HIFICLUB, High-end Internet

안녕하세요. 웨이버사 시스템즈의 신준호 대표입니다. PC-fi나 DAC가 대중화가 되기 시작하면서, 디지털 기술에 대한 궁금증이 점점 커지고 있습니다. 앞으로 Digital Odyssey를 통해 최첨단의 새로운 기술과 이해하기 어려웠던 부분들을 시원하게 풀어보고자 합니다. Digital Odyssey의 1편으로는 디지털 기술과 아날로그 기술의 복합체인 DAC에 대해서 알아보고자 합니다. 이러한 DAC는 공학적인 DAC가 아닌 상품으로서의 DAC에 대한 설명입니다.

DAC의 중요한 구성 - DAC칩 / 디지털 인터페이스 / 아날로그 파트

DAC는 여러가지 DAC 칩과 디지털 인터페이스 그리고 아날로그 파트로 이루어져 있습니다. 

먼저 DAC칩은 버브라운-TI / 울프슨 / ESS / 시러스로직 / 아날로그디바이스 / AK 등 많은 업체들이 제조를 하고 있고 이중 일반소비자들도 선호도가 있는 브랜드도 많습니다. 각 회사마다 방식이 약간씩 다릅니다.

디지털 인터페이스는 SPDIF 오디오 신호를 받아서 DAC에 전달하는 역할을 하는 칩으로 이 부분도 여러 회사에서 솔루션이 나오고 있습니다만 이 부분은 현재 시러스로직이 독보적인 것으로 보입니다. 그 외에도, SRC가 있는데 이는 소위 말하는 업샘플러 입니다. 업샘플러도 제조사마다 다르나 성능은 거의 비슷합니다. 대부분 24/192 수준을 지원합니다. 

또한, 또 다른 디지털 인터페이스가 필요해지는데 바로 USB입니다. USB는 표준도 없고 업계 스펙도 각양각색이지만 고음질 음원의 재생에 있어서 반드시 필요해진 스펙이기도 합니다. USB를 통하여 디지털 음원을 DAC로 보내는 기술은 실로 다양하지만, 이 부분의 기술을 제공하는 업체들은 XMOS, 아마네로 등이 있으며 요즘은 XMOS가 가장 강세를 나타내는 듯 합니다.

아날로그 파트는 OPAMP, 디스크리트 또는 진공관을 이용한 방식 등 다양한 방식의 제품이 나오고 있습니다. 여기까지 설명한 내용은 DAC를 만들기 위해서 필요로 하는 칩들로 비 전공자도 쉽게 만들 수 있는 것이 DAC이기도 합니다. 

웨이버사의 W DAC는 USB, 업샘플러, 디지털 인터페이스, 오디오 프로세서까지 모든 부분을 FPGA로 자체 설계하여 개발한 독특한 DAC입니다. W DAC2는 추가로 SHARK DSP가 들어갔으며, W DAC 4세대부터는 DAC칩도 자체적으로 개발하여 적용 할 예정입니다. 

DAC의 Clock(클럭)이란?

계속해서 클럭과 디지털 시스템 그리고 오디오의 관계에 대하여 알아보겠습니다.

클럭은 디지털 시스템의 동작을 위한 기준점이 됩니다. 보다 자세하게 들어가면 클럭은 디지털 기본 소자인 플립플롭이라는 소자의 구동을 위해 필요한 것이며, 통상 데스트탑에 들어가는 CPU는 많게는 억개에 달하는 플립플롭이 사용됩니다. 이러한 플립플롭은 일종의 저장장치로 한 개의 플립플롭 당 한 개의 비트를 저장할 수 있습니다. CPU에서 캐시라고 불리는 공간은 이 플립플롭으로 이뤄진 SRAM입니다.

즉 클럭은 디지털 시스템에서 사용되는 모든 플립플롭을 구동하기 위한 신호라고 보면 되고 디지털 시스템에서 가장 많은 전력을 소모하는 부분 또한 플립플롭입니다. 플립플롭이 전력을 많이 소모한다는 것은 상대적으로 노이즈가 더 많이 발생한다는 이야기도 됩니다.

