를 제대로, +VADJ를 제대로, 트랜시버를 제대로 맞추면 FMC 생태계가 실제로 작동한다.
— Duyuuan 엔지니어링팀
