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あけなおらぶり
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1 今からでも遅くない! FPGA 初心者入門講座 December, 2010 Proprietary to PALTEK CORPORATION 1

2 本日のステップお持ち帰りいただきたいもの 1. FPGA の歴史 / 進化の流れ 2. FPGAの今 3. FPGAの始めかた 2

3 宇宙にもザイリンクス! 2004 年 Virtex-2Pro 火星探査機 Rover 2009 年 Virtex-4FXT ハッブル望遠鏡 2009 年 Virtex-5FXT STS-129 ミッション SPACECUBE Mars Exploration Rover on Mars. (NASA) 3

4 アプリケーションでの採用理由 Walgreens 社用デジタルサイネージ ( ニューヨーク市のタイムススクエア ) AED 社設計費用対効果頻繁な設計変更に対応する柔軟性広帯域データ伝送 (150G バイト /30 秒 ) 4

5 アプリケーションでの採用理由アロカ社超音波診断装置 Prosound α10 Virtex -4SX および EasyPath FPGA 高速 DSP 機能で高精細画像のリアルタイム表示最新機能を追加できるフレキシビリティ量産までの期間短縮 (Time-to-Market) P r o S o u n d α 10 ASIC の再認定コストを不要化 5

6 実アプリケーションでの採用理由 ASTRI 社液晶 TV 用ダイナミック LED バックライト制御 SPARTAN-3A 顧客ごとに異なる仕様に対するフレキシビリティ量産までの期間短縮 (Time-to-Market) ザイリンクスおよび代理店のサポート 6

7 アプリケーションでの採用理由 Miranda Technologies 社 3D 映像対応マルチビューア Kaleido-X16 Virtex-5 新機能をフィールドで追加しシステムをアップグレードエンドユーザー ( 放送局 ) が新モデルの購入不要に製品ライフサイクルの長期化消費電力の削減 7

8 多様な分野で採用されるザイリンクス有線無線通信ネットワーク放送映像医療機器産業用電子機器自動車産業航空宇宙民生機器など 8

9 2010 カスタマーイノベーション特別号 /publications/index.htm 9

10 FPGA 入門講座 1. FPGAのポジションと進化 2. FPGAのしくみは? 3. なぜFPGAを使うの? 4. FPGAを使うために 10

11 FPGA の位置づけ FPGA のポジションと進化半導体集積回路ディスクリートハイブリッド IC IC モノリシック IC IC ダイオードトランジスタガリウムヒ素 IC IC シリコンシリコンICIC バイポーラ IC IC MOS MOS IC IC MOS MOSメモリ MOS MOSロジック続く 11

12 FPGA の位置づけ FPGA のポジションと進化 MOS MOS ロジック標準デバイスカスタム IC IC 標準ロジック ASSP ASSP PLD PLD セミカスタム IC IC (ASIC) (ASIC) フルカスタム IC IC SPLD (Simple) (Simple) CPLD (Complex) (Complex) FPGA ゲートゲートアレイアレイストラクストラクチャード Field Programmable Gate Array カスタム化が可能なデバイスセルセルベースベーススタンダードセードセル 12

13 FPGA の位置づけ FPGA のポジションと進化 MOS MOS ロジック標準デバイスカスタム IC IC 標準ロジック ASSP ASSP PLD PLD セミカスタム IC IC (ASIC) (ASIC) フルカスタム IC IC SPLD (Simple) (Simple) CPLD (Complex) (Complex) FPGA IC 購入後にプログラム CPU/DSPと同じゲートゲートストラクストラクセルセルアレイアレイチャードベースベーススタンダードセードセル半導体工場でカスタマイズを実現 13

14 製造工程の削減 ASIC 製造 FPGA FPGA 設計データ // 変更可能トランジスタの作りこみ配線組み立てデバイステスト ASIC 製造期間が不要機器組み込み設計データ開発期間の短縮設計データスタンダードセルゲートアレイ出荷後のアップグレードも可能 14

15 フリーマン特許カーター特許 FPGA のポジションと進化特許番号 : US RE34363 発明者 : Ross H. Freeman 特許内容 : FPGAの基本アーキテクチャに関する発明特許番号 : US 発明者 : William S.Carter 特許内容 : コンフィギャブルなロジックエレメントの内部接続に関する発明 15