▲ Femto Clock으로 구성된 DAC

여기서 클럭과 전자파와 관련한 이야기를 해보겠습니다. 클럭과 전자파의 상관관계가 큰것은 이 플립플롭을 구동하는 클럭주파수가 전류를 많이 소모하고 이 전류가 전자파로 나오기 때문입니다. 그래서 많은 전자업체들은 클럭에 일정부분 지터가 포함된 클럭을 사용합니다. 동작에 지장이 없는 한 클럭의 주파수가 흔들리는 것이 전자파의 발생강도를 낮춰주기 때문입니다. 물론 아무리 잘 만든 기기라도 전자파가 상한선을 넘어가면 시중에 판매가 불가하기 때문에 어쩔 수 없는 선택입니다.

반대로 디지털 오디오에서는 이 지터가 광대역 노이즈로 나오기 때문에 전자파의 위협을 감수하더라도 아주 정밀한 클럭을 요구하게 되는 것입니다. 이때문에 디지털 오디오에서는 고급장비로 갈수록 오디오용 특정 주파수의 채배 구간에 협대역으로 강한 전자파가 나옵니다. 이는 가청주파수대의 노이즈를 현저하게 줄여주게되어 음악적으로는 도움이되나 샤시를 전도성 재료로 차폐를 완벽하게 해주어야만 시중에 판매가 가능합니다.

클럭의 업그레이드는 이러한 역할을 하기 위하여 하는 개조의 과정입니다만 당초 제작사의 설계에 부합하는 개조를 하는 것이 바람직하며 아무리 클럭이 정확하다고하여도 때로는 그 정확한 클럭으로 인하여 순간적으로 전류소모가 늘어 시스템이 불안해 지는 경우도 있으니 제작사와 협의하거나 전문가의 도움을 얻어 하시는 것이 좋습니다. 이 말은 무조건 고정밀 클럭으로 좋은 소리를 얻을 수 없다는 것입니다. 클럭의 정밀도와 같은 규모의 클럭 시스템을 가지고 있어야 하는것이 매우 중요합니다. W DAC의 경우 클럭은 모두 고정밀 MEMS를 채택하여 그와 부합하는 오디오 프로세싱을 통해 지터 부분에 대한 근본적인 대비를 하였습니다.

DAC의 Oversampling(오버샘플링)이란?

오버샘플링에 대한 오해와 진실에 대하여 알아보겠습니다. DAC에서 아날로그적인 사운드로 정평이 있는 R-R방식의 버브라운 PCM1704 DAC칩은 많은 오디오 애호가들께서도 잘 알고 계실 것입니다. 이런 종류의 DAC를 NOS(Non Oversampled)라 하여 아직도 대중적인 인기를 얻고 있습니다.

20KHz sine파를 레드북(16/44) 기준으로 제작하면 하나의 sine 주기에 두 개정도의 데이터 밖에 나오지 않게 됩니다. 

그 결과 그림과 같이 NOS DAC는 고주파 영역에서 원래 음원에 포함되어 있지 않은 데이터가 가미되어 다양한 현상이 발생합니다. 하지만 오버샘플링을 한 경우 다음과 같이 데이터가 몇 개 안되지만 실제 완벽한 원음을 복원할 수 있게 되는 것입니다. 

과학적이고 객관적인 사실이지만 그래도 NOS DAC는 아직도 많은 매니아들이 좋아하는 DAC입니다. 이는 해상도는 떨어지지만 가청 주파수를 넘어가는 Embient 구간의 사운드가 미치는 영향이 있고 고역의 비정상적이 재현이 중역에 배음형태로 나타나기도 합니다. 결론적으로 해상도 측면에서는 오버샘플링 DAC가 나은 것은 어쩔 수 없는 사실입니다.

