IP（IPコア/FPGA/ASIC）の組み込み製品

IPコアについて

IPコアとは

IPコア（Intellectual Property Core）とは、機能ごとにまとめられた「回路情報」のことで、LSI（集積回路）の構成の一部分を担っているものです。特定用途向けに行われるASIC開発やFPGA開発に利用されています。IPコア（Intellectual Property Core）の代表的なものには、CPUやDSPのようなプロセッサコアがあり、高速な演算能力を活かしたり、サブシステムを制御したりしています。

IPコア台頭の背景

集積回路が発明されて以降、飛躍的に集積度は拡大。そんな中でIPコアが求められるようになった背景には、1990年代以降に機運の高まった「開発効率の向上」がありました。これは、LSIの開発手法としてハードウェア言語による開発がさかんになったためです。
このときから、設計抽象度の向上（トランジスタレベル→ゲートレベル→RTL→C言語・ブロック線図）や設計自動化とともに、すでにある開発製品の回路を機能単位で他の製品に再利用するニーズも広まりました。さらには、この再利用可能な機能ブロックは、開発者当人だけでなくほかの開発者や会社が利用することも可能になったのです。

IPコアベンダー

こうしたIPコアをLSIの開発者に対して提供し、使用料を得る立場にあるのがIPコアベンダーです。IPコアライブラリを提供する代表的な半導体企業には、Xilinx（ザイリンクス）やAltera（アルテラ）＝Intel（インテル）、ARM、アイベックステクノロジー、東京エレクトロンデバイス、ソシオネクストなどがあります。
IPコアの課金方法にはいくつかパターンがあります。IPコアベンダが自社設計用に有償または無償で提供するものや、量産チップ単位あるいは開発プロジェクト数に応じて課金するものなどです。OpenCoresのような、フリーのIPコアを掲載しているWEBサイトもあります。

IPコアの機能（DSP、CPU等）

IPコアで提供されている機能はさまざまです。一部、例を挙げてみましょう。

＜デジタル回路＞
・CPU、DSP
・CPU周辺回路 （タイマー、DMA、割り込み制御など）
・通信インターフェイス（UART、SPI、イーサネット、USB、OFDM、Wireless LANなど）
・メモリ （フラッシュメモリ、SRAM、DRAMなど）
・画像処理（静止画CODEC、動画CODEC、画像認識など）
・音声処理（音声CODEC、音声合成など）
・バスインターフェイス（PCI、PCI Express、AHBなど）
・基本算術演算（FFT、浮動小数点演算など）
・暗号化/復号（AES、DES、RSA、RC5、SHA-1、MD5、TLS/SSLなど）

＜アナログ回路＞
・AD、DA変換
・PLL、クロック、タイミング

IPコアの形態

IPコアのファイルフォーマットには、それぞれ次のようなものがあります。

＜ハードマクロ＞
LSIを設計するためのマスクデータ（画像データ）で提供。標準的なファイルフォーマットはGDSII。FPGAには利用不可。
＜ソフトマクロ＞
・RTL
VHDLやVerilog HDLなどの言語で記述されているものは、内部を解読することでカスタマイズやシミュレーションが可能。
・ネットリスト
オリジナルのRTLを公開しないブラックボックス化のために、論理合成後のネットリストで提供されるものは、基本的にIPコア内部に変更を加えることはできない。
・ビヘイビア
RTLより上位のビヘイビア記述を採用。

IPコアのメリット・デメリット

IPコアを利用するメリットには、以下のようなものがあります。

■開発期間の短縮
すべての機能を一から自社で開発…となると、当然開発コストはふくらみますし、開発期間も長くなります。IPコアを利用すれば、開発コスト・期間ともに抑えることができます。
■半導体プロセス技術に依存しない
RTL記述にて提供されるソフトマクロの場合、半導体（Electronic Design Automation）プロセス技術に依存しません。（ただし、ハードマクロのIPコアはターゲットの半導体（EDA）技術でしか利用できない）

