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【応用情報技術者試験】FPGA

FPGAの論理回路と配線を再構成するしくみ ハードウェア

FPGA(Field Programmable Gate Array)は、製造後に論理機能や接続等を構成できる集積回路です。CPUへ命令列を与えることと、利用する論理回路を構成することを区別します。

内部で構成するもの

要素の例 役割
論理ブロック等 論理演算や状態の保持等を実現
配線・接続 機能ブロックを結び付ける
I/O・専用ブロック等 外部との接続、メモリ・演算等を支える

内部資源や呼び方は製品によります。論理ブロックの接続等を設定して機能を実現しますが、物理的なトランジスターの数やチップ面積を自由に増減できる意味ではありません。

CPU・ASICとの比較

種類 着眼点
CPU 命令を実行する汎用の処理装置
FPGA 用意された資源へ回路の機能・接続を構成する
ASIC 用途に合わせた専用の集積回路を設計・製造する

FPGA内にCPUを持つ製品や、CPUの回路を実現する構成もあり、完全に排他的な分類ではありません。目的に合う処理の並列化やパイプライン化を設計できます。

設計から動作まで

  1. 必要な処理と入出力を決める。
  2. ハードウェア記述等から論理を設計。
  3. 合成・配置配線等でデバイスの資源へ割り当てる。
  4. タイミングや資源量を検証し、構成データを用意する。
  5. 実機で機能と条件を確認する。

記述したものが全てそのまま回路になるわけではなく、設計手法やツールの対応範囲があります。

利点と制約

仕様変更や試作、特定の並列処理で強みがありますが、速度・遅延・消費電力は設計と対象処理に依存します。CPUやGPUより必ず速い、必ず低電力とは限りません。資源・配線・クロック・開発や検証の費用も条件になります。

確認問題:FPGAの再構成とは、物理的なチップの大きさを好きに増減すること?

いいえ。用意されたデバイス資源の範囲で、論理機能や接続を構成することです。

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参考資料

AMD:FPGAの構成と用途

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