Microsoft PowerPoint - 今からでも遅くないFPGA_rev8.ppt

(1)

1

Proprietary to PALTEK CORPORATION

「今からでも遅くない！

FPGA初心者入門講座」

(2)

本日のステップ

 お持ち帰りいただきたいもの

1. 『FPGAの歴史／進化の流れ』

2. 『FPGAの今』

(3)

3

2004年 Virtex-2Pro 火星探査機Rover

宇宙にもザイリンクス！

2009年 Virtex-4FXT ハッブル望遠鏡

2009年 Virtex-5FXT STS-129 ミッション

SPACECUBE

(4)

アプリケーションでの採用理由

Walgreens社用デジタルサイネージ

（ニューヨーク市のタイムススクエア）

AED社設計

 費用対効果

 頻繁な設計変更に対応する柔軟性

 広帯域データ伝送 (150Gバイト/30秒)

(5)

5

アプリケーションでの採用理由

P r o S o u n d α 10

アロカ社超音波診断装置 Prosound α10

Virtex ®-4SX および

EasyPath FPGA

 高速DSP機能で高精細画像のリアルタイム表示

 最新機能を追加できるフレキシビリティ

 量産までの期間短縮（Time-to-Market)

 ASICの再認定コストを不要化

(6)

実アプリケーションでの採用理由

 顧客ごとに異なる仕様に対するフレキシビリティ

 量産までの期間短縮（Time-to-Market)

 ザイリンクスおよび代理店のサポート

ASTRI社液晶TV用ダイナミック LED バックライト制御

SPARTAN-3A

(7)

7

アプリケーションでの採用理由

 新機能をフィールドで追加し、システムをアップグレード

• エンドユーザー（放送局）が新モデルの購入不要に

• 製品ライフサイクルの長期化

 消費電力の削減

Miranda Technologies 社

3D映像対応マルチビューア Kaleido-X16

Virtex-5

(8)

多様な分野で採用されるザイリンクス

有線・無線通信

ネットワーク

放送映像

医療機器

産業用電子機器

自動車産業

航空宇宙

民生機器

など

(9)

9

2010 カスタマーイノベーション特別号

http://japan.xilinx.com

/publications/index.htm

http://japan.xilinx.com

/publications/index.htm

(10)

FPGA入門講座

1. FPGAのポジションと進化

2. FPGAのしくみは ?

3. なぜFPGAを使うの ?

(11)

11

FPGAの位置づけ

集積回路

ディスクリート

_{ディスクリート}

ハイブリッドIC

モノリシックIC

_{モノリシックIC}

ダイオード

_{ダイオード}

トランジスタ

_{トランジスタ}

半導体

シリコンIC

ガリウムヒ素IC

バイポーラIC

MOS IC

_{MOS IC}

MOSメモリ

MOSロジック

_{MOSロジック}

続く

(12)

Field Programmable Gate Array

_{カスタム化が可能なデバイス}

FPGAの位置づけ

標準デバイス

カスタム IC

_{カスタム IC}

標準ロジック

_{セミカスタムIC}

(ASIC)

セミカスタムIC

(ASIC)

フルカスタムIC

ゲート

アレイ

ゲート

アレイ

スタンダ

_ード・セ

ル

スタンダ

ード・セ

ル

FPGA

MOS ロジック

SPLD

(Simple)

SPLD

(Simple)

_チャード

ストラク

チャード

_ベース

セル

ベース

CPLD

(Complex)

CPLD

(Complex)

PLD

ASSP

FPGAのポジションと進化

(13)

13

IC購入後にプログラム

半導体工場でカスタマイズを実現

FPGAの位置づけ

標準デバイス

カスタム IC

_{カスタム IC}

標準ロジック

_{セミカスタムIC}

(ASIC)

セミカスタムIC

(ASIC)

フルカスタムIC

ゲート

アレイ

ゲート

アレイ

スタンダ

_ード・セ

ル

スタンダ

ード・セ

ル

FPGA

MOS ロジック

SPLD

(Simple)