16 FPGA 簡易年表 FPGA のポジションと進化 1984 年 --- Ross Freeman 考案のSRAMベースの FPGAでXilinx Inc. 創設 ( 米国サンノゼ ) 1985 年 --- 初のSRAMベースFPGA XC2064シリーズをリリース 1985 年 2010 年 --- Xilinx がマーケットシェア最大の FPGA メーカー 2.5ミクロンルール 8 万 5 千個のトランジスタ 40nm 25 億個のトランジスタ 2010 年 16

17 FPGA 進化のターニングポイント 1998 年前後 : メモリー搭載 2001 年前後 : DSPブロック搭載プロセッサ 2002 年前後 : SerDes 搭載 FPGA のポジションと進化 17

18 Virtex-6: 高機能高性能 FPGA データ保持データ転送データ処理 18

19 Spartan-6: 低コストシステムの実現データ保持データ転送データ処理データ転送 19

20 FPGA の進化早見表 FPGA のポジションと進化 1000x ザイリンクス FPGA 20 年間の技術進化 XC4000 & Spartan 600 倍の集積度 100 倍の高速性 100x Virtex-4 Virtex-6 1/150の低電力化 1/1000の低コスト化 10x CLB 容量性能消費電力 /MHz 価格 Virtex Virtex-E Virtex-II & Viterx II Pro Virtex-5 Spartan-2 1x XC4000 Spartan-6 Spartan-3 '91 '92 '93 ' 94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 Year 20

年 3 月 ) Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC

21 プログラマビリティが時代の潮流に件数 ASIC 開発件数予測 FPGA のポジションと進化出典 : Gartner Market Trends - ASIC Design Starts, 2009 (2009 年 3 月 ) Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC Semiconductor Designs, but not Moore s Law (2009 年 12 月 ) 21

22 プログラマビリティが時代の潮流に件数 FPGA のポジションと進化 FPGA 開発件数予測 CPU コア搭載 CPU コアなし出典 : Gartner Market Trends - ASIC Design Starts, 2009 (2009 年 3 月 ) Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC Semiconductor Designs, but not Moore s Law (2009 年 12 月 ) 22

プログラマブルは不可避 FPGA のポジションと進化件数 120,000 100,000 80,000 FPGA 開発件数予測 CPUコア搭載 CPUコアなし約 80,000 件 60,000 40,000 20,000 0 20,000 ASIC 開発件数予測約 2,000 件出典 : Gartner

23 プログラマブルは不可避 FPGA のポジションと進化件数 120, ,000 80,000 FPGA 開発件数予測 CPUコア搭載 CPUコアなし約 80,000 件 60,000 40,000 20, ,000 ASIC 開発件数予測約 2,000 件出典 : Gartner Market Trends - ASIC Design Starts, 2009 (2009 年 3 月 ) Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC Semiconductor Designs, but not Moore s Law (2009 年 12 月 ) 23

24 FPGA 入門講座 1. FPGAのポジションと進化 2. FPGAのしくみは? 3. なぜFPGAを使うの? 4. FPGAを使うために 24

25 最新 FPGA の構造 CLB CLB SLICE SLICE 6 入力 LUT SW CLB CLB IOB 配線 CLB FPGA モデル DSP ブロック RAM SLICE SERDES 25

26 システム構成概念ビットストリームファイル CPU/DSP 外部記憶メディア ( プログラムメモリ ) FLASH メモリ ROM CPU DSP ネットワーク PA Q B C CPU D Xilinx FPGA DA DDR メモリシステムコンポーネント CPU や DSP のブートと同じイメージのプログラムローディングがある AD 26

27 デザインフロー 27

28 デザインフローデザイン入力 ( コーディング ) 組み込みシステムのデザインフローに類似コンパイルビットストリーム実行ファイル生成ダウンロード

29 FPGA 入門講座 1. FPGAのポジションと進化 2. FPGAのしくみは? 3. なぜFPGAを使うの? 4. FPGAを使うために 29

30 市場の要求に対するお客様の悲鳴なぜ FPGA? 1) 価格 2) 品質 3) 多様化 4) 技術進化のスピード 5) 製品ライフ全てを優先することはほぼ不可能これらを妨げるものは??? 30

31 ASIC 開発費の高騰化 4 65nm なぜ FPGA? 3 億 6000 万円 3 90nm セルベース億円 2 億 5000 万円 nm 6000 万円 2000 万円 1200 万円 130nm 1 億 5000 万円 5000 万円 3000 万円 8300 万円 5000 万円マスタスライス 1 億 2000 万円 7200 万円出典 : 日経エレクトロニクス no.855 FPGA は IC の開発費用は不要 FPGA 31

