2019.12.30

김진철의 How-to-Big Data | 빅데이터의 미래 (2)

김진철 | CIO KR

사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)의 개념
이전 서른 다섯번째 글에서 근 미래의 빅데이터 비즈니스와 기술의 모습을 그려볼 수 있게 하는 기술의 발전에 대해서 간단하게 돌아보았다. 빅데이터 비즈니스와 기술의 미래에 중요한 영향을 미칠 현상들로 5G, 6G 무선 네트워크 기술과 1Tbps 이더넷 기술로 대표되는 고대역폭, 저지연 유무선 네트워크 기술의 발전과 확산, 인공지능 기술의 발전, IoT 및 엣지 컴퓨팅, 편재 컴퓨팅 기술의 발전으로 수집되는 데이터양의 폭증, 클라우드 컴퓨팅의 발전과 확산에 따른 빅데이터 처리를 위한 자원 관리 기술의 발전, 차세대 메모리와 버스 기술의 발전에 따른 컴퓨터 아키텍처 계층의 단순화와 이에 따른 소프트웨어 아키텍처의 변화, 그리고 양자컴퓨팅의 발전과 이로 인한 인공지능을 비롯한 새로운 소프트웨어 기술의 발전을 꼽았다.

이 여섯 가지 현상들 각각 광범위한 기술 영역을 아우르는 말로써 서로 관련 없이 각자의 필요에 따라 독립적으로 발전하는 듯하게 보인다. 이 기술들이 공통의 지향점을 가지고 나아가고 있다는 것을 이번에 여러분들에게 소개하고자 한다. 이들 기술이 나아가는 지향점을 가장 포괄적이고 근접하게 설명하는 단어로서 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”에 대해서 소개하고, 위 여섯 가지 기술들이 어떻게 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이라는 개념 아래에서 일관된 지향점으로서 통합되어 나가는지, 앞으로 나타날 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이 어떻게 발전해갈지 같이 생각해보면서 빅데이터 활용에 대한 힌트와 교훈을 얻어보고자 한다.

먼저 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”의 정의를 같이 살펴보자. “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이라는 말은 2006년 즈음 미국 국립과학재단(National Science Foundation; NSF)의 프로그램 관리자(program director)였던 헬렌 질(Helen Gill)이 언급하면서 처음으로 사용되기 시작하였다. 헬렌 질의 “사이버 물리 시스템”에 대한 정의를 같이 살펴보기로 하자.
 

“Cyber-physical systems are physical, biological, and engineered systems whose operations are integrated, monitored, and/or controlled by a computational core. Components are networked at every scale. Computing is deeply embedded into every physical components, possibly even into materials. The computational core is an embedded system, usually demands real-time response, and is most often distributed.” – Helen Gill, NSF, USA.[2-4]

“사이버 물리 시스템이란 물리적, 생물학적이며 엔지니어링된 시스템으로 그 작동이 계산 코어에 의해 통합, 모니터, 제어되는 시스템이다. 컴포넌트들은 모든 수준의 스케일에서 네트워크를 통해 연결된다. 계산은 각각의 물리적인 컴포넌트에 깊숙하게 내재되어 있고, 심지어는 (컴포넌트를 구성하는) 재료에도 내재되어 있다. 계산 코어는 임베디드 시스템이며, 보통 실시간 응답을 요구하고 분산되어 있다.” – 헬렌 질, 미국과학재단[2-4]


“사이버-물리 시스템(Cyber-Physical System; 이하 CPS)”이라는 말을 처음으로 주요 연구주제로 정착시키는데 크게 기여한 헬렌 질의 정의와 함께 CPS분야에 많은 기여를 한 컴퓨터 과학 석학이면서 “사이버-물리 시스템 관점에서의 임베디드 시스템 개요(Introduction to Embedded Systems – a Cyber-Physical Systems Approach, 2nd Edition)”라는 책을 쓴 UC 버클리의 에드워드 리(Edward Ashford Lee) 교수와 산지트 아룬쿠마 세시아(Sanjit Arunkumar Seshia) 교수의 정의도 같이 참고해보자.
 

