第1章計算基盤としてのFPGA

第１章
計算基盤としてのFPGA
滝本宗宏
はじめに
• FPGAに基づくプログラム可能ハードウェア基
盤 → ソフトウェアアプリケーションの高速化
ハードウェアの見地：従来のマイクロプロセッサに
基づくソフトウェアプログラム可能システムと，ア
プリケーション特注のハードウェア関数とのギャッ
プの橋渡しをする
ソフトウェアの見地：FPGA基盤の設計ツールや方
法論がハードウェア高速化アルゴリズムの素早
い作成を可能にする．
はじめに
• プログラム可能ハードウェア基盤によるよいこと
1. ソフトウェアエンジニアによる特注ハードウェア関数の
作成
2. 設計固定日時の遅延
3. 単純化したフィールド更新
4. 電気製品の多くのカテゴリから特注チップを縮小や排除
• ASIC（applica tion-specific integrated circuit）からFPGA
へ
• この章：
1. FPGAとFPGA基盤を概観
2. C言語を使ったFPGAアプリケーション開発における哲学
1.1 FPGAとは
• FPGA（field-programmable gate array）：
1. フィールド内デバイスの操作を変更化
2. プログラム可能論理ブロック（数トランジスタ）が
プログラム可能な相互接続によって結合
3. 論理ブロック：検索表（lookup table, LUT）
一般的なFPGAの特徴
• 論理要素： FPGAデバイスは，小さな論理要素（論理セル）配列に
基づいて構成される．
• 検索表：論理要素はプログラム可能レジスタ（１つ以上，フリップ
フロップ）と入力（５以下）を構成する論理部（検索表）からなる．検
索表は，任意の組み合わせ関数を作成できる．
• メモリ資源：最近のほとんどのFPGAがチップ上にもっている
（SRAM）．局所メモリ（論理要素内からアクセス可），共有メモリとい
うように階層化されている．
• 経路指定（ルーティング）資源： FPGAの柔軟性の素であり，プロ
グラミング柔軟性と領域効率とのトレードオフが存在する．プログ
ラム可能スイッチが，FPGA資源を接続する．
• 構成可能I/O： FPGAに基づくアプリケーションには，さまざまなシ
ステムレベルインタフェース要求があるので，FPGAは，多くのプロ
グラム可能I/O特性を備えている．
FPGAプログラミング技術
• FPGAプログラミング技術：１回だけプログラミングができるものか
ら（Actel , Quicklogic），消去可能なSRAMに基づくもの（Altera, Lattice
Semiconductor, Xilinx）まである．
• SRAMに基づく消去可能なものが主流．アップグレードは，フラッ
シュメモリの更新や，WebやCD-ROMからバイナリイメージを取得
するのと同様に容易．
• FPGAで実装されたアプリケーションは，ASICと比べて，遅く，電力を
消費する．
• FPGAの開発は，リスクとコストを劇的に引き下げ，開発時間を短
縮させる．→ ASICのプロトタイプ
• 電力消費と再構成時間の点でコストが高い再構成可能計算の将
来についても述べる．
• HDLの使用や既存機能ブロックの配置によって振舞いを定義 ‐[合
成器]→ ネットリスト（バイナリ中間ファイル） ‐[配置経路設定ツー
ル]→ ビットマップ（FPGAにダウンロード）
1.2 FPGAに基づくプログラム可能
ハードウェア基盤
• プログラム可能ハードウェア基盤：
FPGAのようなプログラム可能ハードウェア要素を含み，ソフトウェ
アアルゴリズムのすべてや一部を実装できるもの
• 基盤のソフト構成要素（組込みプロセッサ，周辺機器，FPGA内で
動作する組込みOS）の定義を拡張することもできる．
• 今日のFPGA：組込みプロセッサコアと特注ハードウェア機能（図
1-1： Intellectual property, IP ブロック）をもつ標準周辺機器との組
合せは，特定のタスクや，特定のアプリケーションドメインに理想
的に適合したプログラム可能基盤を専用に作成することが可能
• プログラム可能基盤に基づく設計の試みは，元からシステム設計
者とソフトウェアアプリケーション開発者の領域
• ソフトウェアアプリケーション開発者には，設計のどの部分がハー
ドウェアになり，どの部分を従来のプロセッサ上のソフトウェアとし
て実装すべきか，離散デバイスとFPGA基盤内に組み込まれたプロ
セッサコアのいずれを用いるか，システム設計者ほど明らかでな
い．
1.2 FPGAに基づくプログラム可能
ハードウェア基盤
• ソフトウェアアプリケーション開発者にとって，ア
プリケーションやアルゴリズムを全体として考慮
し，アルゴリズムの並行性を向上させ，可能な最
高の性能を発揮させるために，並列プログラミン
グ手法を利用することが，ずっと根本的．
• アプリケーション開発者が，設計の初期のフェー
ズで行う根本的な決定，アルゴリズム分割の効
果，自動コンパイラやハードウェア合成ツールを
用いた，アプリケーションのハードウェアへの
マッピングは，最終システムの性能に大きく影響
する可能性がある．
1.3 コストを下げながらパフォーマン
スを向上させる
• 安い汎用マイクロプロセッサの使い勝手を向
上させたいとき，FPGAを組込みシステムに導
入する方が，高性能DSPチップや，特注ASIC
処理機能を導入するよりコストが安い．
 より高い解像度や，より大きなシグナルバンド
幅を扱うために，既存のシステムの処理能力を
向上させなければならない場合，必要な性能向
上は，計算資源の増強が必要な計算上の問題
かもしれないし，バンド幅問題を可決するまったく
新しいアプローチが必要になるかもしれない．
1.3 コストを下げながらパフォーマン
スを向上させる
• Digital signal processing (DSP)のアプリケーションは，FPGA
で効果的に対処できるよい例
1.
