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FPGA 入門へようこそ！

 

いま製品開発のキーデバイスとして、注目を集めているFPGA。

耳にしたことはあるものの詳しくは知らない、FPGAは知っているが最近の動向はあまり詳しくない、今後FPGAを使ってみたいと思っている方まで、FPGAが気になるすべての方に、FPGAの基本からご紹介します。

さあ、FPGAの世界に最初の1歩を踏み出してみてください。

まずはここから！ FPGAの基本

FPGAの概要を、コンパクトにわかりやすく解説します。

   FPGA のウェハ
 

ある程度の知識がある方はこちら！ 無償ではじめるFPGA設計

ある程度の知識がある方、まずは試してみたいという方は、さっそくFPGA設計をはじめましょう！ 費用はかかりません。
 

FPGAとは?

FPGA（エフピージーエー）とは、一言で言うなら、「後からでも回路の書き換えが可能なロジック・デバイス」です。

FPGAは、Field Programmable Gate Arrayの頭文字をとったもので、現場（Field）で、書き換え可能（programmableプログラマブル＝プログラム可能な）、LSI（論理ゲート（Gate）が格子（Array）状に並んでいるセミカスタムLSI）という意味です。

製品出荷後でも再設計が可能なため、製品のアップデートや新たなプロトコル規格への対応もスムーズに行うことができます。製造してしまうと中身が固定してしまうASIC(Application Specific Integrated Circuit：特定アプリケーション用にカスタムメードで製造されるIC、カスタムIC）や、ASSP（Application Specific Standard Product：特定アプリケーション向けに機能を特化した標準・市販IC）にはない、FPGAならではの特長です。

FPGAの再プログラム可能な柔軟性に加え、近年のテクノロジーの進化によって、FPGAの高集積化、高性能化、低消費電力化、低コスト化が進み、FPGAがASICやASSPと同程度の機能を持つようになったため、さまざまな電子機器で使用されるようになりました。

   FPGA のパッケージ

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FPGAはどこで使われている？


それでは、FPGAはどのような製品で使用されているのでしょうか？

下図のとおり、現在FPGAは、通信基地局、大規模ルータなど高度な処理を行う機器から、ディスプレイ（TV）、プロジェクタ、携帯端末など、生活に身近な製品にまで、幅広く採用されています。

FPGA/CPLDの適用範囲
FPGA/CPLDの適用範囲

昔は補助的な機能やグルー・ロジック（各機能やIC間を接続させる論理回路）を担うだけの、単純なデバイスだったFPGAですが、いまや製品アプリケーションの中心的な機能を担うことができるデバイスに、大きく進化しています。

FPGAの採用例を、さらに詳しく知りたい方は、こちらのFPGA事例紹介をご覧ください。

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FPGAとCPLDの違いとは？

ところで、CPLDという言葉を聞いたことはあるが、FPGAとの違いがよくわからない、という方も多いのではないでしょうか？

FPGAとCPLDは、どちらも「再プログラムが可能なロジック・デバイス」なのですが、技術的に異なる点がいくつかあります。大まかに言うと、CPLDの回路規模や機能・性能をより高度化したものが、FPGAということになります。

一般的なCPLDとFPGAの比較は以下のとおりです。（例外もあります。）

FPGAとCPLDの違いとは

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なぜFPGA が便利なのか？

FPGA最大のメリットは、開発期間を短縮できることにあります。

これは、見方を変えれば、設計者がギリギリまで設計を行うことができるようになる、ともいえます。

たとえばFPGAを使った場合の開発と、使わなかった場合の開発では、その開発期間に1/2 ～ 1/3の差が生まれるまでとなっています。少量多品種、製品サイクルの短期化が進んでいる市場の動きに、すばやく追随するには欠かせないデバイスとなっています。

ほかにもFPGAの優れている点をご紹介します。

   FPGA 搭載開発キット

設計エンジニアにとってのFPGAのメリット

  • 最新のプロトコルなどの規格に素早く対応できる
  • 製品開発のどの段階でも設計変更ができる（最終段階でも変更に対応可能）
  • 豊富なIPを利用できるため、自社ならではの技術に集中できる
  • 実証済みの多数の機能を再利用して、設計時間を短縮できる
  • 消費電力とスペースを削減できる
  • 多数の自動化ツールを利用し、タイミング解析など複雑な設計検証を確実に、かつ容易に行うことができる
  • 多数の顧客基盤による豊富なノウハウとサポートを得られる

開発部門の責任者にとってのFPGAのメリット

  • 開発期間の短縮（設計時間を大幅に短縮し、製品をより早く出荷できる）
  • デバイスのディスコン（製造中止）のリスクを排除
  • 豊富なIPや自動化ツールを持つFPGAの利用により、製品差別化領域への開発資源の集中が可能
  • 最新のプロトコルや規格に素早く対応できる
  • エンジニア教育の効率化（ハイエンドからローコストまですべてのFPGAデバイスに１種類の開発ツール、ハンズオンを含む豊富な教育セミナーやデモなど）
  • 設計資産の再利用が可能になり、開発工数の削減と設計品質の向上が可能

経営者や事業部責任者にとってのFPGAのメリット

  • 開発コストの削減
    • NRE（Non-recurring Expense、デバイス開発の初期コスト）が不要
    • リスピンによる追加NREの負担なし
    • 開発期間の短縮による人的費用の低減
  • リスクの低下
    • デバイスのディスコン（製造中止）のリスクなし
    • 実証済みの多数の機能
  • 短期での製品の市場投入（Time to Marketの実現）
  • 競合他社製品に対する明確な差別化を実施
  • 少量多品種開発の効率化
    • 今や量産にも十分対応できるFPGA

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FPGA 設計は難しい？！

FPGAの設計フローは、いくつかのステップに分類されます。
と言うと、「ステップごとに違う開発ソフトの使い方を勉強しなくてはならないのか？」と心配になるかもしれませんが、そんなことはありません。

FPGAのすべての開発工程は、ひとつのFPGA開発ソフトウェアで行うことができます。また、開発ソフトウェアには、設計に必要な設定を開発ソフトが自動で行う便利な機能もたくさん備えています。

FPGA 設計の流れ

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さらに専門的に知りたい方には・・・

さらに詳しく、専門的に知りたいという方には、以下のメニューをご用意しています。

 

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