32 類似機種の垂直立ち上げなぜ FPGA? 6 カ月以内の垂直立ち上げ複数の機種を同時に立ち上げるには? ASSP Memory 機種間の差別化標準化が確立していないインターフェイスが機種により異なるソフトで実現するかハードで実現するか ASSP Model-A ASSP Model-B ASSP uc ASSP Memory Model-C ASSP uc Memory uc FPGA が機種間の機能差を吸収ベース基板のプラットフォーム化で生産を効率化 32

市場ピーク (Time in Market Advantage) 第一参入者の利益確保フィールドアップグレードで利益拡大

がフィールドアップグレード企業 B * SOURCE: CURRENT AND EMERGING EMBEDDED

33 1 位でなければなぜ FPGA? 市場投入が6ヶ月遅れることでその後の5 年間で33% の利益を損失する 4 週間遅れる毎に 14% のマーケットシェアを失う市場ピーク (Time in Market Advantage) 第一参入者の利益確保フィールドアップグレードで利益拡大市場参入の遅れで利益減少市場の開始ザイリンクス製品での市場参入期間市場の終焉企業 A 企業 A がフィールドアップグレード企業 B * SOURCE: CURRENT AND EMERGING EMBEDDED MARKETS AND OPPORTUNITIES ELECTRONICMARKET FORECASTERS SOURCE: MCKINSEY & CO., # SOURCE: JOHN CHAMBERS WINDRIVER SYSTEMS, INC.t 33

34 ムーアの法則のその先には? なぜ FPGA? 外界とのインターフェイス音声 FPGA 画像多数のセンサープロセス技術アナログデジタル橋渡し出展 :International Technology Roadmap for Semiconductors 2009 Edition 人間や環境をシステムに繋ぐインターフェイスの多機能化 IC プロセス技術の進化 34

35 開発者のチャレンジなぜ FPGA? 開発者のチャレンジを包括的に支援するプラットフォーム FPGA 35

36 FPGA の優位性トータルコストなぜ FPGA? プロセスの進化により ASIC 開発費用は高騰し, FPGA デバイスコストは低下するので分岐点が右へ移動する Total cost over time 開発費用 + デバイスコスト ASIC トレンド FPGA トレンドプロセス進化による追加 ASIC コスト : NRE 費用の高価格化プロジェクトの 18% が 5 ヶ月以内にキャンセルされる 58% のプロジェクトは市場参入の遅れから総出荷数が減少する ASIC の開発サイクルでは長すぎる市場がある Total Units 微細化で損益分岐点移動 Source: Current and Emerging Embedded Markets and Opportunities ElectronicMarket Forecasters 36

37 DSP と FPGA の使い分け DSP (Digital Signal Processor) シーケンシャル処理なぜFPGA? FPGA 完全なパラレル処理係数 192 クロックサイクル必要 Data In X + Reg Data Out MAC ユニット 1GHz = 192 クロックサイクル 5.2 MSPS Data In C0 X Reg C1 XC0 1 クロックサイクルに 192 動作 Reg C2 X + Reg C3 Data Out X C MHz 0MHz = 1 クロックサイクル MSPS Reg X 192 タップフィルタは FPGA が 100 倍以上高速 37

38 FPGA プロセッサなぜ FPGA? 市販 CPU/ASSP: ディスコンの心配入手性ペリフェラルが限定なぜ FPGA プロセッサか部品リスト削減 : 既存 FPGA+CPUシステム=>1チップ特殊な使い方をしたい : マルチプロセッサ / 自由なペリフェラル選択長期利用が可能多品種少量 38

39 FPGA プロセッサなぜ FPGA? プロセッサ on FPGA 例 MicroBlaze(8KB Iキャッシュ ) SDRAMコントローラ外部メモリコントローラシステムタイマー割り込みコントローラ LED 制御 GPIO GPIO ブロックRAM(8KB) コンソール用 UART FPGA プロセッサ検討のタイミング OSを新たに採用する場合 ( マルチタスク化ファイルシステム追加ネットワーク化 ) OSを変更する場合 (ITRONからLinuxに変更したい=ネットワーク化 Linuxソフト資産活用 ) 39

40 FPGA を使う理由 ~ まとめ ~ なぜ FPGA? 量産立上げ直前まで設計変更が可能 Time-to-Market 量産立上げ後にデザインのアップデートが可能 Time-in-Market 標準品在庫管理が容易開発費用 :0 円から低価格 FPGA が量産使用を可能にした手許で簡単にアイデアを試すことが可能デザイン変更アップデートの容易性幅広い集積度レンジ機能が豊富 I/O メモリ乗算器 SerDes CPU IP DSP 機能等最新規格との容易なインターフェイス 40

