DARPA가 개발하려는 디지털 배열 운영 알고리즘

다음은 미국 DARPA의 SOAP 프로그램에 대한 내용으로, SOAP은 최신의 디지털 배열을 효과적으로 운영할 수 있는 프로그램을 개발하는 것이다.

 

 

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(DARPA의 SOAP 프로그램은 레이다와 EW 분야등에 걸쳐 AESA의 성능을 극대화 시킬 것이다.)

 

미국 국방고등연구사업단인 DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)는 레이다의 이득이나 해상도에 저하 없이 동시의 다중 빔과 다기능 성능을 갖는 차세대 어레이 개발 기술을 위한 프로그램을 요청 (DARPA-PS-24-05) 했다.

 

요청서에 따르면, SOAP(Scalable On-Array Processing)으로 불리는 이 프로그램은 대형 매트릭스 운영과 시설을 분산형 처리 하드웨어의 설계로 대체할 수 있는 scalable 알고리즘을 개발하고 납품하는 차세대 배열 기술이다.

이 알고리즘과 하드웨어의 주요 응용 분야는 대형 디지털 어레이가 될 것이며, 새로운 처리 접근법은 특히 레이다의 외적인 부분과 위상 배열 부분이다.

 

이 요청서에 있는 프로그램 배경에 대한 설명에 따르면, 디지털 배열 구조는 아날로그 배열보다 많은 장점이 있음은 알려져있으며 그중에서도 주목할 부분은 동시에 다중의 빔과 기능을 지원하는 능력이다.

그러나 디지털 배열이 진화되었어도 배열의 운영은 계속해서 아날로그 배열에서부터 구축되어온 신호 처리와 추적 알고리즘을 사용해 왔다.

기존의 배열 처리 알고리즘 즉, 적응형 빔포밍에 사용되는 알고리즘 같은 것들은 과거의 아날로그 배열에서는 충분하지만 디지털 시스템의 크기가 더욱 커지고 데이터 속도가 더욱 빨라짐에 따라 기존의 배열 계산에는 디지털 병목구간(Digital Bottlenecks)이 발생하여 디지털 배열에 심각한 제한을 일으킨다.

이러한 제한을 "처리 병목구간(processing bottlenecks) 그리고 데이터 이동 병목구간(data movement bottlenecks)으로 기술한다.

 

예를 들면, 1000개가 넘는 엘리먼트와 순시대역폭(IBW, Instanteneous Bandwidth)이 1 GHz를 넘는 위상 배열은 실시간 1000 X 1000 매트릭스의 역행렬 계산을 요구하며 배열 앞단에서 중간대역 처리 단계 사이에 1 Tbps가 넘는 데이터 속도를 요구한다.

그래서  디지털 병목구간을 만드는 이러한 많은 양의 데이터 흐름을 이동시키고 처리되어야 할 필요가 있다.

이러한 디지털 병목구간은 오늘날의 디지털 배열 구조에서 구현할 수 있는 독립적인 엘리먼트와 IBW에 심각한 제한을 가져온다.

이 디지털 병목구간이 배열에서의 엘리먼트 수와 IBW의 크기를 결정하는데, 오늘날 최신의 기술로는 2 GHz의 IBW에 수 백개의 엘리먼트까지 수용할 수 있다.

 

[ SOAP의 목표 ]

SOAP 프로그램의 목표는 오늘날의 많은 수의 디지털 위상 배열에서의 광대역 운영에 심각한 제한을 가져오는 디지털 병목구간을 극복할 수 있는 크기 변경이 자유로운 알고리즘과 처리 구조를 개발하는 것이다.

SOAP은 machine vision이나 large language model 훈련등과 같이 다른 분야에서 성공적으로 빅데이터를 관리하는 기술을 이용하여 배열 운영에 새로운 접근법을 개발하고자 한다.

SOAP은 엘리먼트 수에 있어서 지수적으로 증가하던 계산 복잡성을 선형적으로 줄이는 것을 목표로 한다.

 

SOAP은 또한, 모든 정보의 처리를 엘리먼트 단에서 처리하고 어떠한 엘리먼트의 정보 손실도 방지하기 위해서 물리적으로 분리되어 있던 백엔드 처리기를 배열 내로 통합하는 처리구조 이동을 하려고 한다.

이것을 위해서는 배열 내에 분산될 수 있는 처리기를 설계할 것이다.

이 처리기들은 특정 엘리먼트의 데이터는 어느 엘리먼트에서도 처리될 수 있도록 서로 연결되고 네트워크화되어야 한다.

이러한 엘리먼트 간 그리고 처리기 간의 데이터 이동을 쉽게 하기 위해서 SOAP은 데이터 센서에서 사용되고 large language model을 훈련하는 데 사용되고 있는 최신의 상호연결 연구 결과를 이용할 것이다. 

 

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[ SOAP의 과제 ]

SOAP 프로그램은 두 가지의 도전적인 과제가 있을 것이다.

기술적 도전 과제 1은 빔포밍을 위해 디지털 배열 계산을 위한 크기 조절 가능 알고리즘을 구현하는 것이며 이는 영상 처리나 machine vision 알고리즘과 같이 기존에 없던 알고리즘을 활용한다.

 

기술적 도전 과제 2는 매우 큰 데이터 속도를 위한 처리 구조를 구현하는 것이다.

이는 마치 멀티 코어 처리 구조와 같이 계산 처리 로드가 다중의 처리기들 간에 공유하는 구조를 통해 분산된 배열상의 처리를 구현해야 한다.

 

[ SOAP의 기대 효과 ]

요청서는 다음과 같이 설명하고 있다.

SOAP은 특히 배열 처리를 위한 계산 자원의 최적 조합을 결정할 것으로 기대한다.

SOAP은 이러한 처리 엘리먼트를 최대한 RF 엘리먼트에 가까이 이동시킴으로써 디지털 데이터 처리는 이러한 데이터가 생성되자마자 처리가 시작될 수 있다.

또한, 분산형 구조는 가상의 서브 배열 개념을 만들 수 있으며 RF 엘리먼트 간 어떠한 조합도 가능하여 특별한 기능을 구현하는 데 사용될 수 있다. 

 

SOAP의 운영 측면에서의 이점은 매우 크다.

처음에 SOAP 프로그램은 10 MHz 보다 훨씬 넓은 IBW에서 10개보다 많은 빔을 운영하는 광대역 디지털 배열이 가능하게 할 것이다.

게다가 실제적인 다기능 (즉, 통신, 추적, 탐색, 전자전 등)이 낮은 지연으로 가능할 것이며 따라서 복잡한 RF 환경에서 생존성을 높여줄 것이다.

 

 

출처 : The Journal of Electromagnetic Dominance, February 2024

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