FPGA とは？
FPGAとは、プログラムで機能を変更できる集積回路です。 自社の用途に合わせて製品を使用することができるため、幅広く応用が利くICです。 また、マスクを制作する工程が必要ないため、設計期間とコストは他のICと比較しても短く、 製造コストはかかりません。プログラムの書き換えは、製造後～基板に実装した後、 最終製品を出荷した後でも、いつでも可能となっているので非常にフレキシブルであるといえます。 ペリフェラルなどの周辺機器の搭載されたFPGA評価ボードが1枚あれば、内部の論理回路を書き換えることで、 様々な用途に応用することができ非常に汎用性が高いです。
FPGA・CPU・ASICの違い
FPGAとCPUとASICのメリット・デメリットをマトリックスにすると以下のようになります。
| 項目 | FPGA | CPU | ASIC |
|---|---|---|---|
| 価格 | △ | ○ | ◎ |
| 開発費 | ◎ | ◎ | △ |
| 消費電力 | △ | △ | ◎ |
| 熱対策 | △ | △ | ◎ |
| ゲート規模 | ◎ | ○ | ○ |
| メモリ容量 | ◎ | ○ | ○ |
| 速度 | ◎ | ○ | ○ |
| 設計方法 | ◎ | ◎ | ○ |
| 仕様変更 | ◎ | △ | △ |
| 製造TAT | ◎ | ◎ | △ |
| インスタントオン | △ | △ | ◎ |
| 小型外形 | △ | ◎ | ◎ |
- FPGAは、Verilogなどのハードウェア記述言語(HDL)によって回路構成をプログラムできるため、 仕様変更が容易で、高速な並列計算が得意な集積回路です。 データ処理やディープラーニングなどに向いています。
- CPUは、汎用性に特化した回路で、どんなタスクでもこなせる集積回路です。 メモリ内に実行プログラムを入れて自由に計算できます。 製造時点でどんな作業をさせられるかわからない場合に使えますが、消費電力が高く、並列計算には弱いです。
- ASICは、特定の機器や用途のために最適化された集積回路です。 回路を最適化できるため、チップ単価や消費電力が低くなります。 一度開発すると修正ができませんが、仕様が確定していて大量生産で小型化する場合に向いています。
FPGA設計のポイント
FPGAは、複雑な演算のため従来の回路構成では処理が追い付かない、 また現場で回路構成に変更を加えられないといった課題を解決できます。 FPGA設計によって、特殊な演算の高速処理や、現場の事情に即した細かい制御調整が可能になります。
FPGA設計フロー
FPGA設計フローは以下のような工程からなります。
- 回路設計（デザインエントリ）
HDLや回路図エディタを使って、実現したい機能や回路を設計します。 - 論理シミュレーション
シミュレータソフトウェアを使って、設計した回路の動作が仕様通りかどうか確認します。 - 制約の設定
タイミング制約や物理制約（ピン配置）を指定します。 - 配置配線
開発ソフトウェアが自動的にロジックブロックの配置や配線経路を決定します。 - タイミング解析
配置配線後のタイミング制約や遅延時間を解析し、最適化します。 - コンフィギュレーションデータ生成
配置配線後の回路情報からコンフィギュレーションデータ（ビットストリーム）を生成します。 - コンフィギュレーション
生成したコンフィギュレーションデータをFPGAへ書き込みます。 - 実機動作検証
評価ボードや実際の基板上でFPGAの動作確認を行います。
ディー・クルー・テクノロジーズのFPGA設計の特長
ディー・クルー・テクノロジーズでは、FPGAの設計開発経験が豊富なエンジニアチームによる以下のFPGA設計サービスを提供しています。
- EOLなどで改版を希望する回路基板のフィジビリティスタディ
- FPGAへのIPポーティングおよびFPGA向け新規IPコア開発
- FPGA評価ボード開発
- FPGAからASICへの移行開発
FPGA設計による課題解決例
●事例1 FPGAによる大規模演算の開発事例
課題
ある案件にて大規模な演算を高速で行いたいという課題がありました。単純な演算であれば通常GPU を使用して高速化を図るのが一般的であるものの、このケースでは演算器が多数必要な複雑な演算であり、GPUには向かないものでした。
解決策
当社ではその演算の高速化をFPGA を使って実現しました。PCI Expressカード上のFPGAに、演算ブロックを実装した結果、FPGAと従来のGPUとの演算時間を比較したところ、約14～15倍程度の向上がみられました。
またFPGAには、大規模演算に必要な要素ブロックであるAPI、演算器、PCIe、制御、Clockがすでに開発済みであるため、今後の開発は短期間で行うことが可能です。
●事例2 レーザープリンタ向けデータ転送基板の開発事例
課題
ある企業のレーザープリンタ開発において、印刷データを高速伝送し印紙にずれなく高速印刷したいが、印刷データと印紙ローラー、プリンタヘッドの同期制御を行う技術が弱く、仕様の明確化が困難で開発を実施できていませんでした。そこで基板、デジタル設計、ファームウェア設計技術を持つエンジニアに相談したいと考えていました。
解決策
当社では、印刷ライン制御用PCからの印刷データをリアルタイムに制御。現場で微調整を行いながら、印刷機械の紙送り装置とプリンタヘッドのレーザー発射タイミングを同期させ、超高速印刷を実現しました。
このプリンタヘッド内の制御基板とコントローラー内の印字画像データ転送基板、印刷ライン制御用PC内のPCI基板に、FPGAを用いています。