FPGAはどのようにして生まれたのか

みなさんが日常を過ごしていて感じる周りの環境。例えば、街頭の様々な音、人々の話し声、太陽の光、ネオン、気温、室温などなど…何気なく感じているものを電子の世界で処理するために、数値に変換する仕組みがデジタル回路です。デジタル回路はAND（論理積）、OR（論理和）、NOT（論理反転）の論理回路で構成されています。これらの基本的な回路を組み合わせることで、レジスタ、フリップフロップなどの小規模構成の汎用ロジックICが様々な回路で動作します。
汎用ロジックICは、1960年後半にテキサス・インスツルメント（Texas Instruments）社の技術が幅広く使用されるようになり、世界の半導体業界へ爆発的に広まっていきました。その当時このICが使用された先駆けの製品は電卓でした。電卓をきっかけに、さらなる機能を追加して、電卓以外にも使用したいというニーズが出てきました。その結果、汎用ロジックICは多様多種のものが生まれ、機能も集積されていきました。これが「LSI (Large Scale Integration )」、「VLIS（Very Large Scale Integration）」、「ULSI(Ultra-Large Scale Integration)」などと呼称され、歴史とともにその集積規模が増え、発展していったのです。(※以後代表してLSIと記載)
ところが、この LSI には課題がありました。

①開発に非常に時間がかかる(数年単位)
②開発コストが非常に高価(数千万円～数億円といった初期費用)
③汎用品なのでカスタマイズができない

大きく言うと、この3点です。
時代が進むにつれ、製品のサイクルは非常に速くなり、メーカも次から次へ最新の製品を出さなくてはならなくなりました。また、他社と差別化を明確に出していかなければ製品が売れないなど、半導体の進歩とともに世の中の市場も変動していったのです。

この時流を見据えていたのか、ニーズにこたえる半導体の開発が同時期に進んでいきました。1970 年代末には「PLD (Programmable Logic Device)」、1980 年代には「CPLD ( Complex Programmable Logic Device)」が開発され、汎用ロジック IC 小規模相当の回路を実装できるようになりました。
これが、本コラムの冒頭で説明した「ユーザーがデバイスの入手後、開発現場で書き換えることができる論理回路の多数配列」、つまりプログラマブルロジックデバイスです。
こちらも世の中の市場ニーズの多様化に伴い、PLDやCPLDよりも大規模のロジック実装ができるものが望まれるようになりました。そして、1980年代半ばに初の「FPGA（Field Programmable Gate Array）」が登場することになります。

半導体の中のFPGA

従来のLSIとは異なり、ユーザーが自分で回路を作れるように最低限の機能だけを実装したプログラマブルロジックデバイス。これは、開発のスピードを上げつつコストを抑え、さらにはオリジナリティ創出実現のための柔軟なカスタマイズ性をユーザーに与えました。
では、FPGAは半導体の中でどのような存在なのでしょうか。
半導体は、実際の開発プロセスで2種類に分けられます。「特定の用途向けに設計されたデバイス」と「ユーザーが設計する設計デバイス(カスタムデバイス)」です。大まかな違いは下記を参照してください。

①特定の用途向けに設計されたデバイス

半導体製造メーカが、ある特定のアプリケーションや用途を想定して製造するデバイス。メーカがあらかじめ回路構成を決めて生産するため、ユーザーはカスタムできない。多くのデバイスは数量が多く出るアプリケーションを想定しており、大量生産するためユーザーが購入する際の単価は低い。

②ユーザが設計する設計デバイス(カスタムデバイス)

目的や必要性に合わせてユーザー自身で開発することを目的に製造されたデバイス。別の言い方をすれば製造された時点では用途が決まっていない汎用品だが、その手でカスタマイズを実行することで独自のデバイスとなる。「特定の用途向けに設計されたデバイス」に比べてさほど数量が出る想定ではなく、ユーザーによるカスタム前提となっており、購入する際の単価は比較的高価である。

FPGAは、上記のうち「②ユーザーが設計する設計デバイス(カスタムデバイス)」に該当します。またPLD、CPLDも同様です。ユーザー自身の手で回路実装ができるように、最低限の回路を装置に実装してあるので、ユーザーは内部のハードウェア構成を自由に、またいつでも何度でも変更できます。効率的で高いフレキシビリティがFPGAの一番の特徴です。

なぜFPGAが注目されたのか

「ユーザーが設計する設計デバイス(カスタムデバイス)」には、もう一つ種類があります。それは「ASIC(Application Specific IC)」です。「特定の用途向けに設計されたデバイス」では実現できないため、【カスタムが必要】という点ではFPGAと同じですが、両者を比べると以下の違いがあります。