SPLD

(Simple)

_チャード

ストラク

チャード

_ベース

セル

ベース

CPLD

(Complex)

CPLD

(Complex)

PLD

ASSP

CPU/DSPと同じ

FPGAのポジションと進化

(14)

製造工程の削減

トランジスタの

作りこみ

配線

組み立て

デバイス

テスト

機器

組み込み

ASIC製造

スタンダード・セル

設計データ

_{設計データ}

ゲートアレイ

FPGA

ASIC製造期間が不要

開発期間の短縮

出荷後のアップグレードも可能

設計データ/

変更可能

設計データ/

変更可能

(15)

15

フリーマン特許・カーター特許



特許番号: US RE34363



発明者: Ross H. Freeman



特許内容: FPGAの基本アーキ

テクチャに関する発明



特許番号: US 464248



発明者: William S.Carter



特許内容: コンフィギャブルなロジック

エレメントの内部接続に関する発明

FPGAのポジションと進化

(16)

FPGA簡易年表

1984年--- Ross Freeman考案のSRAMベースの

FPGAでXilinx Inc.創設（米国サンノゼ）

1985年--- 初のSRAMベースFPGA XC2064シリーズをリリース

・

2010年--- Xilinxがマーケットシェア最大のFPGAメーカー

1985年

2010年

2.5ミクロンルール

8万5千個のトランジスタ

40nm

25億個のトランジスタ

FPGAのポジションと進化

(17)

17

FPGA進化のターニングポイント



1998年前後：メモリー搭載



2001年前後： DSPブロック搭載、プロセッサ



2002年前後： SerDes搭載

FPGAのポジションと進化

(18)

Virtex-6: 高機能・高性能FPGA

データ転送

データ処理

(19)

19

Spartan-6：低コストシステムの実現

データ転送

データ処理

データ保持

データ転送

(20)

FPGAの進化早見表



600倍の

集積度



100倍の

高速性



1/150の

低電力化



1/1000の

低コスト化

Year

100x 10x 1x 1000x '91 '92 '93 ' 94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 CLB容量性能消費電力/MHz 価格 Spartan-2 Spartan-6 Virtex-4 Virtex Virtex-E Virtex-II & Viterx II Pro XC4000 & Spartan XC4000 Spartan-3 Virtex-5 Virtex-6

ザイリンクス FPGA 20年間の技術進化

FPGAのポジションと進化

(21)

21

プログラマビリティが時代の潮流に

ASIC開発件数予測

件数

出典 : Gartner 「 Market Trends - ASIC Design Starts, 2009」 (2009 年 3 月)

「Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC Semiconductor Designs, but not Moore‘s Law」 (2009 年 12 月)

(22)

プログラマビリティが時代の潮流に

CPUコア搭載 CPUコアなし

件数

FPGA開発件数予測

(23)

23

プログラマブルは不可避

100,000

80,000

60,000

40,000

20,000

120,000

0

CPUコア搭載 CPUコアなし

約80,000件

件数

_{FPGA開発件数予測}

20,000

ASIC開発件数予測

約2,000件

「Market Trends - Recession Hits ASSP and SoC Semiconductor Designs, but not Moore‘s Law」 (2009 年 12 月)

(24)

FPGA入門講座

1. FPGAのポジションと進化

2. FPGAのしくみは ?

3. なぜFPGAを使うの ?