“A cyber-physical system (CPS) is an integration of computation with physical processes whose behavior is defined by both cyber and physical parts of the system. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. As an intellectual challenge, CPS is about the intersection, not the union, of the physical and the cyber. It is not sufficient to separately understand the physical components and the computational components. We must instead understand their interaction.” – Edward Lee and Sanjit Arunkumar Seshia [10]

“사이버-물리 시스템(CPS)은 시스템의 물리적인 부분들과 사이버 부분들에 의해 그 행동양식이 정의되는 물리적인 프로세스와 계산이 함께 통합된 것이다. 임베디드 컴퓨터들과 네트워크들이, 물리적인 프로세스들이 계산에 영향을 주는 피드백 루프를 이용해, 물리적인 프로세스들을 모니터하고 제어한다. 지적인 도전으로서 CPS는 물리적인 객체들과 사이버 객체들의 합집합이 아닌 교집합에 관한 것이다. 물리적인 컴포넌트들과 계산 컴포넌트들을 별개로 이해하는 것으로는 충분하지 않다. 대신에 우리는 그들 사이의 상호 작용을 이해해야만 한다.” – 에드워드 리, 산지트 아룬쿠마 세시아[10]




CPS의 정의를 시도한 많은 문헌과 학자들이 있지만[11], 여러 CPS의 정의에서 공통되는 부분들이 있는데 다음과 같은 것들이다.
∙ 기계적인, 또는 전기, 전자적인 물리적인 프로세스를 따르는 물리적인 구성요소
∙ 계산에 의해 신호와 피드백을 발생시키는 사이버 구성요소
∙ 네트워크를 통한 물리적인 구성요소와 사이버 구성 요소들의 상호작용
∙ 물리적인 구성요소와 사이버 구성요소 개별 요소만으로는 전체 시스템 특성이 나타나지 않음
∙ 작은 부품 단위에서 광역 센서 네트워크에 이르는 모든 스케일 수준의 시스템 통합
 


펜실베니아 대학의 이인섭 교수의 발표 자료에 따르면, CPS의 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다[6-7].

□ 컴퓨팅과 소프트웨어가 긴밀하게 통합된 사이버 구성요소
- 모든 물리적인 컴포넌트에는 계산과 소프트웨어 집중적인 기능을 갖춘 컴퓨팅 요소 내재
- 대규모의 유무선 네트워크를 포함
- 다양한 스케일 계층 수준에서의 네트워크가 작동
□ 시스템으로 이루어진 시스템
- 다양한 시공간 스케일에서의 복잡성과 제약
- 동적으로 재조직/재구성할 수 있는 능력
- 나노물질과 생체공학적인 요소와 같이 새로운(unconventional) 형태의 컴퓨팅 및 물리층(substrate) 내재
□ 통신/컴퓨팅/제어 요소 간의 새로운 형태의 긴밀한 상호작용
- 높은 자유도를 가진 자동화, 제어 루프 간의 모든 스케일에서의 완결된 상호작용
- 제어 루프에 기술에 대한 지식이 없는(non-technical savvy) 사용자들이 포함
□ 구성요소 간의 유비쿼터스한 연결로 인해 전례 없는 보안과 개인 정보 보호 이슈가 발생
□ 시스템의 작동은 신뢰성이 보장되어야 하며, 특정한 경우에는 인증이 요구됨

위에서 소개한 CPS의 정의와 특성을 보면 CPS는 시스템을 구성하는 각 구성요소들이 물리적인 프로세스를 따르는 동작을 하며, 이런 물리적인 프로세스에 따르는 동작을 위해 컴퓨팅과 소프트웨어가 긴밀하게 통합된 사이버 구성요소가 물리적인 구성요소에 통합되어 있다. CPS는 또한 이러한 물리적인 구성요소와 사이버 구성요소 사이에 네트워크를 통한 통합과 조율(coordination)이 일어나는 시스템으로 이해할 수 있다.

CPS의 정의와 말만으로는 어떤 시스템을 얘기하는 것인지 독자분들께서 머릿속에 그리기가 쉽지 않으실 것 같아 예를 들어보고자 한다. CPS로 발전하고 있는 대표적인 시스템은 다음과 같은 것들이다.

