FPGAの設計および、基板における部品選定、回路設計、基板設計から製造まで一気通貫で対応します。開発事例も多数あります。

FPGA設計の基礎知識

FPGA（Field Programmable Gate Array）は、Programmable Logic Device（PLD）の一種で、名前の通り現場で再構成可能なゲートアレイ構造を持つプログラマブルLSI（集積回路）です。並列処理や高速信号処理に適したアーキテクチャを備えており、CPUでは対応が困難な信号処理や装置のカスタム制御を、専用回路として柔軟かつ短期間で実現できるのが特長です。

同じProgrammable Logic Deviceとしては、CPLD（Complex Programmable Logic Device）があります。CPLDは少数ゲートの制御向けで、FPGAは多数ゲートのデータ処理・並列演算向けであり、柔軟性と高性能を兼ね備えたデジタル回路設計のための半導体デバイスです。
FPGAは、よく比較されるASIC（Application Specific Integrated Circuit）やASSP（Application Specific Standard Product）と比較して短期間でコスト効率よく開発を行えるため、幅広い用途で利用されています。

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FPGAの構成要素

FPGAは「同じ構造が碁盤目状に大量に並ぶ」デバイスです。中心は論理セル（LUT＋フリップフロップ）、それらを結ぶ配線網、入出力のI/Oブロック。そこにメモリやDSP、クロック網、高速トランシーバやハードIPが加わります。

1. 論理ブロック（CLB: Configurable Logic Block）

FPGAの中核をなすのが、論理ブロック（CLB）です。各CLBには、基本的な論理演算を行うLUT（ルックアップテーブル）、演算結果を一時的に保持するフリップフロップ、簡単な演算処理用の加算器などが内蔵されています。
ユーザーは、これらを組み合わせて加算器・減算器・カウンタ・ステートマシンなど様々な機能ブロックを構築します。

2. 配線リソース（Routing）

CLB同士をつなぐのが、配線リソースです。FPGA内には、膨大な数の金属配線とスイッチマトリクス（切り替え回路）が配置されており、これらを設定することで、各論理ブロックを好きなように接続できます。この柔軟な配線構成のおかげで、ユーザーは論理回路構成を自由自在に再設計できるようになっています。

3. メモリ

FPGAには、内部メモリとしてデータの一時保存やキャッシュとして使用されるメモリブロックが組み込まれています。これにより、高速なデータアクセスが可能になります。
【参考】
FPGAの内部メモリ（Block RAMなど）は容量が限られているため、大量データを扱う場合は外部メモリが必要で、高速かつ大容 量のメモリとして 主に DDRメモリが使われます。DDRメモリには、いくつか種類があり、DDR1、DDR2、DDR3、DDR4 、DDR5 など、世代が 進むごとに高速化・低消費電力化しています。

4. 論理ブロック（CLB: Configurable Logic Block）の内部構造

論理ブロックは、FPGAの中で実際に論理演算や状態保持を行う“部品”で、これらを組み合わせることで、ユーザーが自由に回路を構成できます。
代表的なロジックブロックの中身としては、まず LUT（ルックアップテーブル） があります。LUTは「入力の組み合わせに対して、どんな出力を出すか」をあらかじめ記憶しておく小さなメモリのようなもので、1ビットのSRAMをセレクタから構成し、真理値表をそのままSRAMの記憶値とし、ANDやORといった基本ゲートから、もう少し複雑な論理まで柔軟に実現できます。FPGAの設定（コンフィギュレーション）時に、このLUTの中身を書き換えることで、回路の動作を変更します。

次に、信号の値をクロックごとに保持する フリップフロップ（FF） が用意されています。これは「一拍ごとにデータを覚えておくレジスタ」のような役割で、シーケンシャル回路やステートマシンを作る際の基本部品です。このほか、どの信号を使うか切り替える マルチプレクサ や、加算器を効率よく作るための キャリーチェーン なども、ロジックブロックに組み込まれています。

これらのロジックブロック同士を、FPGA内部の配線リソースでつなぎ合わせることで、ユーザーが設計したデジタル回路が形になります。つまり、FPGAは「LUT＋フリップフロップなどの小さなロジックブロックが大量に並び、それらが自由に配線できるようになっている集積回路」とイメージしてもらうと分かりやすいでしょう。

その他の半導体デバイスとの違い

CPU（MPU）

CPU（MPU）は、汎用的な命令を順番に実行するコンピュータの中枢で、OSやアプリケーションを動かす計算エンジンです。内部構造は固定され、処理内容はソフトウェアで変えることが前提です。FPGAのように回路自体を書き換えることはできませんが、開発が容易で汎用性に優れ、PCから組み込み機器まで幅広く利用されます。基本的には逐次処理が得意で、並列度はFPGAほど高くありません。

GPU（Graphics Processing Unit）

GPU（Graphics Processing Unit）は、本来は画像描画用に設計された多数の演算ユニットを持つプロセッサで、大量のデータを並列に処理するのが得意です。行列演算やベクトル演算に強く、近年は機械学習や科学技術計算にも利用されます。内部構造は固定で、FPGAのように回路そのものは変えられませんが、汎用言語やCUDAなどで比較的柔軟にプログラミングできます。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）は、特定用途向けに設計された専用ICで、量産前に論理回路を決めて固定するため、後から書き換えることはできません。その代わり、性能や消費電力、チップ面積を用途に最適化しやすく、大量生産時のコストメリットも大きいのが特徴です。FPGAは柔軟性、ASICは専用最適化とコスト効率で使い分けます。