(25)

25

SLICE SLICE

IOB

配線

CLB

SERDES

ブロックRAM

DSP

SLICE

6入力LUT

FPGA

モデル

CLB SW CLB CLB CLB

100110011100110101111011

110011001110011010111101

1100110011100110101111011

_{110011001110011010111101}

1100110011100110101111011

システム構成概念

CPUやDSPのブートと同じイメージの

プログラム・ローディングがある

外部記憶

メディア

（プログラムメモリ）

外部記憶

メディア

（プログラムメモリ）

システム・コンポーネント

DDRメモリ

CPU/DSP

DA

AD

FLASHメモリ

ROM

CPU

DSP

ネットワーク

FLASHメモリ

ROM

CPU

DSP

ネットワーク

ビット・ストリーム・ファイル

C

A

D

B

P

_Q

CPU

Xilinx FPGA

(27)

27

(28)

組み込みシステムの

デザインフローに

類似

ビットストリーム

_{ダウンロード}

コンパイル

デザイン入力

（コーディング）

デザインフロー

(29)

29

FPGA入門講座

1. FPGAのポジションと進化

2. FPGAのしくみは ?

3. なぜFPGAを使うの ?

4. FPGAを使うために

(30)

市場の要求に対するお客様の悲鳴

1)価格 2) 品質 3) 多様化 4) 技術進化のスピード 5) 製品ライフ

全てを優先することはほぼ不可能

なぜFPGA？

(31)

31

億円

1

2

3

4 ASIC 開発費の高騰化

出典: 日経エレクトロニクス 2003 9-1 no.855

1999

2001

₂₀₀₃

2005

2007

2000万円 1200万円 5000万円 3000万円 5000万円 8300万円 1億2000万円 7200万円 6000万円 1億5000万円 2億5000万円 180nm 130nm 90nm 65nm 3億6000万円

FPGA

マスタ・スライス

セルベース

FPGAはICの開発費用は不要

なぜFPGA？

(32)

類似機種の垂直立ち上げ

ASSP

Memory

uC

ASSP

Model-C

ASSP

Memory

uC

ASSP

Model-B

ASSP

Memory

uC

ASSP

Model-A

 6カ月以内の垂直立ち上げ

複数の機種を同時に立ち上げるには

?

 6カ月以内の垂直立ち上げ

複数の機種を同時に立ち上げるには

?

機種間の差別化

標準化が確立していない

 インターフェイスが機種により異なる

ソフトで実現するか、ハードで実現するか

機種間の差別化

標準化が確立していない

 インターフェイスが機種により異なる

ソフトで実現するか、ハードで実現するか

FPGAが機種間の

機能差を吸収

ベース基板の

プラットフォーム化で

生産を効率化

FPGAが機種間の

機能差を吸収

ベース基板の

プラットフォーム化で

生産を効率化

なぜFPGA？

(33)

33

* SOURCE: CURRENT AND EMERGING EMBEDDED MARKETS AND OPPORTUNITIES – ELECTRONICMARKET FORECASTERS † SOURCE: MCKINSEY & CO. , # SOURCE: JOHN CHAMBERS WINDRIVER SYSTEMS, INC.t

企業A

企業B

企業A がフィールドアップグレード

市場の開始

市場の終焉

フィールド・アップグレードで

利益拡大

市場参入の遅れで

利益減少

市場ピーク

(Time in Market Advantage)

第一参入者の

利益確保

ザイリンクス製品での市場参入期間



市場投入が6ヶ月遅れることで、その後の5年間で33%の利益を損失する



4週間遅れる毎に、14%のマーケットシェアを失う

１位でなければ、、、

_{なぜFPGA？}

(34)

“ムーアの法則”のその先には？



人間や環境をシステムに繋ぐインターフェイスの多機能化



ICプロセス技術の進化

出展：International Technology Roadmap for Semiconductors 2009 Edition

外界とのインターフェイス

プロセス技術

FP

G

A

アナログ

_{デジタル}

橋渡し

アナログ

_{デジタル}

橋渡し

音声

画像

多数のセンサー

なぜFPGA？

(35)

35

開発者のチャレンジ

開発者のチャレンジを

包括的に支援するプラットフォーム

FPGA

なぜFPGA？

(36)

FPGAの優位性トータルコスト

ASIC ASIC トレンドトレンド FPGA FPGA トレンドトレンド開発費用 + デバイスコスト

Total cost over time

微細化で損益分岐点移動

プロセスの進化によりASIC開発費用は高騰し, FPGAデバイスコストは低下するので、分岐点が右へ移動する

プロセス進化による

追加ASICコスト

:

