システムで活躍するFPGA
～画像処理・高速通信・リアルタイム制御で活躍する理由～

公開日：2026年8月28日

目次

• 1. データ量の増加とCPU負荷の課題
• 2. 流れ続けるデータ処理で発揮するFPGAの強み
• 3. CPU負荷の軽減に活用されるFPGA
• 4. リアルタイムOSとFPGA、それぞれのリアルタイム性
• 5. 高機能化と量産性を両立するSoC FPGA
• 6. 富士ソフトのFPGA開発支援
• 7. まとめ

1. データ量の増加とCPU負荷の課題

IoTやAI、ロボティクス、自動運転、FA（Factory Automation）の普及により、システムが扱うデータ量は急速に増加しています。
例えば製造現場では、複数のカメラ画像をリアルタイムに処理しながら設備を制御するケースがあります。また、自動運転や先進運転支援システム（ADAS）では、カメラやLiDAR、レーダーなどから大量のデータが常時入力されます。
このようなシステムでは、CPUがシステム全体の制御やアプリケーション処理を担いますが、近年では、システムの高機能化に伴い、画像処理やセンサーデータ処理、通信処理などの周辺処理もCPUへ集中するケースが増えています。その結果、

• 多数のセンサー入力の同時処理
• 高速通信データのリアルタイム処理
• AI推論前の画像・信号処理
• ミリ秒単位の制御応答

といった要求への対応が必要となり、CPUだけでは応答遅延や処理性能の低下が課題になる場合があります。

こうした背景から、CPUやGPUを補完する技術としてFPGAへの注目が高まっています。

2. 流れ続けるデータ処理で発揮するFPGAの強み

CPU負荷の課題に対して強みを発揮するのがFPGAの特徴です。
FPGAの特徴の一つは、ソフトウェアで処理を実行するのではなく、必要な処理そのものを専用のハードウェア回路として実装できることです。CPUはプログラムの命令を順番に処理し、GPUは大量の演算器を使って並列処理を行いますが、FPGAは、処理そのものを回路としてを構築することで、入力データを受け取りながらその場で処理を進めることができます。この特徴は、

• カメラ映像のリアルタイム処理
• センサーデータの高速収集
• EthernetやPCIeなどの高速通信
• モーター制御や設備制御

といった、大量のデータが常に流れ続けるシステムで効果を発揮します。

これらのシステムでは、単純に処理性能が高いことだけでなく、「どれだけ早く応答できるか」が重要になります。特に車載機器や産業機器、ロボット、通信機器などでは、わずかな遅延がシステム全体の性能に影響を与えることも少なくありません。
CPUやGPUでは、一度データをメモリへ格納してから処理を行うことが一般的ですが、FPGAはデータが入力された瞬間から処理を開始できます。そのため、データ待ち時間やメモリアクセスを削減し、低遅延な処理を実現できます。

これらの特徴が、画像処理、高速通信、映像伝送、センサー処理、リアルタイム制御などの分野でFPGAが活用される大きな理由です。

3. CPU負荷の軽減に活用されるFPGA

1章で述べた通り、CPUはシステム全体の制御やアプリケーション処理を担う重要な存在ですが、周辺処理までCPUに集中すると、応答遅延や処理性能の低下につながる場合があります。

そこで活用されるのがFPGAです。

センサーデータの取り込みや画像処理、通信プロトコル処理などをFPGAへ分担させることで、CPUはシステム制御やアプリケーション処理に専念できるようになります。その結果、CPU使用率の低減、システム応答性の向上、AI推論性能の向上、将来の機能追加に対応するための余裕確保といった効果が期待できます。

FPGAの価値は、単純にCPUより高速な処理を行うことではありません。CPUが本来担うべき制御や判断処理に集中できる環境を作り、システム全体の性能を引き出すことにあります。

4. リアルタイムOSとFPGA、それぞれのリアルタイム性

「リアルタイム性ならRTOS（リアルタイムOS）で十分ではないか？」と考える方も多いかもしれません。実際にRTOSは、優先度制御やタスク管理によって重要な処理を優先的に実行できるため、高いリアルタイム性を実現できます。そのため、多くの組込みシステムで利用されています。
しかし、車載機器や産業機器、医療機器などでは、単に「重要な処理を優先的に実行できる」だけでなく、「毎回同じ時間で処理が完了すること」が求められます。RTOSもCPU上で動作するため、他のタスクや割込み、メモリアクセスの影響を受ける場合があります。一方FPGAは、専用のハードウェア回路が直接処理を実行するため、ソフトウェアの実行状況に左右されません。そのため、処理時間を回路レベルで決めることができ、安定した応答性能を実現できます。

こうした特性が求められることから、FPGAは車載制御や産業機器、医療機器、通信機器などの分野で広く活用されています。

5. 高機能化と量産性を両立するSoC FPGA

ここまで、FPGAがリアルタイム性や低遅延処理、CPU負荷の軽減に有効であることを紹介してきました。しかし、FPGAを活用することで性能上の課題を解決できたとしても、システム開発には別の課題が存在します。