【FPGA】

アプリケーション用回路を製造済みデバイスにプログラムするため回路変更が簡単。

【ASIC】

半導体製造メーカが生産したデバイスを使用して、特定のアプリケーション向けのカスタムデバイスをユーザーが開発する。その回路をいつでも何度でも変更できる。

このように違いが見える両者ですが、実はASICとFPGAの開発手法には共通点があります。
標準的な開発フローの場合、要求分析→要件定義→基本設計・詳細設計→RTL設計(Verilog、VHDLなどを用いてコーディング) →論理合成→動作シミュレーション→配置配線、という順番が多いかと思いますが、ここまではほぼ同じなのです。しかしながら上記工程後の工程が大きく異なります。詳しい説明は以下のとおりです。

・ASICの場合

先の開発フローを通じて最終的な動作確認を終えた設計データは、半導体製造工場(ファウンドリ)で次の工程へ移ります。まずは配置配線に合わせて実際の半導体のどこに何を置くのかを決めるマスクを作ります。このマスク上のパターンをウエハーに露光すると、ROMとして半導体が製造されるのです。半導体が出来上がってくると、設計したとおりに動作するかどうかのテストが実施されます。

ASICの開発フローは数年かかるのが一般的で、またその開発コストも数千万から数億といった膨大な金額となります。万が一テストでエラーが見つかった、デバイス出荷後に不具合が見つかってしまった…となると、ASIC は後から回路を変更することはできない構造なので、今まで費やした期間・コストは無駄になります。それどころか、追加で莫大なコストがかかることになってしまいます。

・FPGAの場合

FPGAの場合は、後工程としてデバイスの製造を行う必要がありません。先に述べた通り、ユーザーは半導体製造メーカから製造済みのデバイスを供給されており、それ向けの開発を行っています。動作確認が終わると、設計データはすぐに実際のFPGA上で回路を動作させることができ、机上やシミュレーション上では見つからない繊細な問題もいち早く発見することが可能です。またそれを修正し、何度も試すことができます。なぜなら、FPGAは起動時にFLASH ROMからその回路データを読み込み、FPGA内の回路を構成するという特性があるためです。開発段階のタイミングでも何度でもトライアルできますし、製品出荷後の検証で不具合が見つかっても、FLASH ROMに保存されている回路データを更新すれば改修することができるのです。

FPGAの進化過程

FPGAを提供するメーカは複数存在しますが、大きくシェアを取っているメーカは「インテル(Intel) ※旧アルテラ(ALTERA)」社と「ザイリンクス（XILINX）」社です。(ABC順で掲載)
両社とも1980年代よりFPGAの最初の開発をスタートしており、近年に至るこの30年間以上の間に性能、機能、デバイス価格といったあらゆる面で劇的な変化を遂げてきました。
「ザイリンクス（XILINX）」社では、FPGAは2010年で集積度600 倍以上、速度100 倍以上まで向上、デバイス価格は1000分の1 程度に低減、電力は150分の1に低減と、圧倒的に進化しています。

「インテル(Intel) ※旧アルテラ(ALTERA)」社でも同様にその集積度、消費電力、デバイス価格は進化していますが、先に述べたスペックとは別の観点からその進化を見ると、ロジック数は100倍以上、内部動作クロック、高速トランシーバのデータ性能も5～10倍向上しています。中でも特徴的なのが、2015年に「インテル(Intel)」社が「アルテラ(ALTERA)」社を買収したことによる将来のFPGAです。買収を発表した2013年には、インテル14nm トライゲート・プロセスでFPGAの製造をしていくと発表しており、さらなるFPGAの進化が期待されています。

FPGAデバイス自体の進化だけでなく、それを扱うユーザーへのフォローも進化しています。例えば開発ソフトウェアの高機能化、IP コアの充実、評価環境（ボード・キット）など、ユーザーによる開発が少しでも短期間で実現できるよう、こちらも進化し続けています。

FPGAの機能

「インテル(Intel) ※旧アルテラ(ALTERA)」社と「ザイリンクス（XILINX）」社には、どのようなFPGA製品があるのでしょうか。まずは「インテル(Intel) ※旧アルテラ(ALTERA)」社製品の4シリーズの製品を一覧で見てみましょう。

【Stratixシリーズ】

高帯域幅と高集積度が特徴で回路規模が大きく、高速トランシーバも搭載しているため高速処理を求められるハイエンドのアプリケーションに最適なデバイスです。

【Arriaシリーズ】

性能、消費電力、価格において、StratixシリーズとCycloneシリーズの中間にポジショニングするミドルエンドのデバイスです。ARM Cortex-A9 MPCore™が搭載したラインナップも展開されています。

ユーザが求めやすい価格に設定されているデバイスです。低消費電力も実現しており、従来ASICやASSPで利用されていた既存製品の置き換えも行われ、量産もされています。ARM Cortex-A9 MPCore™が搭載したラインナップも展開されています。