プロセス進化による

追加ASICコスト

:

• NRE費用の高価格化 • プロジェクトの18%が5ヶ月以内にキ ャンセルされる • 58%のプロジェクトは市場参入の遅れ から総出荷数が減少する • ASICの開発サイクルでは長すぎる市 場がある • NRE費用の高価格化 • プロジェクトの18%が5ヶ月以内にキ ャンセルされる • 58%のプロジェクトは市場参入の遅れ から総出荷数が減少する • ASICの開発サイクルでは長すぎる市 場がある Total Units

なぜFPGA？

(37)

37

DSP と FPGAの使い分け

Data Out

MAC ユニット

係数

DSP

(Digital Signal Processor）

(Digital Signal Processor

）

シーケンシャル処理

1GHz

192 クロックサイクル

192

192 クロック

クロック

サイクル

= 5.2 MSPS

192 クロックサイクル必要

Data In

X

+

Reg Reg

600MHz

60

60 0MHz

0MHz

1 クロックサイクル

1

1 クロック

クロック

サイクル

= 600 MSPS

=

60

60 0 MSPS

0 MSPS

Data Out

FPGA

完全なパラレル処理

1 クロックサイクルに 192 動作

Data

In

X

+

C0 C0 C1C1

_X

C0

_X

C0

C2C2

_X

C3C3

_X

…

C192C192

_X

Reg

Reg RegReg RegReg _Reg_Reg

192 タップフィルタは FPGA が 100 倍以上高速

(38)

FPGAプロセッサ



市販CPU／ASSP：

–

ディスコンの心配

–

入手性

–

ペリフェラルが限定



なぜFPGAプロセッサか

–

部品リスト削減：既存FPGA＋CPUシステム＝＞1チップ

–

特殊な使い方をしたい：マルチプロセッサ/ 自由なペリフェラル選択

–

長期利用が可能

–

多品種少量

なぜFPGA？

(39)

39

FPGAプロセッサ



プロセッサ on FPGA 例



FPGA プロセッサ検討のタイミング

–

OSを新たに採用する場合

（マルチタスク化、ファイルシステム追加、ネットワーク化）

–

OSを変更する場合

（ITRONからLinuxに変更したい＝ネットワーク化、Linuxソフト資産活用）

MicroBlaze（8KB Iキャッシュ）

SDRAMコントローラ

外部メモリコントローラ

システムタイマー

割り込みコントローラ

LED制御GPIO

GPIO

ブロックRAM（8KB）

コンソール用UART

3,000～4,000LC・・・@200～500

なぜFPGA？

(40)

FPGA

を使う理由～まとめ～

標準品 ⇒ 在庫管理が容易

量産立上げ直前まで設計変更が可能 ⇒

Time-to-Market

量産立上げ後にデザインのアップデートが可能 ⇒

Time-in-Market

開発費用：

0円から

低価格

FPGAが量産使用を可能にした

幅広い集積度レンジ

機能が豊富 ⇒

I/O、メモリ、乗算器、SerDes、CPU、IP、DSP機能等

手許で簡単にアイデアを試すことが可能

デザイン変更・アップデートの容易性

なぜFPGA？

(41)

41

FPGA入門講座

1. テクノロジーの進化の流れ

2. FPGAのしくみは ?

3. なぜ彼はFPGAを使うの ?

