FPGA とプログラマブルロジックの紹介

このビデオは、FPGA とプログラマブルロジックテクノロジに関する紹介プレゼンテーションです。この 45 分間の講演は、2019 年 11 月 19 日にタイのバンコクで開催された 7 Peaks Software 主催のイベントで行いました。

プレゼンテーションのハイライトは次のとおりです。

05:07 FPGA を使用しているのは誰?
09:06 FPGA とは?
12:13 静的 RAM を使用して論理ゲートをエミュレートする方法
17:47 一般的な FPGA プリミティブ
19:51 最も安価で最も高価な FPGA
20:53 FPGA のフロアプラン
24:30 VHDL
28:05 合成と配置配線
30:50 ソフトコア
33:15 ハイブリッド FPGA / CPU (Zynq-7000)
36:44 FPGA の長所と短所
40:28 FPGA を含む製品の例
45:18 VHDLwhiz.com の無料学習リソース

FPGA を使用しているのは誰ですか?

FPGA テクノロジには幅広いアプリケーションがあります。宇宙の人工衛星からウォール街のトレーディングロボットまで、さまざまな製品がプログラマブルロジックを利用しています。ここでは、FPGA のヘビーユーザーであることが知られている業界をいくつか紹介します。

防衛

防衛産業は、カスタム FPGA 実装の恩恵を受ける絶好の立場にあります。彼らは多額の資金と品質に対する高い要求を持っています。軍用グレードの機器は、消費者および産業用グレードよりもはるかに優れた信頼性の高いエンジニアリングの層であるため、製品の仕様リストはしばしば極端です.彼らの予算は常に高く、時には事実上無制限であり、政府の支援などの安定した資金源から来ています。

上記のすべてが、FPGA が防衛アプリケーションに多く使用される理由です。兵器だけでなく、無線通信機器や試験装置などにも。私は業界で働いてきました。防衛産業における FPGA エンジニアとしての私の経験について詳しくは、こちらをご覧ください。

スペース

FPGA は、宇宙産業全体で広く使用されています。それらが衛星に適している理由はたくさんあります。それらは本質的に低電力であり、耐放射線性を持たせることができ、CPU やマイクロコントローラーで実行されるソフトウェアよりも FPGA の正確性を検証する方が簡単です。

宇宙での多くの電子設計は、インターフェイス制御、センサーデータの読み取り、信号処理、または制御システムなど、FPGA に適したタスク用です。さらに、宇宙用途は、航空宇宙産業の標準と同じ信頼性要件に該当することがよくあります。

航空宇宙

航空宇宙産業は、宇宙産業と同じ理由の多くで FPGA を愛用していますが、最も重要なのは、ソフトウェアよりも FPGA の正確性を検証する方が簡単だからです。

コンピュータプログラムが意図しない結果をもたらさないことを証明することは困難であり、時間がかかります。航空機搭載システムの国際規格は、航空機で使用される電子機器が厳格な検証要件に従うことを義務付けています。

ソフトウェアはDO-178C航空規格に準拠する必要がありますが、FPGAは航空機搭載電子ハードウェアのDO-254設計保証ガイドに該当します。ほとんどの場合、ハードウェア標準の要件を満たす方が、対応するソフトウェア実装よりも簡単で安価です。

自動車

自動車メーカーは、FPGA をトラックのディーゼルエンジンのモーター制御や自動運転システムなどに使用しています。最近の自動車では、FPGA で高速化された通信およびエンターテイメントシステムを見つけることさえできます。

さらに、電気自動車やハイブリッド車はモーター制御タスクに FPGA を使用する可能性があります。三相誘導モーターは、モーターが回転するときに磁場の厳密なタイミング制御を必要とします。不正確さは、電力効率の低下につながります。

テレコム

通信インフラストラクチャは、多くの FPGA テクノロジを利用しています。すでに述べたように、FPGA は通信衛星などの宇宙アプリケーションの標準です。通信業界での FPGA のその他の用途には、ネットワークルーターや無線基地局が含まれます。

携帯電話などの民生用通信機器の場合、FPGA はそれほど一般的ではありません。携帯電話のカスタムソリューションでは、FPGA よりも ASIC を目にする可能性が高くなります。 ASIC 生産の初期コストは FPGA よりもはるかに高くなりますが、携帯電話の販売量が多いため、依然として経済的です。

データセンター

大手 4 テクノロジー企業はすべて、自社のデータセンターで使用するカスタム FPGA ソリューションを開発しています。このように大量のデータを低レイテンシで処理するには、FPGA が不可欠です。

彼らが FPGA でどのような問題を解決しているかについての詳細を見つけるのは困難です。それでも、求人情報などの状況証拠から判断すると、FPGA に大きく依存していることは明らかです。 Amazon AWS、Microsoft Azure、Google、Facebook などのサービスはすべて FPGA によって可能になっています。

