Chapter2 後半６３１１６０７石川航大 2.2 再プログラム可能性、ハードウェア記述言語、 FPGAの台頭 1980年代中期から後期に起こった劇的な変化   プログラム可能論理の適用方法ソフトウェア計算のハードウェアアクセラレーション  ハードウェアアクセラレーション  ある機能を通常のCPU上で実行するよりも高速で行うためにCPUに付加的なハードウェアを使用することこの変化は3つの要素によって起こされた  ① ② ③ 2 再プログラム可能性柔軟なアーキテクチャの相互連結標準的なハードウェア記述言語による電気回路の結合再プログラム可能とは        論理回路を新しいプログラムのデータで上書きできるプログラム可能論理装置の中で重要な進歩複雑なシステムを作るハードウェア設計者に関わりがあるシステムを迅速に開発でき、原型の試験ができるソフトウェアとPROMベースのファームウェアのフィールドアップグレードを提供 PROM（Programmable ROM）通常時はデータを書き込めないが特定の手順で書き込み可能なROMの一種フィールドアップグレードにより     3 設計者によるバグ修正標準仕様変更への対応機器のアップグレードやサービス追加 FPGA表されたより柔軟なアーキテクチャ    Xilinx Altera Corporation 以前に存在したものより高い論理容量と汎用的な機能   ハードウェアで直接複雑な計算を実行できる開発者に抽象度の高いレベルでの作業を可能にした    強力な論理合成ソフトウェアツールの出現と発展 VHDLとVerilogと言うハードウェア記述言語の標準化低レベルの論理ゲート等のアルゴリズムの実際の実装の詳細は設計ツールから離れた  4  VHDLやVerilogのコードはプログラム言語のように抽象的  ハードウェアの実際の編集の為に意図されている場合      5 プログラマはハードウェアの基本的な知識を持っていてほしい特に論理クロックが低レベルレジスタで実行されているか設計者がクロック境界について理解し、アプリケーションのクロックの振る舞いの定義を書く必要があるクロック CPUなど一定の波長を持って動作する回路が処理の歩調を合わせるための信号。論理クロックは内部で一貫性が取れている。 1990年代の始め   プログラム可能論理装置が高性能なソフトウェアアルゴリズムと完全なアプリケーションをハードウェアに直接実装できる 1990年代の研究   ムーアの法則とロックステップ式を利用した装置を使うとアルゴリズムの促進の大きな可能性がある  ムーアの法則集積回路上のトランジスタ数は18ヶ月ごとに倍になるロックステップ式 2つのプロセッサで同じ処理を実行しその差を検出する  6 CISCやRISCは低いシリコン効率に苦しみ続けている  トランジスタが任意の時点で有用な仕事が出来る割合  世紀の変わり目でもFPGAの主な用途は従来のハードウェア機能にあった  コントローラやインタフェイス周辺機器との統合性   2つの進歩が組み合わさった  ① ② すべての機能が組み込まれたFPGAプロセッサコアの有効性ソフトウェアからハードウェアへのコンパイラツールの有効性 FPGAに基づくコンピュータの利用を実用的にするため FPGAプロセッサコア       7 FPGA内に組み込まれたCPU XilinxのMicroBlazeとPowerPCのコア AlteraのNios NiosⅡプロセッサコア他のサードパーティ製のもの 2.3 System on a Programmable Chip 組み込みIPコアが一般的になってきた  複雑性が低いマイクロプロセッサとマイクロコントローラがサードパーティから供給  特許使用料がいらないオープンソースのコア  IPコア集積回路を構成するための部分的な回路情報で、特に機能単位でまとめられているもの他の周辺装置と関連付けられたコア   8,16ビットコントローラ、UART、IO装置等を組み合わせてシステムを構築できる 8 組み込みシステムの設計者は従来の専用のコントローラの使用を控える    Zilog Z-80 , Intel 8051 , PIC 代わりにプログラム可能ハードウェアの中で直接プロセッサが実行する  アセンブリ言語の使用の著作権の権利が無いからオリジナルプロセッサの開発者や供給者の収益に影響が出た FPGAの売り手はFPGAを最適化する32ビットのプロセッサコアの所有権を作った   9 開発コストを数千ドルにした  