4. FPGAを使うには ?

(42)

何から始めるのか？

1. まずFPGAを試しに動かす

2. FPGAの詳細を知る

3. FPGAの設計手法を習得する

4. 資料/ チュートリアルを入手する

(43)

43

“ザイリンクス FPGA 講座”オンライン

(44)

とにかくまず試してみたいという方は



評価ボードを入手

Spartan-6 評価ボード

特殊電子回路（株）

http://www.tokudenkairo.co.jp/

ザイリンクス社

SP601 評価キット

¥37,800

（税別） ∼

¥39,800

（税別）

(45)

45

FPGA評価ボード



Virtex-6

DSP

PCIe x8

組み込みシステム

放送機器



Spartan-6

産業用

イーサネット

民生用

ビデオ

放送機器用

ビデオ

PCIe

汎用ボード

(46)

(47)

47

(48)

(49)

49

(50)

(51)

51

ザイリンクスの提供するトレーニング

(52)

ザイリンクスの提供するトレーニング

生産性の向上

 短時間で効果的な設計知識を習得

 最新テクノロジの導入時間を短縮

 市場投入時間 (Time To Market) を短縮

 さらに進んだイノベーションおよびデザイン機能

「最少リソースで最短の結果を！」

リスクの低減

 設計時間のサイクルを短縮

 サポートへの依存およびコストを低減

トレーニングなしトレーニング受講者時間リソース

Xilinx Training

Time to Market

最少リソースで最短設計

コスト効率化

Xilinx Training

Time to Market

最少リソースで最短設計

コスト効率化

(53)

53

各種日本語ノウハウ資料



代理店オリジナル技術データベース

–

技術資料を、製品別/ 設計工程別で掲載

–

日本語で書かれた各種マニュアルやチュートリアル（演習データ付き）

＜技術資料人気TOP 20＞

順位資料名 1 ライセンスの取得・設定方法 2 Spartan-6 設計ガイド 3 Spartan-6 でのLVDS IFの実現 ∼ XAPP1064補足資料 - 7:1 / 1:7 シリアライズ / デシリアライズ 4 配置制約を使用したパフォーマンスアップ方法∼PlanAhead編∼ 5 Spartan-6 Pinout Description & Check Sheet

6 ザイリンクスシミュレーションライブラリのコンパイル 7 Spartan-6 でのLVDS IFの実現【シミュレーションデザイン】 8 ISE Design Suite 12 インストール、ライセンス、リリースノート 9 Spartan-6 でのLVDS IFの実現【デモデザイン】 10 Spartan-6 MCB の概要 11 タイミング制約を使用したパフォーマンスアップ方法 12 コンフィギュレーションの概要 13 Virtex-6 設計ガイド 14 書き込み用ファイル

15 MIGを使用した Spartan-3 DDR Memory Controller Design Guideline 16 ChipScope Pro簡易マニュアル ∼ Core Inserter 編 ∼

17 ChipScope Proチュートリアル ∼ Core Inserter 編 ∼ 18 配置配線実行方法（ISE v12.1用)

19 Constratints Editorにおけるタイミング制約 (ISE v12.1用) 20 XSTにおける論理合成（ISE v12.1用）

2010年11月調べ

(54)

もっと詳しく知りたい方は



本会場のブースでISE（開発ソフトウェア）のデモを見る

ザイリンクス

PALTEK

(55)

55

(56)

(57)

57

最後に

FPGAは、

独自性／ユニークを求めて

チャレンジする開発者の

プラットフォームです

(58)

ご質問はザイリンクスの展示ブース『E-26』へどうぞ

革新性と機動力

製品差別化

(59)

59

よく使われる用語

FPGA（エフピージーエー) ･･･Field Programmable Gate Array PLD（ピーエルディー) Programmable Logic Device

IOB（アイオービー）･･･ Input Output Block

CLB（シーエルビー）･･･ Configurable Logic Block 、CLB内部には複数のSLICEが存在 SLICE（スライス）・・・・LUTを複数まとめた機能ブロック（デバイスによりLUT数は異なる） LUT（エルユーティー）･･･ Look Up Table (SRAM型FPGAの基本論理セル）

DLL（ディーエルエル）･･･ Delay Locked Loop MGT（エムジーティー）･･･ Multi-Gigabit Tranceiver

SelectRAM（セレクト・ラム）･･･ LUTをユーザに開放したRAM

BlockRAM（ブロック・ラム）･･･ FPGAの内部に装備されたRAMモジュール IP Immersion（アイピーイマージョン）･･･ Xilinx社のIP埋め込み技術の一つ SERDES（セルデスあるいはサーデス）･･･ Serializer Deserializer の略