□ 커넥티드 자동차와 지능형 교통 시스템(ITS)
□ 항공기
□ 전력망(Power Grid) 및 스마트 그리드
□ SCADA 및 스마트 팩토리
□ 방위 시스템 체계
□ 헬스케어 및 의료 진단, 수술 시스템
 
CPS의 대표적인 예로 자동차를 같이 생각해보자. 현재 우리들이 타고 다니는 자동차에는 수십 개의 전자 제어장치(Electronic Control Unit; ECU)가 사용된다. 2010년대에 들어서 자동차 내 전자 제어 장치의 숫자는 급격하게 증가하는 추세이다. 이들 전자 제어 장치는 자동차의 주요 부품, 가장 중요한 부품인 엔진부터 시작하여 자동차 차체의 주요 구성 요소인 창문, 후면 거울(rear-view mirror), 잠금 장치 등과 함께, 우리가 핸들이라 속칭하는 조향 제어 장치의 액추에이터와 변속 제어 시스템을 포함한 다양한 부품들에 장착되어 부드럽게 제어, 작동될 수 있도록 정밀하게 제어한다.



자동차가 이동 수단으로서 문제없이 작동하기 위해서는 엔진, 변속기 등의 각 컴포넌트들이 제각각 동작해서는 안된다. 엔진, 변속기, 조향 제어 장치, 변속 제어 장치 등이 서로 협력하고 긴밀하게 연동, 조율되어 자동차가 운전자의 의도에 맞는 승차감과 이동성을 제공할 수 있도록 자동차 본연의 이동 기능을 제공해야 한다. 이동 기능을 제공하는 부품과 컴포넌트들의 동작은 자동차 제어 네트워크를 통해 서로 정보를 주고받으며 서로의 동작이 하나의 자동차로서의 모빌리티 기능으로 통합되어야 그 의미가 있다. 자동차의 이동성 메커니즘을 구현하는 엔진, 변속기, 조향 및 가감속 제어, 변속 제어 등의 중요 부품들의 고장이나 결함은 자동차의 이동성이 온전하게 작동하지 못하게 한다.

자동차는 또한 대표적인 미션-크리티컬 시스템(mission-critical system)이기도 하다. 자동차 부품의 고장이나 결함은 경우에 따라서 운전자와 탑승객의 생명을 위협할 수 있다. 이런 이유로 자동차 부품의 품질과 안전성은 ISO26262, ASIL과 같은 국제적인 안전 기준과 각국 정부의 자동차 안전 법규 및 기준에 따라 엄격하게 평가되고 테스트, 인증되어야 한다. 



지능형 교통 인프라(Intelligent Transportation System; ITS)와 커넥티드 자동차(connected car)가 상용화되면 좀더 복잡한 문제가 발생한다. 자동차 기능 제어에 5G 무선 네트워크와 광대역 네트워크(WAN)를 통해 전달되는 교통 인프라 정보와 제어 신호가 사용되면 자동차 외부에서 전달되는 이들 정보와 신호가 자동차에 탑승한 승객들의 안전에 위협이 되지 않아야 하며, 이 때문에 보안(security)과 개인 정보 보호(privacy protection)가 더 철저하게 관리되어야 한다. 이뿐만 아니라 외부에서 전달되어 자동차 제어에 사용되는 정보들이 신뢰할 만한 대상으로부터 전달된 것인지, 현재 전달된 자동차에서 자동차 기능 제어에 사용할 수 있을 만큼 안전한 경로를 거쳐 만들어진 것인지 사용 전에 검증하고 확인하는 절차를 어떻게 만들어야 할 것인지도 중요하다.



5G, 6G 기반의 C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything communication) 통신 시스템과 커넥티드 자동차가 보편화되었을 때 보안도 중요해지지만, 광범위한 스케일에서 자동차 시스템과 교통 인프라 시스템 간 시스템 통합을 어떻게 신뢰성 있게 구현해내느냐 하는 기술적인 문제도 중요해진다. 앞서 설명한 CPS의 특성 중에서 다양한 스케일에서 물리적인 컴포넌트와 사이버 컴포넌트들이 네트워크로 연결되어 완결된 상호작용을 이루어야 한다고 얘기한 것이 바로 이 내용에 해당된다.

자동차 내부의 전자 제어 장치와 부품들이 자동차로서 기능이 통합되기 위해 차량 내 제어 네트워크를 통해 상호작용하는 과정도 복잡하고 신뢰성이 보장되어야 하는데, 차량 간의 통신을 통해 차량간 주행 정보 공유, 군집 주행(platooning), 협력 자율 주행(cooperative autonomous driving)과 같은 미래 이동 수단(mobility) 서비스가 안전하게 제공되게끔 차량 사이에 기능을 조율하고  신뢰성이 보장되도록 시스템을 개발, 통합하는 것은 더 어려운 일이다. 