■修正が困難
IPコアにバグが見つかった場合、内部を把握していないユーザーにとっては修正が困難になります。さらに内部が隠蔽化されていた場合には修正が不可能です。
■品質や信頼性が不確か
IPコアによっては、設計仕様や検証結果が詳細でないことがあります。
■接続性の問題
IPコアを既存の回路と組み合わせる場合、仕様の確認ミスなどで接続部分にトラブルを起こしやすくなります。
■ライセンス費用が高額
IPコアを使用する際に、IPコアを購入してライセンス契約を結ぶ場合があります。方法としては、導入時に契約金を払う、量産製品ひとつにつき契約金を払う、契約形態によってはその両方といったケースがあります。トラブルが起こった際のサポート費などを含めると、かえってコストがかかってしまうこともあります。

FPGA IPコアの使い方

デジタル回路メインの組み込み機器では、FPGAを使ったDevelopmentがよく行われています。簡単かつ最大のパフォーマンスを発揮するために、ユーザーはFPGAメーカーやIPベンダ提供のIPを正しく使いこなす必要があります。
まず、IPを使う際には、FPGAメーカー、IPベンダの想定外のことをしないように、仮想的な論理シミュレーションや、IP単体のテストを実機で行っておくなどして、IPの仕様や特性を把握しておきことが重要です。特に同期では問題が起こりやすい傾向があり、対向側からの信号などは、使用する前に必ずクロックなどで受けてからにするなど当たり前の設計を初心に戻り押さえておくことが重要です。
実際IPを使う際に大事なのは、やはり「実績のあるIP」を積極的に選ぶことです。たとえばFPGAメーカーが提供するIPは、FPGAの特性、アーキテクチャを考慮して開発されています。IPベンダに関しても豊富な経験を元にFPGAメーカと同様に考慮され開発をされています。実際には評価された環境にも依存はしますが、性能的にも確認と保証されリリースがされているということになります。これらを念頭に置くことで、後のハードウェア設計に対するリスクを軽減することができます。

FPGAメーカーやIPベンダが提供するIPの使用中に、IPに何かしら不具合が起きたとき、ユーザー自身では修正が不可能です。IPは開発者の技術とノウハウがつまった塊であり、そのリリース形態の多くはブラックボックスでの提供となります。つまりIPに問題があるのか、その周辺に問題があるのか、問題を解決に導くためのデバッグプロセスが発生し難航してしまうと予期せぬコスト負担が生じるということがあります。開発スケジュールに大きな影響を与えることも考えられるでしょう。こうならないためにも、IPを利用するユーザーは、購入前の評価やドキュメントの理解、IPベンダ、販売店とのコミュニケーション、サポートを十分に確認しリスクヘッジを存分に行った開発に挑むことをお勧めします。

FPGAとASICの違い

FPGAを使うようになったユーザーの多くには、ASICから移行してきたという背景があります。ASIC（Application Specific Integrated Circuit（IC））とは、「特定用途向けIC」という意味があり、さまざまなことに使える汎用品ではありません。これはFPGAも同じです。
では、ASICとFPGAにはどのような違いがあるのでしょうか。
まず、ASICもFPGAもカスタム品であることは同じですが、より自由度が高いのがASICです。またASICはチップ単価が低く、性能や消費電力を最適化しやすいというメリットがあります。一方で、FPGAは開発コストが低く、開発期間を短縮しやすいというメリットがあります。また、プログラマブルであることから低リスクでの開発が可能です。
デメリットに関していえば、ASICは仕様変更や設計ミスなどによる開発リスクが大きいこと、開発に時間がかかること、初期投資がかかることが挙げられます。FPGAは単価や性能、消費電力にトレードオフが生じる、IC1個あたりの単価が非常に高い、などが挙げられます。つまり、双方にメリット・デメリットがあり、どちらがどう優れているとはいえないのです。
ただ、プロセスの微細化にともない、ここ最近ではASICの初期投資が高騰しだしました。そのため、よほどの大量生産でない限り初期投資を回収することは難しくなっています。また、製品サイクルの速さも最近の傾向といえます。
ASICと比べて初期投資が低く、後から何度でもプログラムを書き換えられるFPGAは、そういった点で時流に乗っているといえます。また近年では、FPGAをプログラマブルモジュールとしてSoCの一機能として実装した、SoC FPGAも登場しています。