ASSP（Application Specific Standard Product）

ASSP（Application Specific Standard Product）は、特定の機能や用途に特化して設計された標準品ICで、USBコントローラや通信チップなどが代表例です。ASICと異なり一社専用ではなく、誰でも購入して使える汎用の専用チップです。内部機能は固定のためFPGAのような自由度はありませんが、設計不要で高い信頼性とコストパフォーマンスを得られます。

DSP（Digital Signal Processor）

DSP（Digital Signal Processor）は、音声・画像・センサー信号などのデジタル信号処理に特化したプロセッサです。デジタル信号処理でよく使われる乗算加算を高速に繰り返すよう最適化されており、乗算器と加算器を組み込んだ演算コアを複数搭載しているため、1回～数回の積和演算を1サイクルで実行できます。多くがデータ・バスと命令バスを分離したハーバード・アーキテクチャを採用します。CPUより効率よくフィルタ処理やFFTを実行でき、FPGAよりもソフトウェアでの開発がしやすい点が特徴です。

マイコン（Microcontroller）

マイコン（マイクロコントローラ）は、CPUコアとフラッシュメモリ、RAM、タイマや通信IF、A/Dコンバータなどの周辺回路を1チップにまとめた「小さなコンピュータ」です。CPUやGPU、DSPが主に計算処理そのものを担うのに対し、マイコンはセンサー入力からモータ制御まで、機器全体の制御に最適化されています。FPGAやASIC、ASSPのようにハードウェア構造自体を設計するのではなく、決められたハードに対してC言語などでソフトウェアを書いて動かす点が大きな違いです。低消費電力かつ低コストで扱いやすく、家電から産業機器まで幅広い組み込みシステムで利用されています。

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FPGA設計のプロセス

1. ハードウェア記述言語（HDL）の選択

FPGA設計では、HDLを用いて回路の動作を記述します。代表的なハードウェア記述言語（HDL）には、VHDL、Verilog HDL、SystemVerilogがあります。VHDLは、大規模で複雑なシステムの設計に適しており、航空宇宙、通信、軍事などの分野で広く利用されており、Verilogは、デジタル回路のプロトタイピングやASIC設計に広く使用されており、特にシリコンバレーなどのハイテク企業で人気があります。SystemVerilogは、「Verilogを拡張した次世代Verilog」という立ち位置で、RTL設計の拡張（interface, enum, struct, assertion など）や、検証用の強力な機能（クラスベース、ランダムテスト、カバレッジ等）統合、言語仕様的には「ハードウェア記述＋検証言語」の両方をカバーするなどの特徴があります。

HDLでは、組み合わせ回路に加えて、クロックで値を保持するフリップフロップ（レジスタ）からなる順序回路を記述します。

２．回路の記述

設計する回路の動作を詳細に記述します。特にフリップフロップ境界（レジスタ境界）を意識したパイプライン設計が、最終的な動作周波数と安定性を左右します。

３．シミュレーションと検証

記述したHDLのコードをシミュレーションツールで実行し、動作を検証します。シミュレーションにより、設計段階での誤りを早期に発見し、修正することが可能になります。

4. 論理合成

論理合成とは検証が完了したHDLコードを、論理合成ツールを使用してFPGAに適した形式に変換することです。論理合成により、抽象的な記述が具体的なゲートレベルの回路に変換されます。

５．配置と配線

論理合成された回路をFPGA内に配置し、必要な配線を行います。このステップでは、FPGAの物理的な制約を考慮しながら、最適な配置と配線が行われます。

６．実装と動作確認

論理合成および配置と配線が完了した回路をFPGAに書き込み、実際のハードウェアで動作を確認します。この段階で、実装された回路が期待通りに動作するかを最終確認します。

FPGAは、柔軟性と再プログラム可能な特性を持ち、さまざまなデジタル回路設計に対応できます。CPU、ASIC、ASSP、CPLD（Complex Programmable Logic Device）、GPU、マイクロコントローラ（マイコン）など、それぞれ異なる特性と用途を持つデバイスと比較されますが、FPGAの強みはその汎用性とカスタマイズの自由度、迅速な開発が可能な点などにあります。多数のフリップフロップを用いたパイプライン化により、高い並列性とスループットを引き出せる点もFPGAの強みです。

またHDL、特にVHDLを使用することで、高度なデジタル回路を効率的に設計し、シミュレーションと検証を通じて高品質な製品を実現できます。FPGAの柔軟性を最大限に活用することで、設計の自由度と市場の変化への適応力が大幅に向上します。

ハードウェア記述言語のVerilogとVHDLの違い

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）

VHDLは1980年代に米国防総省によって開発され、IEEE標準（IEEE 1076）として広く採用されており、以下のような特徴があります。

（1）構文が厳密

VHDLはAdaプログラミング言語に似ており、非常に厳密で冗長な構文を持ちます。これにより、コードの可読性と信頼性が高まります。

（2）強い型付け

VHDLは強い型付けを特徴とし、データ型の明確な宣言が必要です。これにより、設計時のエラーを早期に検出できます。

（3）豊富な機能

VHDLは、複雑な設計を管理しやすい構造化されたモジュール設計や、抽象度の高い設計記述が可能です。

Verilog

Verilogは1980年代にGateway Design Automation社によって開発され、1995年にIEEE標準（IEEE 1364）として採用され以下のような特徴があります。

（1）シンプルな構文

Cプログラミング言語に似た構文を持ち、学習曲線が緩やかで、設計者にとって使いやすいです。

（2）柔軟な型付け

VerilogはVHDLに比べて型付けが柔軟で、特に簡単な回路やプロトタイプの迅速な設計に向いています。

（3）イベント駆動シミュレーション

Verilogはイベント駆動型のシミュレーションをサポートしており、タイミング解析やシミュレーションが効率的です。