2.
•
•
FPGA内に処理機能を実装すると，命令に基づくプロセッサが
不要になるか，必要性を軽減できる
高性能DSPに対してFPGAのコスト/性能トレードオフの方が優
れているという逆転が，徐々にシステム設計者に知られるよ
うになった（特注ASICのリスクと最初にかかるコストと比べても
ずっと優れている）．
計算中心のアルゴリズムのほとんどは，Cソースコードで
記述する方が，等価なハードウェア記述に比べて，少量
で済む．
信号処理や他の計算中心のアプリケーションを実現する
際，FPGAは，後にASICに変換されるプロトタイピングとし
て使用されたり，実際の製品基盤として使用されたりする
（フィールドソフトウェアのアップグレード可）．
1.3 コストを下げながらパフォーマン
スを向上させる
• 多重デバイス（プロセッサ周辺機器，接続論理部）を１つの
FPGAにまとめることができる．
→ サイズとシステムの複雑さを軽減し，初期投資を下げる．
• アプリケーション各部を分担：各処理形式の知識が必要
だが，単位コスト当たりの性能が優れている．
1.
2.
•
性能が問題にならない部分（OS，ネットワークスタック，ユーザ
インタフェース） → ホストマイクロプロセッサ（ARM，PowerPC，
Pentium）
計算中心の部分 → 高性能DSP, FPGAの専用ハードウェア，
特注ASIC
FPGAは，以前プロトタイプとして作成してきたアルゴリズ
ムを，徐々に移植や検証できる．
→ Impulse-CのようなCに基づく設計ツールがあるとス
ピードアップ
1.4 ツールの役割
• ソフトウェア開発ツールは，２つの基礎的な方法
で，アプリケーション開発の結果を改善する．
1. 目的基盤について，適切で理解が容易な抽象化を
与える．基盤のよい抽象化は，最終的な製品の最
高のパフォーマンスを生じるプログラミング法を駆
使しながら，移植性の高いアプリケーションを作成
し，テストし，デバッグすることを可能にする．
2. アプリケーションを，元の高水準記述から最適化さ
れた（基盤にロードされ実行される）低水準な表現
に変換する機械的な過程に価値がある．
1.4 ツールの役割
• 理想的なツールフローでは，プログラマがこの変
換過程の特定のステップについて関知しなくても，
アプリケーションが自動ツールの魔法によって，
最高の効率で動作する．
 少なくとも最適化およびコード生成の仕組みや，
マッピング過程の動作の仕方の基本的な理解がなけ
ればならない．
 フローを調整する（オプションを指定するなど）か，
元のアプリケーションに戻って，アルゴリズムレベル
の最適化をするかして，変換過程を制御しなければ
ならない．
ソフトウェアに基づく方法の重要性
• ツールの多重の役割を果たすために，新生
自動ハードウェア生成ツールは，自動コンパ
イル/最適化問題と，FPGAに基づくプログラム
可能基盤クラスに意味のあるプログラミング
抽象化やプログラミングモジュールの提供の
両方に重点を置いている．
• すべての新生ツールは，ソフトウェア指向設
計の経験を増やすことに重点を置いている．
ソフトウェアに基づく方法の重要性
• ソフトウェア指向設計ツールが適切な理由：
 ソフトウェアは，従来のRTL設計より高水準の抽象
化を提供するので，複雑になっていく基盤に基づくシ
ステムを管理するのに役立つ．
 アルゴリズムは，ソフトウェアとして仕様化され，テ
ストされ，検証されるので，ソフトウェア指向設計環境
は，ほとんど，手動変換が必要ない．
 ソフトウェアを実行するマイクロプロセッサは，すべ
ての最新システムの一部になってきた．
