FPGA/基板設計受託開発ソリューション

FPGAの設計

FPGA（Field Programmable Gate Array）は、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、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。

FPGAの構成要素

1. ロジックブロック

FPGAの基本的な構成要素であり、プログラム可能なロジックゲートを含みます。これにより、設計者は必要な論理回路を柔軟に実装できます。

2. メモリ

FPGAには、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。

3. I/Oブロック

外部デバイスとのインターフェースを担当するブロックです。これにより、FPGAはさまざまな外部デバイスや信号とのやり取りが可能になります。

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HDLには、VHDLとVerilog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。

２．回路の記述

設計する回路の動作を詳細に記述します。

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

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します。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

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

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。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。