DAC 기술력의 바탕, FPGA 기술

디지털 오디오가 화두로 떠오르면서 자사만의 디지털 솔루션을 기반으로 하는 제품을 개발하기 위하여 총력을 기울이고 있습니다.

반도체 제조는 막대한 비용이 들어가는 사업으로, 특수 오디오 시장을 타겟으로 한 전용 반도체 제조는 일부 큰 기업을 제외하고는 불가능한 것이 현실입니다. 물론 ADC/DAC/SRC 등 비교적 규모가 적고 다양한 오디오 솔루션에 사용되는 칩은 시장이 충분히 커서 다른 상황이지만, 하이엔드 디지털 오디오를 위한 전용 칩의 제작은 그 수요가 많지 않아 현실적으로 제작하기가 쉽지 않습니다. 

FPGA라는 반도체의 생산을 통하지 않고 전용 칩의 설계가 가능한 솔루션에 대하여 소개하고 그 차이점을 알아보고자 합니다. Field Programmable Gate Array의 약자인 FPGA는 공장에서 생산하는 특수목적 칩(ASIC)이 아닌, 설계된 로직을 직접 프로그램해서 원하는 칩으로 동작시키는 독특한 형태의 칩입니다. 이 FPGA는 실제 칩을 생산하기 전에 검증용으로도 많이 사용되고 가전에서도 시제품에 가끔 사용되기도 합니다.

FPGA의 구조는 내부에 로직을 일정크기로 미리 만들어놓고 고속도로와 같은 배선을 미리해두고 연결을 조정하는 방식으로 되어있습니다. 이는 이미 만들어 놓은 로직을 그대로 사용하여 고속으로 동작하며 동시에 사용자가 원하는 로직으로 동작시키기 위해서입니다. ASIC은 이와는 다르게 황량한 실리콘 웨이퍼에 직접 설계한 로직을 심어두는 것입니다. 대신 공간 활용도는 좋습니다.

FPGA와 ASIC의 큰 차이점은 클럭입니다. 오디오에서 클럭의 중요성은 두말할 필요 없이 중요한 것이고 이 부분에서 어떻게 다른지 알아봐야 할 필요가 있습니다. FPGA에는 이러한 클럭 처리를 위해 미리 할당해둔 고속도로와 같은 길이 있습니다. 이 길은 어떠한 로직을 설계해도 동작하도록 미리 만들어둔 거라 아주 안정적이라고 할 수 있습니다. 이 고속도로를 통해 전달되는 클럭은 어떠한 신호보다 안정적이고 칩의 특정 입력핀과 출력핀 사이의 지터에 대한 게런티가 가능해집니다.

ASIC에서는 이러한 클럭이 개발자 몫입니다. 그리고 고가의 개발 소프트웨어가 결정하는 경제적인 방법으로 칩이 만들어지게 되고 클럭 또한 로직이 동작하는데 지장이 없는 수준으로 설계되는 것입니다. 클럭의 운용에 따른 음질의 변화는 개인적으로 튜닝하시는 일반 유저들도 잘 아는 파트입니다. 다만 오디오 전용 칩에서 클럭 관계가 확실하지 않으면 같은 오디오를 처리해도 전체적으로 음악이 가벼워지는 경향이 있습니다. 가벼워 진다는 의미는 포커스가 맞지 않는다 또는 미세한게 흔들린다 또는 지터가 발생했다 정도입니다. 하지만 이러한 작은 차이가 청취자가 느끼기에는 큰 차이로 바뀌게 되어 하이엔드 DAC와 초하이엔드 DAC의 차이를 만들어내게 됩니다. 

이번 시간을 통해 DAC가 어떠한 칩으로 구성되어 있는지, 그리고 클럭은 어떠한 것인지, 마지막으로 최상의 DAC는 어떠한 칩 구성으로 만들어지는지 알아보았습니다. 다음 시간에는 DAC에서 디지털 에러와 해상도, 업샘플링에 대해 자세히 알아보겠습니다. 감사합니다.