組み込みFPGA（eFPGA）技術：ASIC/SoC設計に革命をもたらす

組み込みFPGA（eFPGA）技術は、市販のFPGAチップのように機能する高度に適応可能なソリューションであり、ASICやSoC内でロジックの再構成性を可能にします。

eFPGAはメインストリーム生産段階に入り、ワイヤレスインフラ、人工知能、スマートストレージ、さらにはコストセンシティブなマイクロコントローラまで幅広く採用されています。CPUやDSPと同様にSoCサブシステムとして機能し、1,000〜500,000ルックアップテーブル（LUT）の幅広い規模でハードウェアロジックを動的に再構成できます。

この新興プログラマブル技術についてより深く理解するため、EDNはFlex Logix TechnologiesのIPセールス、マーケティング、ソリューションアーキテクチャ担当VPであるAndy Jaros氏にインタビューしました。2014年設立のFlex Logixは、エンジニアリング負荷を抑えながら高密度FPGAファブリックでロジック再構成性をシンプルに提供すると主張しています。

まず、この技術のルーツについてJaros氏に尋ねました。Arm、ARC、Motorola、Synopsysでのキャリアを持つJaros氏は豊富な業界経験を有します。

歴史：漸進的な進化

LUTをASICに埋め込むアイデアは1990年代に遡りますが、堅牢なツールの欠如により実用的な採用は停滞していました。従来のFPGAはメッシュインターコネクトに依存し、シリコン面積の約80%を消費します。Flex Logix共同創業者のCheng Wang氏は、面積を半分に削減する階層型インターコネクトを開発し、大幅なコストとフットプリント削減を実現しました。同社によれば、そのインターコネクトはメッシュ設計の典型的な70%に対し90%の利用率を達成しています。

図1：eFPGAは様々なバスサイズに容易に最適化可能。出典：Flex Logix

現在：強力な市場採用

Flex LogixのeFPGA IPは非常に汎用的で、幅広いアプリケーション規模をサポートします。スタンドアロンFPGAのように振る舞うため、開発者はわずか数日で任意の規模のアレイをプロビジョニングできます。

Jaros氏はASIC企業からの関心の高まりを指摘します。「FPGA機能をASICに直接統合することで、性能向上、消費電力削減、全体的なシステムコスト削減が可能になる。」これにより、設計チームは高価なディスクリートFPGAを置き換えたり、ユースケースに応じて完全に排除したりできます。

従来ディスクリートFPGAに依存していたシステムインテグレーターも、ASICベンダーと提携してeFPGA IPを採用し始めています。このアプローチにより、スタックの下位層に留まりながら機能展開を加速できます。「自動車OEMやTier-1サプライヤーにおいて、RTL設定可能性を追加する価値は10年前より遥かに高い」とJaros氏は観察します。

ニューラルネットワークアクセラレーターを組み込むハイエンドMCU（通常16,000〜20,000 LUTが必要）もeFPGAソリューションに注目しています。ミックスドシグナル設計者は、フルMCUとそのソフトウェアエコシステムのオーバーヘッドなしで、設定可能なステートマシンを接続できるようになりました。

図2：Flex LogixのeFPGAはEFLX 4Kタイルベースで、全ロジック版と少数のMACユニット付き版の2種類。出典：Flex Logix

将来：ディスクリートFPGAと補完的

eFPGAがディスクリートFPGA市場を食うという誤解があります。実際、IntelとXilinxはデータセンター向けの大規模・高機能FPGAに注力し、CPUサブシステムなどのハイエンド機能をバンドルしています。「eFPGAは彼らのコアビジネスを脅かさない。補完的と見なしており、従来のFPGAベンダーとの競合はない」とJaros氏は述べます。

サプライチェーン管理もドライバーの一つです。独自MCUやASICを持つメーカーは、eFPGAロジックを埋め込むことで、チップ全体を再設計せずにセキュリティアルゴリズムやカスタムコードを入れ替え可能になります。

複数のIPプロバイダーがeFPGAソリューションを提供しており、プロセスノードが180nmから3nmへ縮小するにつれ、設計者は控えめな面積増加と引き換えに、より高い設定可能性を得ることを厭わなくなっています。「今後5〜10年でテープアウトするチップの90%が何らかのeFPGAコンテンツを組み込むようになると予想される」とJaros氏は結論づけます。

>> この記事は元々、姉妹サイトのEDNで公開されました。

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