C-V2X 통신과 커넥티드 자동차 시대에는 자동차 내부에서 작동하는 컴포넌트와 시스템 간 기능 통합과 신뢰성 확보도 중요하지만, C-V2X 통신을 통해 자동차 사이에 일어나는 기능 통합과 신뢰성도 자동차 안전에 큰 영향을 미치게 된다. 바로 이것이 앞서 설명한 “시스템들의 시스템(system of systems)”로서 통합되는 CPS 관점에서의 커넥티드 자동차이다. 이와 같이 “시스템들의 시스템”으로서 광범위한 지역에 걸쳐 모바일 네트워크를 통해 연결되어 통합되는 CPS는 개별 시스템 단위의 시스템 통합뿐만 아니라 개별 단위 시스템 사이의 시스템 통합이 넓은 지역에 걸쳐 이루어져야 한다는 점에서 다양한 수준, 계층의 스케일에서 완전한 상호작용과 동작이 보장되어야 한다.
 


지금까지 자동차의 예를 들어 CPS가 어떤 시스템인지 좀더 구체적으로 살펴보았다. 임베디드 시스템에 쓰이는 임베디드 컴퓨터의 성능이 PC 수준, 또는 NVidia사의 Xavier GPU가 장착된 Jetson 임베디드 컴퓨터와 같이 작은 슈퍼컴퓨터급으로 급격하게 향상되는 트렌드, IoT로 연결되는 다양한 사물에 엣지 컴퓨팅 시스템이 붙어 지능형 사물이 증가하는 트렌드, 5G 네트워크로 대표되는 사물과 사람 간의 연결성(connectivity) 확대 트렌드에 힘입어 CPS는 다양한 임베디드 시스템과 미션-크리티컬 인프라가 발전하는 지향점이 되어가고 있다.

CPS라는 개념과 트렌드가 빅데이터와 어떤 연관이 있길래 이렇게 필자가 빅데이터 얘기를 하다 말고 CPS에 대해서 꽤 긴 지면을 할애해서 설명하는지 궁금하신 독자분들이 있을 법하다. CPS와 빅데이터가 어떤 관련이 있는지, 앞으로 어떤 방식으로 발전해갈지 같이 생각해보자.

 




2019.12.30

김진철의 How-to-Big Data | 빅데이터의 미래 (2)

김진철 | CIO KR

사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)의 개념
이전 서른 다섯번째 글에서 근 미래의 빅데이터 비즈니스와 기술의 모습을 그려볼 수 있게 하는 기술의 발전에 대해서 간단하게 돌아보았다. 빅데이터 비즈니스와 기술의 미래에 중요한 영향을 미칠 현상들로 5G, 6G 무선 네트워크 기술과 1Tbps 이더넷 기술로 대표되는 고대역폭, 저지연 유무선 네트워크 기술의 발전과 확산, 인공지능 기술의 발전, IoT 및 엣지 컴퓨팅, 편재 컴퓨팅 기술의 발전으로 수집되는 데이터양의 폭증, 클라우드 컴퓨팅의 발전과 확산에 따른 빅데이터 처리를 위한 자원 관리 기술의 발전, 차세대 메모리와 버스 기술의 발전에 따른 컴퓨터 아키텍처 계층의 단순화와 이에 따른 소프트웨어 아키텍처의 변화, 그리고 양자컴퓨팅의 발전과 이로 인한 인공지능을 비롯한 새로운 소프트웨어 기술의 발전을 꼽았다.

이 여섯 가지 현상들 각각 광범위한 기술 영역을 아우르는 말로써 서로 관련 없이 각자의 필요에 따라 독립적으로 발전하는 듯하게 보인다. 이 기술들이 공통의 지향점을 가지고 나아가고 있다는 것을 이번에 여러분들에게 소개하고자 한다. 이들 기술이 나아가는 지향점을 가장 포괄적이고 근접하게 설명하는 단어로서 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”에 대해서 소개하고, 위 여섯 가지 기술들이 어떻게 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이라는 개념 아래에서 일관된 지향점으로서 통합되어 나가는지, 앞으로 나타날 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이 어떻게 발전해갈지 같이 생각해보면서 빅데이터 활용에 대한 힌트와 교훈을 얻어보고자 한다.