→ ソフトウェアをハードウェア実装に直接コンパイル
することができる新生技術があれば，ソフトウェアが
システム設計の共通語になる．
ソフトウェアに基づく方法の重要性
• FPGAの適切な抽象化を提供するソフトウェア指
向プログラミング，シミュレーション，デバッグの
各ツールによって，ソフトウェア設計者およびシ
ステム設計者は，どれか１つのアルゴリズムで
アプリケーション開発と実験を始めることができ，
ハードウェアの特定の知識を必要とせずに，き
わどい設計を決定できる．
• 図1-2と1-3は，ソフトウェアからハードウェアへと
いう設計方法とツールを導入すると，従来のソフ
トウェアおよびハードウェア設計過程が改善され
ることを示している．
ソフトウェアに基づく方法の重要性
ソフトウェアに基づく方法の重要性
1.5 組込みソフトウェア基盤としての
FPGA
• FPGA上の設計は，組込みプロセッサ上の設
計に似ている．
1. 物理デバイスをプログラミングする前のアプリ
ケーションの機能のデバッグや検証に，シミュ
レーションツールが使われる．
2. FPGAのツールは，複雑で，設計時間がより長く
かかるが，基本設計の流れは，ハードウェア設
計というよりソフトウェア設計と見ることができる．
• DSPでの設計同様，低水準な特殊性やベン
ダ特有のアーキテクチャ特性も要求される．
1.5 組込みソフトウェア基盤としての
FPGA
• FPGAおよびプロセッサの傾向は，詳細を理解する必
要なく，すばやくアプリケーションやプロトタイプを実現
する方向である．
• この本で用いるImpulse-Cは，単純なCに基づくハード
ウェア/ソフトウェアの分割およびプロセス同期を与え
る．
1. 設計フローは，特注の振舞いシミュレータや他のEDAを
中心にした技術を必要とせずに，従来の組込みおよび
デスクトッププログラミングツールフローに統合されてき
ている．
2. FPGAに基づく基盤に対する，C言語による高度に並列
化したアプリケーションのシステム指向開発を可能にす
る（ソフトウェアとして自然に表現されない既存のHDL設
計手法とは，組み合わせられる場合とそうでない場合
がある）．
1.5 組込みソフトウェア基盤としての
FPGA
• ソフトウェア指向システム設計フローの重要
な点は，ソフトウェアで獲得した設計仕様を，
最も適切な基盤資源（プロセッサorFPGA）で
実現できることである．
1.6 プログラミング抽象の重要性
• ハードウェア技術者とソフトウェア技術者の技能は，
融合しはじめている．
1. ハードウェア技術者：言語（HDLはハードウェアクラスを
抽象化する）に基づく設計を導入してきた．
2. ソフトウェア技術者：並行性やメッセージ駆動型プロセス
同期法のようなハードウェア指向の概念を設計法として
蓄積してきた．
•
ソフトウェア技術者がソフトウェアアプリケーションプ
ログラミングからハードウェア実装へ移行するのは
困難．
 高水準言語で表現する概念的アプリケーションを，目的
のハードウェアに適合した効率的なハードウェア記述に
変えなければならない．
1.6 プログラミング抽象の重要性
• 振舞い合成の進歩によるハードウェア用高水準言語
コンパイラの発展が移行を容易にしたが，RTLや低水
準最適化法の専門知識なしに，効率的でハードウェア
とソフトウェアを組み合わせたアプリケーションを作成
するのは，まだ試験的な部分がある．
ハードウェア/ソフトウェアインタフェースの作成には，
低水準な抽象化にしなければならない．
2.
ハードウェアのタイミング駆動の特性を扱わなければ
ならない．
1.