それが、システムの高機能化に伴う構成の複雑化です。

システムの高機能化が進むにつれて、センサー処理や画像処理、高速通信、ネットワーク機能など、実装すべき機能は年々増えています。そのため、CPUやFPGAに加えて周辺デバイスや各種インターフェース回路が必要となり、システム構成は複雑になりがちです。
部品数が増えると、基板レイアウトや配線設計の難易度が高くなるだけでなく、デバイス間の接続やデータ連携の検証も必要になります。また、量産段階では部品調達や在庫管理、実装・評価の対象が増えるため、開発から製造、保守まで含めたコストの増加につながる場合があります。

こうした課題に対する有力な選択肢の一つがSoC FPGAです。

SoC FPGAは、ARMプロセッサなどのCPUとFPGAを1つのデバイス内に統合しています。CPU側ではLinuxやRTOSを動作させながらシステム制御やアプリケーション処理を実行し、FPGA側では高速データ処理やリアルタイム処理を担当させることができます。さらに、CPUとFPGAが同一チップ内に実装されているため、従来のように別デバイス間を接続するための複雑なインターフェース設計やデータ転送を簡素化できる場合があります。CPUとFPGAが高速かつ密接に連携できることも、SoC FPGAの大きな特長です。

その結果、複数デバイスで構成していたシステムをより高集積に構成できるため、部品点数の削減や基板設計の簡素化につながります。また、評価対象や管理対象の削減によって開発効率の向上が期待できるほか、量産時の調達・管理負荷の低減にも効果を発揮します。

SoC FPGAは、高速データ処理と柔軟なソフトウェア制御を両立しながら、システム全体をよりシンプルに構成できることが大きな特徴です。そのため、高機能化と量産性の両立が求められる組込みシステムにおいて、有力な選択肢として採用が進んでいます。

6. 富士ソフトのFPGA開発支援

前章までで紹介したように、FPGAはCPU負荷の軽減や低遅延処理、リアルタイム性の実現など、多くのメリットを持っています。こうした特長を活かし、FPGAは車載機器や産業機器、通信機器、医療機器、エッジAI機器など、さまざまな分野で活用されています。
特に、画像処理やセンサーデータ、高速通信データなど、大量のデータをリアルタイムに処理する必要があるシステムでは、FPGAの強みが発揮されます。

一方で、実際にFPGAを活用した製品を開発するためには、FPGA設計だけでなく、基板設計やソフトウェア開発を含めたシステム全体の設計が重要になります。また、製品として市場へ提供するためには、設計・開発だけでなく、評価や量産、保守まで見据えた取り組みが欠かせません。

富士ソフトでは、要件定義から基本設計、詳細設計、実装、評価まで、開発工程全体を一貫して支援しています。FPGAのRTL設計・検証をはじめ、基板設計、ファームウェア開発、ドライバ開発、アプリケーション開発など、ハードウェアとソフトウェアの両面から開発をサポートすることが可能です。また、試作機による評価だけでなく、量産を見据えた設計検討や製造支援にも対応しています。量産段階では、部品選定や製造性の考慮、品質確保など、開発とは異なる視点が求められます。富士ソフトでは、こうした量産化に向けた課題にも対応し、試作から製品化までスムーズに進められる開発体制を提供しています。さらに、製品リリース後の保守や機能追加、設計変更にも対応しており、製品ライフサイクル全体を通じた支援が可能です。

FPGA単体の開発にとどまらず、システム設計から製品化、量産、そして運用保守までを見据えたワンストップの開発支援を提供できることが、富士ソフトの大きな強みです。

7. まとめ

IoTやAIの普及により、システムにはこれまで以上に多くのデータ処理とリアルタイム性が求められるようになっています。FPGAはCPUやGPUを置き換えるための技術ではありません。高速通信やセンサー処理、画像処理などを担うことで、CPU負荷の軽減や低遅延化を実現し、システム全体の性能向上に貢献します。また、FPGAはリアルタイム性や決定性が求められる車載機器や産業機器、通信機器、医療機器など、幅広い分野で活用されています。今後もシステムの高性能化・高機能化が進む中で、FPGAの活用機会はさらに広がっていくと考えられます。

富士ソフトでは、こうしたFPGAを活用したシステム開発において、要件定義から設計、実装、評価、量産、保守までを一貫して支援しています。FPGA設計だけでなく、基板設計やソフトウェア開発を含めたシステム全体の開発に対応できることに加え、量産を見据えた製品開発までサポートできることも特長です。

FPGAを活用した新規開発はもちろん、既存システムの性能向上やSoC FPGAを活用した製品開発をご検討の際は、ぜひ富士ソフトまでお気軽にご相談ください。