FPGA(Field Programmable Gate Array)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

FPGA(Field Programmable Gate Array)とは
FPGAの構成要素と動作原理
FPGAを構成するロジックブロックと配線資源
ルックアップテーブル(LUT)とフリップフロップ(FF)の役割
FPGAのプログラマブルスイッチによる回路の構成
FPGAのプログラミングとデザインフロー
FPGAのプログラミングに使用されるハードウェア記述言語(HDL)
FPGAデザインフローの主要ステップ
FPGAプログラミングにおける合成ツールの役割
FPGAの応用分野と利点
FPGAが広く活用されている主な応用分野
FPGAのASICに対する利点
FPGAの並列処理能力がもたらす高速性
参考サイト

FPGA(Field Programmable Gate Array)とは

FPGAとはField Programmable Gate Arrayの略称で、プログラムによって内部の回路を自由に変更できる集積回路のことを指します。FPGAはプログラマブルロジックデバイス(PLD)の一種であり、ユーザーが求める機能を実現するためにハードウェアの設計を変更できる特徴があります。

FPGAは多数のロジックブロックと、それらを接続する配線資源から構成されています。ロジックブロックにはルックアップテーブル(LUT)、フリップフロップ(FF)、メモリなどが含まれており、これらを組み合わせることで様々な論理回路を実現できます。

FPGAのプログラミングにはハードウェア記述言語(HDL)が使用されます。代表的なHDLとしてはVHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)やVerilog HDLがあります。これらの言語を用いて回路の動作を記述し、合成ツールによってFPGA上に実装します。

FPGAはASICと比較して開発期間が短く、低コストで柔軟性の高い設計が可能という利点があります。また、並列処理に適しているため、高速な信号処理が求められる分野で広く活用されています。

FPGAの主な用途は通信機器、医療機器、航空宇宙分野、自動車、産業用機器などの組み込みシステムや、プロトタイピング、アルゴリズムの検証、ニューラルネットワークの実装など多岐にわたります。FPGAは技術の進歩とともに更なる高性能化と低消費電力化が進んでおり、今後も幅広い分野での活用が期待されています。

FPGAの構成要素と動作原理

FPGAの構成要素と動作原理に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

FPGAを構成するロジックブロックと配線資源
ルックアップテーブル(LUT)とフリップフロップ(FF)の役割
FPGAのプログラマブルスイッチによる回路の構成

FPGAを構成するロジックブロックと配線資源

FPGAは多数のロジックブロックと、それらを接続する配線資源から構成されています。ロジックブロックは論理回路を実現するための基本的な要素であり、LUTやFFなどが含まれます。

配線資源はロジックブロック間の接続を柔軟に行うための配線網です。プログラマブルスイッチによって、配線資源の接続を自由に変更できるため、様々な回路構成が可能になります。

ロジックブロックと配線資源の組み合わせにより、FPGAは高い柔軟性と並列処理能力を実現しています。これらの構成要素を適切に設計することで、目的に応じた最適な回路を構築できます。

ルックアップテーブル(LUT)とフリップフロップ(FF)の役割

ルックアップテーブル(LUT)はFPGAのロジックブロックに含まれる重要な要素の一つです。LUTは入力に対する出力の真理値表を格納したメモリであり、任意の組み合わせ論理回路を実現できます。

フリップフロップ(FF)はLUTと組み合わせて順序回路を実現するために使用されます。FFはクロック信号に同期して動作し、入力データを一時的に保持する機能を持ちます。

LUTとFFを組み合わせることで、FPGAは組み合わせ論理回路と順序回路の両方を柔軟に実装できます。これにより、様々な機能を持つ回路をFPGA上に構築することが可能になります。

FPGAのプログラマブルスイッチによる回路の構成

FPGAのプログラマブルスイッチはロジックブロック間の接続を制御する重要な要素です。プログラマブルスイッチはSRAMセルやアンチヒューズなどの技術を用いて実現されています。

プログラマブルスイッチの状態を変更することで、ロジックブロック間の接続を自由に設定できます。これにより、FPGAは目的に応じた回路構成を柔軟に実現できるのです。

FPGAのプログラミングではHDLを用いてロジックブロックの機能と配線資源の接続を記述します。合成ツールがこの記述を解析し、プログラマブルスイッチの設定を生成することで、目的の回路がFPGA上に実装されます。

FPGAのプログラミングとデザインフロー

FPGAのプログラミングとデザインフローに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

FPGAのプログラミングに使用されるハードウェア記述言語(HDL)
FPGAデザインフローの主要ステップ
FPGAプログラミングにおける合成ツールの役割

FPGAのプログラミングに使用されるハードウェア記述言語(HDL)

FPGAのプログラミングにはハードウェア記述言語(HDL)が使用されます。代表的なHDLとしてはVHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)やVerilog HDLがあります。

HDLは回路の構造や動作を抽象化したレベルで記述するための言語です。HDLを用いることで、FPGAの内部構造を直接操作することなく、目的の回路を設計できます。

HDLの記述はモジュールと呼ばれる階層構造を持ち、各モジュールは入出力ポートと内部の動作を定義します。HDLの文法に従って回路の動作を記述することで、FPGAに実装可能な形式でデザインを表現できます。

FPGAデザインフローの主要ステップ

FPGAデザインフローはHDLによる回路設計から、FPGA上での実装までの一連の流れを指します。主要なステップは以下の通りです。

1. 設計入力：HDLを用いて回路の機能と構造を記述します。 2. 機能シミュレーション：HDLシミュレータを用いて、設計した回路の動作を検証します。 3. 論理合成：HDLの記述を論理ゲートレベルの回路に変換します。 4. 配置配線：論理合成された回路をFPGAのロジックブロックと配線資源に割り当てます。 5. タイミング解析：回路のタイミング制約を満たすことを確認します。 6. ビットストリーム生成：FPGAのプログラマブルスイッチの設定情報を生成します。 7. FPGA実装：ビットストリームをFPGAに書き込み、回路を実装します。

これらのステップを経ることで、HDLで設計した回路がFPGA上で動作可能な形式に変換され、実際のハードウェアとして機能するようになります。