개요: 비디오 그래픽 성능의 업그레이드가 용이한 데스크톱 컴퓨터와 달리 랩탑 컴퓨터는 지금까지 이러한 업그레이드를 제공할 수 없었다. 이상적으로 랩탑 설계는 그래픽 카드가 애드 인 기능이 되도록 할 수 있다. 이를 위한 간단한 솔루션은 설계에 스위치를 추가하여 내부 그래픽 또는 애드 인 카드의 LVDS 출력을 선택하는 것이다. MAX4889는 2개의 LVDS 소스 간에 스위칭하여 하나의 목적지로 출력할 수 있어 랩탑 설계를 위한 스위치로 적합하다.
오랫동안 비디오 그래픽은 사용자가 데스크톱 컴퓨터에서 자유롭게 업그레이드할 수 있었던 기능이다. 초기 IBM 컴퓨터는 MGA (monochrome graphics adapter) 또는 CGA(color graphics adapter)로 구성되었다. 동일한 모델의 컴퓨터에서도 모니터에 따라 두 가지 그래픽 카드 중 하나를 선택해야 했다. 이러한 초기 어댑터는 많은 컬러 또는 그레이 레벨을 갖는 모노크롬이나 컬러 그래픽을 구동할 수 있는 VGA (video graphics array) 표준으로 발전했다.
비디오 그래픽은 많은 발전을 이루었으며, 그 결과 GPU(graphics processor unit)는 데스크톱 컴퓨터에서 가장 복잡한 프로세서 중 하나가 되었다. 이들 프로세서는 다양한 모니터를 구동하는 여러 개의 출력뿐 아니라 512MB에 달하는 메모리와 매우 정교한 부동 소수점 처리 기능을 갖는 완벽한 작은 시스템으로 발전했다.
최근 몇 년 사이에 랩탑 판매가 데스크톱 컴퓨터 판매를 앞질렀다. 랩탑 비용이 크게 떨어지면서 많은 소비자들은 랩탑 컴퓨터로 데스크톱 컴퓨터를 대체하고 있다. 풀 사이즈 키보드가 제공되는 17인치 랩탑 컴퓨터는 데스크톱의 합리적 대안으로 여겨지고 있다. 가정에 WiFi가 보급되면서 사용자는 장치를 충전할 때만 AC 전원을 꽂으며 다른 모든 와이어, 키보드, 마우스, 스피커가 사라졌다. 그러나 하이 엔드 랩탑은 여전히 게이머와 가정에서 재택 근무를 하는 전문가들에 의해 사용되고 있으며 이들은 대형 스크린과 풀 사이즈 키보드를 필요로 한다.
2007년까지 거의 모든 랩탑 컴퓨터는 내부 그래픽 카드를 탑재했다. 컴퓨터 제조업체들은 내부 그래픽 카드가 탑재된 저가 유닛이나 3rd party 그래픽 카드를 보드에 탑재한 하이 엔드 머신 중 하나를 제작했다. 3rd party 그래픽 카드의 내장은 시스템 비용을 크게 증가시켰다. 2004년에 NVIDIA®는 업계의 주요 노트북 제조업체와 공동으로 MXM¹이라고 하는 그래픽 인터페이스를 개발함으로써 제조업체는 어떤 벤더의 그래픽 솔루션과도 호환되는 노트북 설계를 제작할 수 있게 되었다. 수년간 데스크톱 컴퓨터에서 그랬던 것처럼 이 그래픽 인터페이스는 단일 시스템 설계에서 여러 구성과 업그레이드를 제공할 수 있다.
그림 1은 하나의 에지에 표준 MXM 커넥터가 일렬로 배치된 실제 MXM GPU를 보여준다. 간단한 스위칭 기능을 추가하면 노트북 제조업체는 내장형 칩셋 벤더 그래픽 카드뿐 아니라 고성능의 3rd party 그래픽 업그레이드용 MXM 슬롯이 포함된 단일 마더보드를 설계할 수 있다.
그림 1. 하단 에지에 표준 MXM 커넥터 핀이 있는 MXM GPU
애드 인 그래픽 모듈을 지원하도록 노트북 설계를 업그레이드하는 것은 모듈의 쿨링 문제를 해결해야 하기 때문에 단순히 메모리를 추가하는 것처럼 간단하지 않다. 그러나 노트북 제조업체는 설계 및 재고 관리가 필요한 다양한 마더보드 수를 줄일 수 있다. 소비자가 원하는 특정 그래픽은 최종 조립 시에 제공할 수 있기 때문이다. 많은 경우 소매업체나 대리점은 소비자가 랩탑을 받기 바로 전에 요청된 모듈을 추가할 수 있어 지체 시간을 줄이고 사용자 요구에 맞지 않는 그래픽 카드로 인한 판매 손실 가능성을 줄일 수 있다.
소비자나 벤더가 데스크톱 컴퓨터에 그래픽 카드를 추가하는 경우 간단히 모니터를 카드의 VGA 또는 DVI 커넥터와 연결하면 된다. 노트북에는 LCD 스크린이 있다. 실제로 내장형 LCD 스크린은 거의 모든 경우 소비자가 사용하는 주 스크린이다. 그러므로 카드가 외부 그래픽 전용인 경우에는 하이 엔드 그래픽 카드를 구매하는 의미가 거의 없다.