XilinxとAlteraは汎用プログラム可能なFPGAのハイブリッドプロセッサを作った    標準的な32ビットプロセッサと繋がっている(PowerPC ARM) FPGA構造が増えるに従って実装できるシステムの種類が際限なくなることが明らかになったオンチップのインタフェイスが標準的 FPGAベースのシステムオンチップの一般的な支持が制限  複数の売り手からの組合せコアの挑戦     Avalonの使用促進 SOPCのソフトウェアツールを簡単な選択方法と関係付ける Alteraとサードパーティのコアの数の増加を結びつける Xilinxも同じような能力を提供した   10 Xilinxのプラットフォームスタジオソフトウェア OPB(On-chip Peripheral Bus)  高性能な組み込みアプリケーションを可能にする      組み込みシステムの設計者にとって     複数のカスタマイズされた組み込みプロセッサ他のサードパーティのIPコア汎用プログラム可能論理資源プログラム可能ハードウェアの素早いアセンブル能力欠落している新しいハードウェア機能を作成する方法 IPコアでそれらを統合する方法ハードウェアの設計技術が要求されないコンパイラツールが役割を果たし始めている 11 より高速で高性能な試作品に向かって  FPGAが与える事  任意のハードウェア構造を作るスイッチドファブリックを使った構造を繋げられる  スイッチドファブリック  複数のネットワークスイッチを介して相互に接続されたネットワーク構成  プラットフォームの柔軟性はアルゴリズムの性能を増やす特に並列処理を使用できるアルゴリズム 12  コンパイラが試作品を作る環境を良くする   C言語コンパイラを既存の設計フローに導入    アプリケーションがFPGAに直接コンパイルすることを許す同じ設計のデバッグと検証が早くなる別の設計方針による動く試作品を作ることが可能に C言語からハードウェアへのツールが発達するハードウェア記述言語レベルの大きなアプリケーションの実用性  And/or回路を不規則型に使用されることが少なくなる  入力言語がCや他の並列プログラムに適切な言語であっても 13 2.4 並列コンピューティングのためのFPGA  高性能なコンピュータの利用の研究    FPGAで作られた大量の並列カスタムコンピューティングエンジンはハードウェアや組み込みシステム設計の分野外の未来のアプリケーションにおいて重要な役割になるスーパーコンピュータクラスの性能は汎用のスーパーコンピュータのハードウェアの費用の一部で多くの重要なタスクを手に入れる研究の共通要素は比較的小さな配列について   14 独立同期したプロセスの要素はデータストリームやメッセージング指向コミュニケーションによってつながった独立同期の考えを使うと半自動プロセス要素は大きな柔軟性の FPGAに基づいた再構成可能なコンピューティング手法によく適合する再構成可能なコンピュータの利用とFPGA  再構成可能なコンピュータの利用     GeraldEstrinの発表した論文    高い柔軟性を利用して高性能な計算を行うデータパスを作ることと制御フローを変更できるようにする 1960年代から研究されているコンピュータアーキテクチャを再構成可能なハードウェアの要素の配列に統合された標準のプロセッサで構成する再構成可能なハードウェアのシステムでは専用のハードウェアの特定のタスクを実行するために動的に再構成するこれらのアイディアは実用的な実装につながらなかった  15 ハードウェアの動的生成のための機能が存在しなかった   FPGAが紹介された1980年代から動的に再構成可能なコンピュータを低コストで作成する研究が行われている再構成可能なコンピュータの利用はFPGAに限られない    これらのアーキテクチャでは汎用のマイクロプロセッサの代わりにはならない   FPGAや標準的なプロセッサの間の何処かにある新しい装置これらのプログラム可能装置はFPGAの柔軟性とプロセッサのソフトウェアのプログラム可能性の両方の見込みがある高並列でハードウェアベースの統一的なプログラミング方法論はまだないこのような方法論は新技術が広く普及できるようにすることが重要 16 2.5 Summary  このチャプターの内容     17 プログラム可能ハードウェアの歴史 1960年代後半から今日のFPGAの時代まで設計ツールの進歩プログラム可能ハードウェアの広範囲での使用 FPGAが並列プログラミングツールや方法の開発と並行して進化していく事は明らか