먼저 “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”의 정의를 같이 살펴보자. “사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)”이라는 말은 2006년 즈음 미국 국립과학재단(National Science Foundation; NSF)의 프로그램 관리자(program director)였던 헬렌 질(Helen Gill)이 언급하면서 처음으로 사용되기 시작하였다. 헬렌 질의 “사이버 물리 시스템”에 대한 정의를 같이 살펴보기로 하자.
 

“Cyber-physical systems are physical, biological, and engineered systems whose operations are integrated, monitored, and/or controlled by a computational core. Components are networked at every scale. Computing is deeply embedded into every physical components, possibly even into materials. The computational core is an embedded system, usually demands real-time response, and is most often distributed.” – Helen Gill, NSF, USA.[2-4]

“사이버 물리 시스템이란 물리적, 생물학적이며 엔지니어링된 시스템으로 그 작동이 계산 코어에 의해 통합, 모니터, 제어되는 시스템이다. 컴포넌트들은 모든 수준의 스케일에서 네트워크를 통해 연결된다. 계산은 각각의 물리적인 컴포넌트에 깊숙하게 내재되어 있고, 심지어는 (컴포넌트를 구성하는) 재료에도 내재되어 있다. 계산 코어는 임베디드 시스템이며, 보통 실시간 응답을 요구하고 분산되어 있다.” – 헬렌 질, 미국과학재단[2-4]


“사이버-물리 시스템(Cyber-Physical System; 이하 CPS)”이라는 말을 처음으로 주요 연구주제로 정착시키는데 크게 기여한 헬렌 질의 정의와 함께 CPS분야에 많은 기여를 한 컴퓨터 과학 석학이면서 “사이버-물리 시스템 관점에서의 임베디드 시스템 개요(Introduction to Embedded Systems – a Cyber-Physical Systems Approach, 2nd Edition)”라는 책을 쓴 UC 버클리의 에드워드 리(Edward Ashford Lee) 교수와 산지트 아룬쿠마 세시아(Sanjit Arunkumar Seshia) 교수의 정의도 같이 참고해보자.
 

“A cyber-physical system (CPS) is an integration of computation with physical processes whose behavior is defined by both cyber and physical parts of the system. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. As an intellectual challenge, CPS is about the intersection, not the union, of the physical and the cyber. It is not sufficient to separately understand the physical components and the computational components. We must instead understand their interaction.” – Edward Lee and Sanjit Arunkumar Seshia [10]

“사이버-물리 시스템(CPS)은 시스템의 물리적인 부분들과 사이버 부분들에 의해 그 행동양식이 정의되는 물리적인 프로세스와 계산이 함께 통합된 것이다. 임베디드 컴퓨터들과 네트워크들이, 물리적인 프로세스들이 계산에 영향을 주는 피드백 루프를 이용해, 물리적인 프로세스들을 모니터하고 제어한다. 지적인 도전으로서 CPS는 물리적인 객체들과 사이버 객체들의 합집합이 아닌 교집합에 관한 것이다. 물리적인 컴포넌트들과 계산 컴포넌트들을 별개로 이해하는 것으로는 충분하지 않다. 대신에 우리는 그들 사이의 상호 작용을 이해해야만 한다.” – 에드워드 리, 산지트 아룬쿠마 세시아[10]




CPS의 정의를 시도한 많은 문헌과 학자들이 있지만[11], 여러 CPS의 정의에서 공통되는 부분들이 있는데 다음과 같은 것들이다.
∙ 기계적인, 또는 전기, 전자적인 물리적인 프로세스를 따르는 물리적인 구성요소
∙ 계산에 의해 신호와 피드백을 발생시키는 사이버 구성요소
∙ 네트워크를 통한 물리적인 구성요소와 사이버 구성 요소들의 상호작용
∙ 물리적인 구성요소와 사이버 구성요소 개별 요소만으로는 전체 시스템 특성이 나타나지 않음
∙ 작은 부품 단위에서 광역 센서 네트워크에 이르는 모든 스케일 수준의 시스템 통합
 


펜실베니아 대학의 이인섭 교수의 발표 자료에 따르면, CPS의 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다[6-7].