41 FPGA 入門講座 1. テクノロジーの進化の流れ 2. FPGAのしくみは? 3. なぜ彼はFPGAを使うの? 4. FPGAを使うには? 41

42 何から始めるのか? 1. まずFPGAを試しに動かす 2. FPGAの詳細を知る 3. FPGAの設計手法を習得する 4. 資料 / チュートリアルを入手する 42

43 ザイリンクス FPGA 講座オンラインザイリンクスについて 43

44 とにかくまず試してみたいという方は評価ボードを入手 Spartan-6 評価ボード SP601 評価キット特殊電子回路 ( 株 ) ザイリンクス社 44

45 Virtex-6 FPGA 評価ボード組み込みシステム PCIe x8 DSP 放送機器 Spartan-6 汎用ボード PCIe 産業用イーサネット放送機器用ビデオ民生用ビデオ 45

46 FPGA 評価ボード PALTEK Board 46

47 FPGA トレーニングの流れ 47

48 開発ツールトレーニング毎月開催中 48

49 Virtex-6 設計ガイドラインセミナー 49

50 Spartan-6 設計ガイドラインセミナー 50

51 ザイリンクスの提供するトレーニング 51

52 ザイリンクスの提供するトレーニング生産性の向上リスクの低減短時間で効果的な設計知識を習得設計時間のサイクルを短縮最新テクノロジの導入時間を短縮サポートへの依存およびコストを低減市場投入時間 (Time To Market) を短縮さらに進んだイノベーションおよびデザイン機能リソーストレーニング受講者トレーニングなし Xilinx Xilinx Training Time Time to to Market Market 最少リソースで最短設計コスト効率化時間最少リソースで最短の結果を! 52

53 各種日本語ノウハウ資料代理店オリジナル技術データベース技術資料を製品別 / 設計工程別で掲載日本語で書かれた各種マニュアルやチュートリアル ( 演習データ付き ) 53

54 もっと詳しく知りたい方は本会場のブースで ISE( 開発ソフトウェア ) のデモを見る E-26 ザイリンクス PALTEK 54

55 FPGA の将来 55

56 FPGA の将来プロセッシングプラットフォーム 56

57 最後に FPGAは独自性 / ユニークを求めてチャレンジする開発者のプラットフォームです 57

58 革新性と機動力製品差別化 Innovation with Xilinx ご質問はザイリンクスの展示ブース E-26 へどうぞ 58

59 よく使われる用語 FPGA( エフピージーエー ) Field Programmable Gate Array PLD( ピーエルディー ) Programmable Logic Device IOB( アイオービー ) Input Output Block CLB( シーエルビー ) Configurable Logic Block CLB 内部には複数の SLICE が存在 SLICE( スライス ) LUT を複数まとめた機能ブロック ( デバイスにより LUT 数は異なる ) LUT( エルユーティー ) Look Up Table (SRAM 型 FPGA の基本論理セル ) DLL( ディーエルエル ) Delay Locked Loop MGT( エムジーティー ) Multi-Gigabit Tranceiver SelectRAM( セレクトラム ) LUT をユーザに開放した RAM BlockRAM( ブロックラム ) FPGA の内部に装備された RAM モジュール IP Immersion( アイピーイマージョン ) Xilinx 社の IP 埋め込み技術の一つ SERDES( セルデスあるいはサーデス ) Serializer Deserializer の略 RocketIO( ロケットアイオー ) Xilinx 社の高速シリアル IO で Clock Data Recovery 機能を有する SERDES の機能を持つ ISE( アイエスイー or アイス ) Integrated Software Environment ザイリンクスの開発ツール名 GA ( ゲートアレイ ) Gate Array ASIC( エイシック ) Application Specific IC ASSP( エイエスエスピー ) Application Specific Standard Products NRE( エヌアールイー ) Non-Recurring Engineering Cost 開発コスト 59

60 ご静聴ありがとうございましたご質問等は弊社ブースでどうぞ japan.xilinx.com Innovation with Xilinx! 60

プログラマブル論理デバイス

第 8 章プログラマブル論理デバイス大阪大学大学院情報科学研究科今井正治 E-mail: imai@ist.osaka-u.ac.jp http://www-ise.ist.osaka-u.ac.jp/~imai/ 26/2/5 26, Masaharu Imai 講義内容 PLDとは何か PLA FPGA Gate Arra 26/2/5 26, Masaharu Imai 2 PLD とは何か