•
この本では，すべてのアプリケーションをCで記述で
きないと認めて，ソフトウェアに基づく設計法やFPGA
のツールが適切な場合はいつなのかを示す．
1.7 C言語がFPGA設計に適合するの
はいつか
• ソフトウェア開発とハードウェア設計に必要な低
水準な手法とは，歴史的に別々
→ ハードウェア/ソフトウェアを組み合わせた解
法の実験には多くの時間がかかる．
• 完全なハードウェア/ソフトウェア設計は，ソフト
ウェアとハードウェアのソースファイルの集まりで
表現されるので，１つのツールで，コンパイル，
シミュレーション，デバッグを行うのは容易でない．
• ハードウェア設計過程は非効率 → ハードウェ
アとソフトウェアの設計サイクルは同期しない．
→ システムインタフェースと根本的なソフトウェ
ア/ハードウェア分割を早期に決定する必要
1.7 C言語がFPGA設計に適合するの
はいつか
• Cに基づくFPGA設計ツールの登場
→ よく知られたソフトウェア設計ツールや標準C言語
を，アプリケーションの多くに使用できる．
• 後の改良で，自動生成されたハードウェアを，手動で
作成したHDLコードで置き換えることができる．
 性能改良を行うためにハードウェア技術者が必要な点
は，設計サイクルの後ろの方に押しやられ，システム全
体として，生産的ソフトウェア設計法を用いて設計するこ
とが可能．
• 高度な並列化，多重処理アプリケーションを記述する
ために必要なC言語の拡張を利用することができる．
• 組込みプロセッサをもつ目的基盤に対しては，ハード
ウェア/ソフトウェアインタフェースを生成するのに利用
できる．
1.7 C言語がFPGA設計に適合するの
はいつか
• これらのツールとハードウェア/ソフトウェアア
プローチで成功するカギ：
アプリケーションをソフトウェア資源とハード
ウェア資源に適切に分割すること
よい分割戦略は，アルゴリズムの計算上の要
求ばかりでなく，データのバンド幅の要求も考慮
しなければならない．
2. ハードウェア/ソフトウェアインタフェースは，性
能上の重大なボトルネックになるかもしれない．
1.
1.7 C言語がFPGA設計に適合するの
はいつか
• 高度な並列アプリケーションに合ったプログラミ
ングモデルを使用することが重要
1. 遠隔手続き呼び出しのような従来のプログラミング
手法を使って，特定の関数をFPGA上に移す（ハード
ウェア関数：スタックで値をやりとりし，プロセッサは
結果待ちをする）．
2. 重要な計算をハードウェアに実行させられるように，
特製のプロセッサ命令を生成する．
3. データフロー指向手法は，より効率的で，障害や
デッドロックが起きにくい．
→ アプリケーションを全体として考え直す必要
1.7 C言語がFPGA設計に適合するの
はいつか
• 設計ツールは，多重並列プロセスの相互接続を
視覚化し，デバッグするために利用できる．
 例えば，アプリケーションモニタは，標準Cデバッガ
の制御下で実行しながら，アプリケーションおよびそ
の構成プロセスの全体像を与えることができる．
 アプリケーションのボトルネックになるデータ処理量
の多い領域を特定し，分割戦略の結果を定量化する
のに役立つ．
 ソフトウェアプロファイリング手法と組み合わせると，詳細
な解析や性能改善のために，コードの特定領域を見つける
ことができる．
1.8 この本の使い方
• ゴール：
1. FPGAを媒介として，ハードウェアとソフトウェアを組み合
わせたアプリケーションの生産的な設計者を育てる．
2. 設計の導入，デバッグ，コンパイルについて，別の手段
を与える．
• ソフトウェア開発者/組込みシステム設計者に対して：
1. FPGAを紹介し，歴史と，汎用ハードウェアデバイスの使
用の背景を述べ，組込みシステムに付属の計算資源と
して導入する際の利点と落とし穴について理解を助ける．
2. Cを使って，並列プログラミングの概念を導入して，ハー
ドウェアとソフトウェアを組み合わせたアプリケーションを
作成する点について，多くの時間を割く．
1.8 この本の使い方
• VHDL/Verilogを使っているハードウェア設計者に対して：
1. 既存の設計法にコンポーネントとしてC言語を用いるのに
役立つ．
2. 以前Cで表現してきたアルゴリズムを素早くプロトタイプ
ハードウェアにすることができ，大規模で相互に結合した
システムを作成して，自由に実験できる．
3. ハードウェア/ソフトウェアテストベンチや，テスト目的のコ
ンポーネントを作成する別の方法を提供する．
• ハードウェアおよびソフトウェア開発に対して：
1. ハードウェア/ソフトウェア分割を狭めるという他の側面か
らの設計要求を学ぶことができる．
2. ハードウェア設計者とソフトウェア設計者の協調が進む．

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