RocketIO（ロケットアイオー）･･･ Xilinx社の高速シリアルIOでClock Data Recovery機能を有する SERDESの機能を持つ

ISE（アイエスイーor アイス）･･･ Integrated Software Environment ザイリンクスの開発ツール名 GA (ゲートアレイ）･･･Gate Array

ASIC(エイシック) ･･･ Application Specific IC

ASSP(エイエスエスピー) ･･･ Application Specific Standard Products NRE(エヌアールイー）･･･ Non-Recurring Engineering Cost 開発コスト

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「今からでも遅くない！

FPGA初心者入門講座」

本日のステップ

 お持ち帰りいただきたいもの

1. 『FPGAの歴史／進化の流れ』

2. 『FPGAの今』

2004年 Virtex-2Pro 火星探査機Rover

宇宙にもザイリンクス！

2009年 Virtex-4FXT ハッブル望遠鏡

2009年 Virtex-5FXT STS-129 ミッション

SPACECUBE

アプリケーションでの採用理由

Walgreens社用 デジタル サイネージ

（ニューヨーク市のタイムス スクエア）

AED社 設計

 費用対効果

 頻繁な設計変更に対応する柔軟性

 広帯域データ伝送 (150Gバイト/30秒)

アプリケーションでの採用理由

P r o S o u n d α 10

アロカ社 超音波診断装置 Prosound α10

Virtex ®-4SX および

EasyPath FPGA

 高速DSP機能で高精細画像のリアルタイム表示

 最新機能を追加できるフレキシビリティ

 量産までの期間短縮 （Time-to-Market)

 ASICの再認定コストを不要化

実アプリケーションでの採用理由

 顧客ごとに異なる仕様に対するフレキシビリティ

 量産までの期間短縮 （Time-to-Market)

 ザイリンクスおよび代理店のサポート

ASTRI社 液晶TV用 ダイナミック LED バックライト制御

SPARTAN-3A

アプリケーションでの採用理由

 新機能をフィールドで追加し、システムをアップグレード

• エンドユーザー（放送局）が新モデルの購入不要に

• 製品ライフサイクルの長期化

 消費電力の削減

Miranda Technologies 社

3D映像対応マルチビューア Kaleido-X16

Virtex-5

多様な分野で採用される ザイリンクス

有線・無線通信

ネットワーク

放送映像

医療機器

産業用電子機器

自動車産業

航空宇宙

民生機器

など

2010 カスタマーイノベーション特別号

http://japan.xilinx.com

/publications/index.htm

http://japan.xilinx.com

/publications/index.htm

FPGA入門講座

1.

FPGAのポジションと進化

2.

FPGAのしくみは ?

3.

なぜFPGAを使うの ?

FPGAの位置づけ

集積回路

集積回路

ディスクリート

ディスクリート

ハイブリッドIC

ハイブリッドIC

モノリシックIC

モノリシックIC

ダイオード

ダイオード

トランジスタ

トランジスタ

半導体

半導体

シリコンIC

Walgreens社用デジタルサイネージ

（ニューヨーク市のタイムススクエア）

AED社設計

アロカ社超音波診断装置 Prosound α10

 量産までの期間短縮（Time-to-Market)

 量産までの期間短縮（Time-to-Market)

ASTRI社液晶TV用ダイナミック LED バックライト制御

多様な分野で採用されるザイリンクス

_{ディスクリート}

_{モノリシックIC}

_{ダイオード}

_{トランジスタ}

_{MOS IC}

_{MOSロジック}

_{カスタム化が可能なデバイス}

_{カスタム IC}

_{セミカスタムIC}

_ード・セ

_チャード

_ベース

_{カスタム IC}

_{セミカスタムIC}