Rnd tool 4engineers study by icn

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엔지니어들의 연구활동을 돕는 유용한 툴 글. Brad Armstrong, National Instruments, brad.armstrong@ni.com

2012. 12. 24.

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I. 개 요 세계는 지금, 그 어느 때보다도 엔지니어링 기술에 관심을 가지고 있습니다. 사람들의 건 강을 개선하기 위한 새로운 기술들을 발견하고, 세계의 안전을 유지하며, 더 나아가 자연 재해로부터 피해를 막기 위한 노력 등과 같이 엔지니어들에 대한 의존도도 높아지고 있습 니다. 갈릴레오가 망원경으로 천체를 관측하고, 중국인 탐험가가 자기 컴퍼스를 사용해 대양을 횡단할 수 있었던 것처럼, 과학적 발견을 위한 툴은 혁신을 이루는 데 있어 매우 중요한 역할을 합니다. 현재 엔지니어들은 이전에는 불가능했던 방식으로 현상을 측정하고 제어하는 새로운 툴을 개발함으로써, 갈수록 복잡해지는 기술에도 뒤쳐지지 않을 수 있습니다.

그림 1. 소프트웨어와 재구성 가능한 하드웨어를 결합한 그래픽 기반 시스템 디자인 방식 은 빠른 개발과 혁신을 도와줍니다

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II. 엔지니어를 위한 혁신 기술 엔지니어들의 혁신 앞당겨 버추얼 인스트루멘테이션의 발명은 내쇼날인스트루먼트 창립자들이 난관에 봉착했던 순간 부터 시작되었습니다. 이들은 표준화된 계측기기가 없던 시절에 수중 음향측정을 시도했 습니다. 하지만, 그 당시의 툴로는 한계가 있었기 때문에 이들은 결국 패러다임의 변화를 시도하였습니다. 즉, NI 창업자들은 주어진 문제에 딱 맞는 시스템을 발명하여 그 시스템을 판매하는 대 신, 엔지니어들이 문제를 해결하는 데 필요한 다양한 툴을 개발하여 고유의 문제들을 해 결할 수 있도록 도와주었습니다.

NI는 1976년부터 측정과 제어를 위한 시스템 개발이 가능한 소프트웨어와 하드웨어가 통 합된 플랫폼을 엔지니어들에게 제공하여, 보다 혁신적으로 생산성을 높이고 발견을 가속 화할 수 있게 하였습니다. 엔지니어들은 그래픽 기반 시스템 디자인 플랫폼을 통해 변화하는 기술에 쉽게 적응하고, 최적화된 솔루션을 만들고 있습니다. 이러한 그래픽 기반 시스템 디자인 플랫폼은 기존 계측 장비의 제어를 시작으로 최근에는 소프트웨어를 통해 재구성 기능을 극대화한 하드 웨어 아키텍처인 FPGA까지 발전했습니다.

“이전에는 제어 전문가, 기계 엔지니어, 전자 엔지니어, 프로그래머 이렇게 4명 으로 구성된 한 팀이 꼭 필요했었지만 지금은 한 사람으로 가능합니다.”

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Sean Dougherty. 맥도날드 메카트로닉스 슈퍼바이저-

보다 효율적인 엔지니어링 접근 방식 - 그래픽 기반 시스템 디자인 그래픽 기반 시스템 디자인은 측정과 제어 영역 모두에서 혁신을 이룩하고 있습니다. 이 방식은 툴과 IP를 재사용하여 디자인부터 테스트까지, 소규모 시스템에서 대규모 시스템 으로 확장할 수 있을 만큼 유연성이 뛰어나기 때문에 새로운 시스템을 빠른 시간내에 개 발하여 제공할 수 있습니다. 그러므로, 이러한 방식은 상용 하드웨어를 이용하여 저전력 시스템에서부터 고성능 시스 - 2 -

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템까지 사용자의 요구를 충족시키는 직접 정의가 가능한 시스템을 전체 시스템 비용을 절 감하면서 통합할 수 있습니다. 이 같이 유연한 접근 방식을 재사용 가능한 IP 및 어플리케이션과 함께 이용하면 보다 적 은 시간과 리소스로 더 많은 프로젝트를 완성하는 데 있어서 큰 경쟁력을 가질 수 있습니 다. 그래픽 기반 시스템 디자인은 연구 개발에서 엔지니어링 툴을 사용할 때 절대적으로 필요합니다. 다음 3가지 사례는 우주 암흑 물질의 근원을 찾는 연구, 비침습성 의료 영상 진단 시스템 의 개발, 세계 최대 망원경의 위치 제어를 수행하는 데 그래픽 시스템 디자인을 사용하여 성공한 사례입니다. 과학적 이론을 현실화 시키는 툴

1. 세계에서 가장 큰 입자 가속기 제어 세계 최대의 물리 입자 연구소인 유럽원자핵공동연구소(CERN, European Organization for Nuclear Research)는 우주의 가장 필수적이면서도 기본적인 내용 뒤에 가려진 수많 은 미스터리에 대한 연구를 수행합니다.

CERN 연구소는 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)를 이용하여 미세한 빔 코어에서 나오는 에너지 입자를 흡수하는 장치의 위치를 측정하고 제어합니다.

CERN 연구원들은 잘못 유도되었거나 불안정한 입자 빔을 차단할 수 있는 모션 컨트롤 시스템을 개발했습니다.