노트북 디스플레이는 전통적으로 리본 케이블을 사용하여 그래픽 카드로부터 발생하는 데이터를 수신한다. MXM 애플리케이션의 데이터는 4쌍 또는 8쌍의 LVDS 신호 형식으로 통신한다. 여기서 모듈 입력은 최대 16개 레인을 갖는 PCI Express® (PCIe®) 인터페이스이며 출력에는 VGA, TMDS®(DVI™/HDMI™용), DisplayPort™, LVDS 등이 있다.
노트북 제조업체가 저가 모델용으로 내장형 그래픽을 사용하면서 하이 엔드 모델용으로 3rd party 그래픽으로 업그레이드할 수 있는 설계를 원하는 경우 여러 신호 세트를 스위칭해야 한다. 본문에서는 LVDS 신호만 다룬다. 저가 랩탑은 단일 링크 LVDS를 사용하는 반면 하이 엔드 시스템은 듀얼 링크 LVDS를 사용한다. 한 쌍당 800Mbps 정도의 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있다. LVDS 신호는 DC 커플링되므로 장기적인 DC 평형 문제가 없다. 이들 신호는 ~1.25V의 DC 성분과 ±250mVP-P(최소)의 스윙을 갖는다. 수신 감도는 100mVP-P이므로 송수신 신호 간에 8dB 손실을 허용한다.
LVDS 신호를 스위칭하려면 스위치가 삽입하는 전체 손실이 1dB를 넘지 않아야 한다. 이 밖에도 스위치는 반사와 부정합을 발생시킬 수 있는 리액티브 성분을 추가하지 않도록 낮은 커패시턴스를 가져야 한다. MAX4889 PCIe 패시브 스위치는 이러한 요구를 모두 만족하며 LVDS 애플리케이션에 이상적이다. +3.3V에서 동작할 때 소자는 LVDS 신호의 전체 범위(0.67V ~ 1.8V)를 용이하게 처리할 수 있으며 입력 커패시턴스는 2pF 미만이다. 삽입 손실은 LVDS 데이터 전송률이 800Mbps 이하일 때 0.5dB 미만이다.
MAX4889 스위치는 2개의 가능한 소스(내부 그래픽 또는 MXM 그래픽)와 1개의 목적지를 갖는 2:1 애플리케이션에서 4쌍의 신호를 스위칭한다. 18비트 그래픽에서는 단 하나의 MAX4889만 필요하며 24비트 그래픽에서는 2개의 MAX4889 스위치를 사용해야 한다. MAX4889는 2개의 소스인 내부 그래픽과 MXM 모듈 사이를 선택하는 데 사용된다. 소자는 MXM 모듈의 존재를 확인하여 존재가 감지되면 그래픽 소스로 MXM을 선택한다.
그림 2는 24비트 그래픽 애플리케이션에서 4쌍의 LVDS 신호를 스위칭하는 데 사용되는 MAX4889를 보여주고 있다. LVDS 스위치는 풀 세트의 상위 및 하위 비트에 사용되지만 다이어그램에서는 명확성을 위해 R, G, B(상위 비트)와 클록 신호²만 표시하였다. 이것은 24비트 그래픽 애플리케이션이므로 하위 비트를 처리하는 데 그림에는 보이지 않는 두 번째 MAX4889 스위치가 사용된다.
그림 2. MAX4889는 24비트 그래픽 애플리케이션에서 4개의 LVDS 신호 쌍을 스위칭한다. 그림에는 상위 비트와 클록만 표시되어 있다. 두 번째 MAX4889는 하위 비트를 처리한다.
결론
MXM은 노트북 제조업체에서 저가 모델용으로 내부 그래픽을 사용하거나 향상된 그래픽 기능을 위해 애드 인 MXM GPU를 사용하여 고객의 요구를 만족시킬 수 있는 단일 보드를 제작할 수 있게 한다. 랩탑의 LCD 패널에서 MXM 모듈과 내부 그래픽을 모두 지원하기 위해서는 일부 형식의 스위칭을 수행해야 한다. 이상적인 스위치는 전기적 형식이며 시스템에서 간단히 MXM 모듈의 존재를 감지하거나 사용자가 수동으로 내부 또는 MXM 그래픽을 선택할 수 있다. 어느 경우이든 스위칭은 신뢰성과 최소 크기/전력 요구사항을 위해 반도체 스위치에 의해 수행된다. MAX4889는 이와 같은 LVDS 용도에 이상적인 스위치이다. 3.3V에서 동작할 때 이 소자는 최대 800Mbps까지 LVDS 신호 레벨을 쉽게 처리하고 모든 동작 조건에서 120µA 이하를 소비하면서 0.5dB 미만 손실을 삽입하고 2pF 미만 커패시턴스를 갖는다.
참고 자료
MXM: Mobile PCI Express Module. 모바일 PCI Express 그래픽을 위한 호환 인터페이스이다. MXM에 대한 자세한 내용은 MXM Graphics Module 웹사이트에서 볼 수 있다.
Open LDI: Open LVDS display interface, May 13, 1999. Open LDI 표준은 적색 2개, 녹색 2개, 청색 2개, 픽셀 클록 1개 신호에 대해 설명한다.
DisplayPort는 Video Electronics Standards Association (VESA)의 상표이다.
DVI는 Digital Display Working Group (DDWG)의 상표이다.
HDMI는 HDMI Licensing, LLC의 상표이다.
NVIDIA는 NVIDIA Corporation의 등록상표이다.
PCI Express는 PCI-SIG Corp.의 등록상표이다.
PCIe는 PCI-SIG Corp.의 등록상표이다.
TMDS는 Silicon Image, Inc.의 등록상표이다.
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