高頻度取引

アルゴリズムの高頻度株式市場取引 (HFT) は、競合他社よりも速く数値を処理することがすべてです。これらの活動に従事する企業は、処理パイプラインのレイテンシを短縮するために全力を尽くしています。

彼らのサーバーは物理的に証券取引所の近くにあり、お金で買える最速のコンピューターハードウェアに投資しています。競合他社が CPU と GPU を使用している場合、FPGA に目を向けます。その後、受信した市場データの統計分析をわずかに高速化して、より多くの利益を上げることができます。

仮想通貨マイニング

FPGA は、ここ数年で主流の IT コミュニティの間でルネッサンスを経験しました。ビットコインの誇大宣伝により、多くの一般の人々が FPGA について耳にするようになりました。

暗号通貨マイニングの経済性は、電気代の管理にかかっています。利益を上げるには、コインをマイニングするために支払った電気代よりも価値がなければなりません。

通常、カスタム FPGA ソリューションは、CPU や GPU で実行されるアルゴリズムよりも電力効率が高くなります。ここ数年で、多くのクラウドファンディングによる FPGA マイナーボードが登場しました。

FPGA を含む製品の例

FPGA は、民生用電子機器ではあまり見られません。それでも、その例はたくさんあります。ここでは、FPGA を含む、聞いたことのある製品をいくつか紹介します。

HTC Vive

この分解からわかるように、この VR ヘッドセットは 3 つの Lattice FPGA を使用しています。この設計における FPGA の目的は不明です。

ただし、これらは比較的容量の少ないデバイスであるため、画像処理ではなく、インターフェイスの制御またはセンサーの読み取り用であると推測できます。

Google Waymo

Google の自動運転車は FPGA テクノロジーで動作しています。プロジェクトはまだ開発段階にあり、FPGA はプロトタイピングに最適です。

参照記事では、FPGA を「センサー処理」に使用していると述べています。これは、自動車に搭載されている LiDAR システムである可能性があります。

iPhone 7

携帯電話に FPGA が搭載されていることはめったにありません。 ASIC は通常、モバイルハンドセットの生産量が多いため、より経済的です。それにもかかわらず、iPhone 7 は FPGA を使用しています。

リンクされた記事は、それが何らかの新しい人工知能 (AI) 機能のためのものである可能性があることを示唆しています。おそらく、Apple はこの特定のハードウェアを完成させておらず、無線 (OTA) ハードウェアアップデートをこのチップにプッシュする可能性を必要としていたのでしょう。これは FPGA の革新的な使い方です。

アップルアフターバーナー

Apple のハイエンドグラフィックアクセラレータカードは、最大 3 つの 8k ProRes RAM ビデオストリームをリアルタイムで同時にレンダリングできます。

興味深いことに、FPGA を使用して重労働を実行します。画像処理は、FPGA が非常に得意とする分野です。 GPU では 8k ビデオを十分に高速に処理できなかったため、カスタムソリューションを作成する必要があったのかもしれません。

Nvidia G-Sync

Nvidia G-Sync カードは、グラフィックカードからの出力を画面のリフレッシュレートに同期します。 PC ゲーマーであれば、この問題に対する Nvidia のソフトウェアソリューションである V-Sync について聞いたことがあるかもしれません。

フレームレート同期は、ハードウェアで実行するのは簡単ですが、ソフトウェアで実行すると多くの CPU を消費するタスクの例です。

サイジレントオシロスコープ

Sigilent SDS 1202X-E は、200MHz、2 + 1 チャンネルのオシロスコープです。 EEVblog による分解では、Xilinx Zynq-7000 ハイブリッド CPU/FPGA がその動力源であることを明らかにしています。

Zynq-7000 チップには、2 つのハード ARM CPU と 1 つのオンチッププログラマブル FPGA パーツがあります。 Zynq を使用する利点は、処理システム (PS) 部分で Linux を実行できることです。 Linux では、高レベルの GUI ライブラリをすべて使用して美しいユーザーインターフェイスを作成できます。

同時に、チップのプログラマブルロジック (PL) 部分でカスタムロジックを使用することにより、センサーデータを高速でサンプリングできます。 PS 部分と PL 部分の間の相互接続は、同じシリコンダイ内にあるため、非常に高い帯域幅を備えています。全体として、高性能のモノのインターネット (IoT) アプリケーションを作成するための優れたチップです。

UltraMiner FPGA

UltraMiner は、長年にわたって登場してきた多くのクラウドファンディング FPGA マイナーの 1 つです。この記事の執筆時点では、資金調達キャンペーンはまだ進行中です。

プロジェクトページのセールスポイントによると、GPU マイナーの 4 倍のエネルギー効率があります。

小石の時間

Pebble は、2012 年に Kickstarter キャンペーンを通じてクラウドファンディングされた初期のスマートウォッチです。LCD の制御に小さな FPGA を使用しています。

Pebble を所有している場合は、常に FPGA を手首に装着して歩き回っています。 Pebble を制御するためのファームウェアはオープンソースであり、FPGA に接続するためのコードは GitHub のリポジトリにあります。

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