그림 2. CERN Large Hadron Collider 연구팀, NI 툴을 사용하여 잘못 유도되었거나 불 안정한 입자 빔을 차단할 수 있는 새로운 FPGA 기반의 모션 컨트롤 시스템 개발 - 3 -

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또한, 기존의 VME와 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 기반의 거친 환경에서도 실행 가 능하고 비용을 절감할 수 있는 NI FPGA 기반 툴을 채택했습니다. 이러한 측정 및 제어 작업들은 이탈된 빔이 막대한 피해를 입힐 수도 있기 때문에 리얼타임으로 이루어져야 하 고, 높은 안정성과 정확성을 요구합니다.

LHC에서의 입자 충돌로 수집된 데이터는 지금껏 볼 수 없었던 정보를 제공하므로, 우주 의 탄생 비밀은 무엇이고, 입자는 왜 덩어리이며, 암흑 물질의 근원은 무엇인지 등에 관 한 물음에 대한 답을 찾을 수 있습니다.

2. 세계 최초의 리얼타임 3D OCT 의료 영상진단 시스템 의료 연구자들은 생명을 위협하는 질병의 원인을 진단하기 위해 인체와 뇌를 더욱 정확하 게 영상화할 수 있는 툴이 필요합니다. OCT (Optical Coherence Tomography)는 비침 습성으로 생체조직의 단층 횡단 영상을 제공하는 안전한 기술입니다. 이 방법은 의료분야에서 기존의 영상 방식보다 훨씬 더 높은 해상도를 제공할 수 있는 진 단 도구이며, 비침습성이므로 환자들도 부담 없이 진료를 받을 수 있습니다.

그림 3. 이 이미지는 OCT를 사용하여 피부의 3D 이미지를 리얼타임으로 렌더링한 모습 입니다. 이 3D OCT는 생명을 위협할만한 요소를 사전 분석하는 데 도움을 줍니다 최근 일본 키타사토 대학교(Kitasato University) 연구팀은 NI FlexRIO FPGA하드웨어와 GPU 처리가 결합된 320-채널 DAQ 시스템과 OCT를 이용해 세계 최초의 리얼타임 3D OCT 영상 시스템을 개발했습니다. 뿐만 아니라, FPGA를 통한 다채널 데이터 수집과 리얼타임 연산, 렌더링 및 디스플레이 - 4 -

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를 위한 GPU 기술이 결합된 이 시스템의 각기 다른 부분을 제어하는 데 NI LabVIEW 소프트웨어를 사용했습니다. 이 시스템으로 의사들은 렌더링된 3D 이미지를 리얼타임으로 어느 각도로든 회전시켜 혈 액 흐름과 조직의 동적인 변화를 보다 효율적으로 파악할 수 있게 되었고, 수술 중에 활 용해 더 큰 가시성을 확보할 수 있게 되었습니다.

그림 4. 메인 미러는 직경 42m에 분할된 미러 구조를 가집니다. 규모 비교를 위해 차량 1대와 사람 2명이 E-ELT 앞에 서 있습니다

3. 세계에서 가장 큰 망원경의 위치 제어 초대형 망원경(ELT, 조리개 직경 20m 이상의 망원경)은 지상 관측에서 가장 많이 사용하 는 도구 중 하나입니다. 이러한 망원경은 행성, 별, 블랙홀, 암흑 물질과 같은 심도 깊은 연구에서 천체물리 지식의 수준을 높여줍니다. 유럽 초대형 망원경(E-ELT, European Extremely Large Telescope)은조리개 직경이 42m나 되는 세계에서 가장 큰 광/근적외선 망원경으로 천체 관측 분야에서 획기적인 발 - 5 -

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견을 이끌고 있습니다. 스페인 카나리아스 천체물리연구소(IAC, Instituto de Astrofisica de Canarias) 연구팀은 984개의 미러로 구성된 E-ELT 메인 미러의 포지션 액추에이터 프로토타입을 조정하기 위해 Electronics & Embedded Software를 개발해야 했습니다. 각각의 미러는 중력, 온도 및 바람 난류의 변화를 보상해주기 위해 3개의 포지션 액추에 이터를 사용하여 회전해야 하며 나노급 정확도로 90kg을 움직여야 합니다.

NI 그래픽 기반 시스템 디자인 플랫폼은 모든 전자기기와 소프트웨어의 요구사항을 수용 하면서 높은 유연성과 리얼타임 성능을 제공하고 IAC 연구팀의 개발 기간을 대폭 줄여주 었습니다.

4. 세상을 변화시킬 엔지니어 꿈나무들의 육성 과학적 경험은 학습 과정의 한 부분이기도 합니다. 새로운 툴은 엔지니어링이 세상에 미 치는 영향을 엔지니어 꿈나무들이 직접 체험할 있도록 도와줍니다. 다음 세대의 혁신을 이끌 인재 양산을 희망한다면, 어린 나이에서 과학적 경험을 통해 영 감을 받을 수 있는 툴을 개발해야 합니다.

NI는 FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology) 프로그램과 LEGOⓇ robotics 프로그램에서 학생들이 NI 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 재미있 고 유익한 과학 실습 환경을 체험할 수 있도록 하고 있습니다. 미래 공학기술 난제들의 해결은 현재 어린이들 손에 달려있습니다. NI는 세계 최고의 엔 지니어들이 사용하는 툴을 어린이들이 자연스럽게 접할 수 있는 기회를 제공합니다.

NI 툴을 사용하는 기업들이 현재 중요한 엔지니어링 과제들을 해결하는 데 노력하고 있듯 이, NI도 엔지니어링 혁신을 위한 툴을 계속해서 제공함으로써 세계 기술과학 발전에 꾸 준히 기여하고 있습니다.

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