□ 컴퓨팅과 소프트웨어가 긴밀하게 통합된 사이버 구성요소
- 모든 물리적인 컴포넌트에는 계산과 소프트웨어 집중적인 기능을 갖춘 컴퓨팅 요소 내재
- 대규모의 유무선 네트워크를 포함
- 다양한 스케일 계층 수준에서의 네트워크가 작동
□ 시스템으로 이루어진 시스템
- 다양한 시공간 스케일에서의 복잡성과 제약
- 동적으로 재조직/재구성할 수 있는 능력
- 나노물질과 생체공학적인 요소와 같이 새로운(unconventional) 형태의 컴퓨팅 및 물리층(substrate) 내재
□ 통신/컴퓨팅/제어 요소 간의 새로운 형태의 긴밀한 상호작용
- 높은 자유도를 가진 자동화, 제어 루프 간의 모든 스케일에서의 완결된 상호작용
- 제어 루프에 기술에 대한 지식이 없는(non-technical savvy) 사용자들이 포함
□ 구성요소 간의 유비쿼터스한 연결로 인해 전례 없는 보안과 개인 정보 보호 이슈가 발생
□ 시스템의 작동은 신뢰성이 보장되어야 하며, 특정한 경우에는 인증이 요구됨

위에서 소개한 CPS의 정의와 특성을 보면 CPS는 시스템을 구성하는 각 구성요소들이 물리적인 프로세스를 따르는 동작을 하며, 이런 물리적인 프로세스에 따르는 동작을 위해 컴퓨팅과 소프트웨어가 긴밀하게 통합된 사이버 구성요소가 물리적인 구성요소에 통합되어 있다. CPS는 또한 이러한 물리적인 구성요소와 사이버 구성요소 사이에 네트워크를 통한 통합과 조율(coordination)이 일어나는 시스템으로 이해할 수 있다.

CPS의 정의와 말만으로는 어떤 시스템을 얘기하는 것인지 독자분들께서 머릿속에 그리기가 쉽지 않으실 것 같아 예를 들어보고자 한다. CPS로 발전하고 있는 대표적인 시스템은 다음과 같은 것들이다.

□ 커넥티드 자동차와 지능형 교통 시스템(ITS)
□ 항공기
□ 전력망(Power Grid) 및 스마트 그리드
□ SCADA 및 스마트 팩토리
□ 방위 시스템 체계
□ 헬스케어 및 의료 진단, 수술 시스템
 
CPS의 대표적인 예로 자동차를 같이 생각해보자. 현재 우리들이 타고 다니는 자동차에는 수십 개의 전자 제어장치(Electronic Control Unit; ECU)가 사용된다. 2010년대에 들어서 자동차 내 전자 제어 장치의 숫자는 급격하게 증가하는 추세이다. 이들 전자 제어 장치는 자동차의 주요 부품, 가장 중요한 부품인 엔진부터 시작하여 자동차 차체의 주요 구성 요소인 창문, 후면 거울(rear-view mirror), 잠금 장치 등과 함께, 우리가 핸들이라 속칭하는 조향 제어 장치의 액추에이터와 변속 제어 시스템을 포함한 다양한 부품들에 장착되어 부드럽게 제어, 작동될 수 있도록 정밀하게 제어한다.



자동차가 이동 수단으로서 문제없이 작동하기 위해서는 엔진, 변속기 등의 각 컴포넌트들이 제각각 동작해서는 안된다. 엔진, 변속기, 조향 제어 장치, 변속 제어 장치 등이 서로 협력하고 긴밀하게 연동, 조율되어 자동차가 운전자의 의도에 맞는 승차감과 이동성을 제공할 수 있도록 자동차 본연의 이동 기능을 제공해야 한다. 이동 기능을 제공하는 부품과 컴포넌트들의 동작은 자동차 제어 네트워크를 통해 서로 정보를 주고받으며 서로의 동작이 하나의 자동차로서의 모빌리티 기능으로 통합되어야 그 의미가 있다. 자동차의 이동성 메커니즘을 구현하는 엔진, 변속기, 조향 및 가감속 제어, 변속 제어 등의 중요 부품들의 고장이나 결함은 자동차의 이동성이 온전하게 작동하지 못하게 한다.

자동차는 또한 대표적인 미션-크리티컬 시스템(mission-critical system)이기도 하다. 자동차 부품의 고장이나 결함은 경우에 따라서 운전자와 탑승객의 생명을 위협할 수 있다. 이런 이유로 자동차 부품의 품질과 안전성은 ISO26262, ASIL과 같은 국제적인 안전 기준과 각국 정부의 자동차 안전 법규 및 기준에 따라 엄격하게 평가되고 테스트, 인증되어야 한다. 



