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Efinix社のFPGA


1万円 FPGAスタータキットで作る RISC-V CPU


［Webinar/KIT/data］新人技術者のためのRISC-V CPU設計 初めの一歩（5月31日～6月7日，2日コース）


手のひらサイズのFPGAボードで学ぶRISC-V

図1　Efinix社のTrion FPGAは，安価ながらも高い柔軟性をもち，RISC-Vプロセッサの実装も可能．40nmプロセスのTrionシリーズは，I$^$2CやSPIに加えて，DDRやLVDSにも対応する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．参考:［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門

Efinix社のTrion FPGAは，1万円程度のスタータキットで扱える小型ながらも高機能なFPGAです．このFPGAにRISC-Vプロセッサを実装することで，マイコンとは異なる自由度の高い演算システムを構築できます．ハードウェア記述言語を使って論理回路を記述し，自由な仕様のCPUを構成できます．

Trionシリーズは40nmプロセスで製造され，I$^$2CやSPIなどの一般的なインターフェースに加えて，DDRやLVDSにも対応しています．また，低価格であるにもかかわらず，数千規模のロジック・エレメントを搭載しており，RISC-V SoCのような中規模な論理回路も実装可能です．

FPGAへのRISC-V実装のメリット

RISC-Vはオープンな命令セット・アーキテクチャであり，ユーザが自由に命令の追加や構成の変更を行えることが特徴です．従来の商用CPUコアとは異なり，ライセンス料が発生しないため，小規模なプロジェクトや学習用途に適しています．

Efinix社はSapphire SoCというRISC-VベースのIPコアを提供しており，これを使うことでTrion FPGA上に完全な組み込みシステムを実現できます．

Efinixの開発環境であるEfinity IDEは，論理合成から配置配線まで統合的に扱えるツールであり，Icarus Verilogなどの外部シミュレータも標準対応しています．この環境により，ハードウェア設計に不慣れなユーザでも短期間で動作確認まで到達できます．

従来構造の限界を超えるXLRセル

Efinix社のFPGAの最大の特徴は，Quantumファブリックと呼ばれる独自アーキテクチャにあります．この技術は，ロジックと配線を一体化したXLRセル（eXchangeable Logic and Routing）によって構成されます．このセルは，$LUT$（LookUp Table）としても，インターコネクトとしても機能し，従来のような固定的な配線構造の制約を取り払うことができます．

従来型FPGAでは，ロジックが余っていても配線が足りないという状況がしばしば発生し，設計効率が低下する問題がありました．Quantumファブリックはこの制約を緩和し，柔軟に構成可能な構造を実現しています．

Quantumファブリックの技術的メリット

  1. 回路面積を1/2～1/4に削減可能
  2. 消費電力を1/2以下に削減可能
  3. 100万LE以上の拡張性をもつ
  4. 広帯域のデータ・バス構成が可能
  5. パイプライン処理が容易
  6. CMOSパス・ゲートによる実装で製造プロセス

〈著:ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 出身地：京都市左京区
  • 仕事：1986年，日立製作所に入社し，SHマイコンの開発に従事．以降，ルネサステクノロジ，ベンチャー企業，大手半導体メーカにて，画像処理用SoCや各種マイコンおよび関連半導体デバイスの開発を統括．現在もマイコン製品設計に取り組んでいる．
  • 趣味：1978年からマイコン・FPGA・GPUと戯れ
  • 執筆活動：2000年からマイコンを絡めた雑誌記事と書籍を執筆

著書

  1. ［VOD/KIT］実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ARMベース・システムLSI開発の事例研究，Design Wave Magazine 2006年5月号，CQ出版社．
  3. ARM汎用プロセッサで使える汎用JTAGデバッガを自作する，Design Wave Magazine 2008年6月号，CQ出版社．
  4. 並列処理プロセッサxCORE徹底研究，インターフェース 2014年11月号～2015年6月号（連載),CQ出版社．
  5. Cで直叩き！超並列コンピュータGPU全速力，トランジスタ技術　2019年9月号（特集），CQ出版社．ほか
  6. 今すぐ使えるH8マイコン基板　初版2010年，増補版2011年，CQ出版社．
  7. 2枚入り小型ARMマイコン基板　2011年，CQ出版社.
  8. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　基板付き　2013年，CQ出版社．
  9. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　開発編　　2013年，CQ出版社．
  10. SHマイコン活用記事全集　2014年，CQ出版社．
  11. FPGA電子工作スーパキット　2016年，CQ出版社．
  12. MAX10実験キットで学ぶFPGA＆コンピュータ　2016年，CQ出版社．
  13. 完全版FPGA電子工作オールインワン・キット　2016年，CQ出版社．

参考文献

  1. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング
  7. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．