지능형 교통 인프라(Intelligent Transportation System; ITS)와 커넥티드 자동차(connected car)가 상용화되면 좀더 복잡한 문제가 발생한다. 자동차 기능 제어에 5G 무선 네트워크와 광대역 네트워크(WAN)를 통해 전달되는 교통 인프라 정보와 제어 신호가 사용되면 자동차 외부에서 전달되는 이들 정보와 신호가 자동차에 탑승한 승객들의 안전에 위협이 되지 않아야 하며, 이 때문에 보안(security)과 개인 정보 보호(privacy protection)가 더 철저하게 관리되어야 한다. 이뿐만 아니라 외부에서 전달되어 자동차 제어에 사용되는 정보들이 신뢰할 만한 대상으로부터 전달된 것인지, 현재 전달된 자동차에서 자동차 기능 제어에 사용할 수 있을 만큼 안전한 경로를 거쳐 만들어진 것인지 사용 전에 검증하고 확인하는 절차를 어떻게 만들어야 할 것인지도 중요하다.



5G, 6G 기반의 C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything communication) 통신 시스템과 커넥티드 자동차가 보편화되었을 때 보안도 중요해지지만, 광범위한 스케일에서 자동차 시스템과 교통 인프라 시스템 간 시스템 통합을 어떻게 신뢰성 있게 구현해내느냐 하는 기술적인 문제도 중요해진다. 앞서 설명한 CPS의 특성 중에서 다양한 스케일에서 물리적인 컴포넌트와 사이버 컴포넌트들이 네트워크로 연결되어 완결된 상호작용을 이루어야 한다고 얘기한 것이 바로 이 내용에 해당된다.

자동차 내부의 전자 제어 장치와 부품들이 자동차로서 기능이 통합되기 위해 차량 내 제어 네트워크를 통해 상호작용하는 과정도 복잡하고 신뢰성이 보장되어야 하는데, 차량 간의 통신을 통해 차량간 주행 정보 공유, 군집 주행(platooning), 협력 자율 주행(cooperative autonomous driving)과 같은 미래 이동 수단(mobility) 서비스가 안전하게 제공되게끔 차량 사이에 기능을 조율하고  신뢰성이 보장되도록 시스템을 개발, 통합하는 것은 더 어려운 일이다. 

C-V2X 통신과 커넥티드 자동차 시대에는 자동차 내부에서 작동하는 컴포넌트와 시스템 간 기능 통합과 신뢰성 확보도 중요하지만, C-V2X 통신을 통해 자동차 사이에 일어나는 기능 통합과 신뢰성도 자동차 안전에 큰 영향을 미치게 된다. 바로 이것이 앞서 설명한 “시스템들의 시스템(system of systems)”로서 통합되는 CPS 관점에서의 커넥티드 자동차이다. 이와 같이 “시스템들의 시스템”으로서 광범위한 지역에 걸쳐 모바일 네트워크를 통해 연결되어 통합되는 CPS는 개별 시스템 단위의 시스템 통합뿐만 아니라 개별 단위 시스템 사이의 시스템 통합이 넓은 지역에 걸쳐 이루어져야 한다는 점에서 다양한 수준, 계층의 스케일에서 완전한 상호작용과 동작이 보장되어야 한다.
 


지금까지 자동차의 예를 들어 CPS가 어떤 시스템인지 좀더 구체적으로 살펴보았다. 임베디드 시스템에 쓰이는 임베디드 컴퓨터의 성능이 PC 수준, 또는 NVidia사의 Xavier GPU가 장착된 Jetson 임베디드 컴퓨터와 같이 작은 슈퍼컴퓨터급으로 급격하게 향상되는 트렌드, IoT로 연결되는 다양한 사물에 엣지 컴퓨팅 시스템이 붙어 지능형 사물이 증가하는 트렌드, 5G 네트워크로 대표되는 사물과 사람 간의 연결성(connectivity) 확대 트렌드에 힘입어 CPS는 다양한 임베디드 시스템과 미션-크리티컬 인프라가 발전하는 지향점이 되어가고 있다.

CPS라는 개념과 트렌드가 빅데이터와 어떤 연관이 있길래 이렇게 필자가 빅데이터 얘기를 하다 말고 CPS에 대해서 꽤 긴 지면을 할애해서 설명하는지 궁금하신 독자분들이 있을 법하다. CPS와 빅데이터가 어떤 관련이 있는지, 앞으로 어떤 방식으로 발전해갈지 같이 생각해보자.

 


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