FPGA入門

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FPGAの特徴,歴史

FPGAの特徴

あなたは、いくつくらい、電子機器を使っていますか?? パソコン、テレビ、時計、DVD、電話、携帯電話、FAX、炊飯器、クーラー、ラジカセ、などなど、、、
特に、この文章を読んでいる方は、電子機器なしの生活は、考えられないのではないでしょうか?。
FPGAの最大の特徴は、これら、電子機器の部品である、IC(集積回路)の90%は、FPGAに置き換えても、動かせる、と言うことです。
特に、デジタルICは、99%置き換えても、大丈夫でしょう。 
では、なぜ、こんなことができるのでしょうか??
皆さんが、普段、見ることのない、IC(集積回路)は、電子機器には必ず入っています。今では、こんな物にまで、、と言うところにも入っています。(蛍光灯、掃除機など)
ICは、どこで作られるか、ご存じですか?? 半導体の工場です。 有名なところではNEC(NECエレクトロニクス)、東芝、ソニー、インテル、IBMなどなど、、
大きな工場、作るのに、たくさんの時間、長い設計時間等が、必要なのです。
FPGAもその、ICの一種類では、有ります。ほかのICと違うのは、FPGAの中に、ハードウェア回路を組めると言うことです。しかもパソコンと簡単な装置が有れば、、
この特性を持つことによって、いろいろなメリットが、生まれてきました。このメリットをまとめたいと思います。
1つからでもIC化できる。 ICを作るのには通常工場が必要です。そのため、大量生産が前提となります。
FPGAの場合は、パソコンと簡単な装置で開発が可能なため、少数、場合によっては、1つしか
使わない場合でも、IC化できます。少数しか作らない場合には、もってこいの製品です。
開発期間が短い パソコン上で、設計したら、数分から、数時間後には、実際に物ができあがります。
ICでは、工場に行くため、1〜2ヶ月は(最近は2週間程度のも、あります)かかってしまいます。
その分、早く、製品投入ができ、他社より早く物が出せるメリットや、初期費用を抑えられる効果が有ります。
高速動作 FPGAは、ハードウェアのそのものの、設計をいたします。
そのため、高速動作、並列動作に優れています。今の電子機器では、高速動作も要求されることが多いので、
使用される用途が広がっています。
カスタマイズできる。 パソコンで、開発できるため、ほかの製品と違った特徴を持たせやすいです。
そのため、他の製品に比べ、いろんな、バリエーションを増やし、差別化をしやすくなっています。
バージョンアップができる。 ほとんどのFPGAでは、製品に乗っけた後でも、バージョンアップができる機能を乗せています。
最初に作って、機能が物足りなかったり、多すぎた場合、より最適な回路に、バージョンアップできます。
これにより、他の製品と差別化が容易になります。
製作コスト安? これは、ケースバイケースで、全ての事例には、当てはまりませんが、、
ほとんど全てのデジタル回路を取り込むことができるため、複数のIC(デバイス)が一つのFPGAに収まる
ケースも出てきました。その結果、最終的な製作コストが安くなるケースも多々出てきています。
製品寿命が長い。 最近、時代の流れが速いです。それに伴って、ICの製品寿命も短く、先日使ったICが手に入らなくなる、、
と言うことが、よく起きていて、特に製品寿命の長い製品には、部品が手に入らず、商品打ち切りというケースも有ります。。
FPGAの場合は、デバイスの特性から、製品寿命がながいことと、設計データが有れば、基本的に新しいデバイスに
移行できるので、長く、安定的に使いたい場合に、有力な手段になっています。
もちろん、欠点も有ります。 徐々に取り込んではいますが、FPGAでは、弱い点、できない点を他のICと比べながら、まとめます。
ASIC(LSI) 現在ICの主力。
一番高性能にできる点と、
安価に作れる点がメリット
大量生産されたら、ASICにかなうのはなかなか有りません。
ただ、技術の進歩とともに初期費用が非常に高くなっている(1億円以上)ので、大量生産(数十万個)を作らないと、
コストメリットがでにくくなっています。開発期間が長いのも欠点です。
できる物はほとんど同じですので、現在ASICでのシェアを、FPGAが徐々に、取っている状態です。
DSP 信号処理用のIC
音楽、映像に強い。
安価で、高性能な演算処理ができるICがDSPです。特に音楽分野では圧倒的な、シェアを取っていました。
ただし、最近は、FPGAが安価になってきたこと、プロセッサー(CPU)が高性能になってきたことから、他のICとの
差別化が難しく、なってきています。 演算処理はFPGAも得意なので、この分野もシェアも抑えています。
マイコン
(組み込みマイコン)
安価なIC、
ソフトウェア開発に向いている。
今の電子機器に必ずと言っていいほど、搭載されている、マイコンです。安価であること、ソフトウェアで開発
できるため、開発者がたくさんいること、製品も使いやすいことがあげられます。
最近は、製品要求が高くなっているため、高機能になってきています。
ただ、製品サイクルが早いこと、高機能の面では、FPGAのハードウェアの優位さがあるので、徐々にでは
有りますが、FPGAにマイコンを組み込んで、採用される例が増えていっています。
プロセッサー(CPU) 高度なCPU
より高機能な演算処理
究極のソフトウェア処理。
今現在、半導体と言えば、にぎやかにしてくれるのが、プロセッサー(CPU)の部分です。インテル、AMDが強い部分です。
最近はIBM,ソニー連合がCELLを出してくるので、今後とも話題が多い分野でも有るでしょう。
演算性能の、発展はとどまることを知りません。今までは分野がはっきり分かれていた、DSPを飲み込んでしまう勢いです。
完全にソフトウェア指向のため、FPGAと直接ぶつかることが少ないのですが、マルチメディア分野等で、
どちらを、使用した方が、有利なのか、数年後には話題になりそうな、雰囲気です。
リコンギャブル
プロセッサー
CPUとFPGAの相の子?
両方の特性を持っている。
マルチメディア時代に、最適な?ICです。CPUの使いやすさ、FPGAのハードウェア的な、性能の良さを兼ね備えた、
ICになっており、今後のICの主役をねらっています。
ただ、現在は使用例が少なく、ICの性能を十分に引き出せる、開発環境が整っていないため、他のICに比べて、
優位な状況ではありません。FPGAや、プロセッサーより、優位に立てるかは、これからの動き次第です。
メモリー 記憶力抜群 FPGAもメモリーは持っていますが、容量が少ないです。完全に別製品にした方が、いい分野です。
一部特殊なメモリーはFPGAに取り込んでいますが、ここは、完全に補完関係で、十分やっていける分野です。
アナログ より複雑な信号を扱える。 FPGAは、デジタルICのため、アナログ的なことは、苦手です(できないことはないですが)
従って、ここは、補完関係で、存在します。

FPGAの大まかな歴史

FPGAがここまで、来たには長い年月がかかりました。そして、これからも進歩していくでしょう。その流れを、簡単にまとめました。
1980年代 前半
FPGAの夜明け前
PLD(Program Logic Device)という、物が出てきて、徐々に使われ始めました。
今までのIC2〜10個位を、一つのICに納めることができます。FPGAの前身です。
1980年代 後半
FPGAの出現
1985年 初めてのFPGAがXILINX社から発表、実用化されました。
当時のFPGAは、性能が悪く、価格も高かったため、ASIC(LSI)の試作用、
研究レベルなどにしか使われず、製品レベルへの実用はまだまだ先という感じでした。
1990年代 前半
可能性に目を向ける。
FPGAの性能アップとともに、ASICの試作用とともに、産業用で徐々に使われるように
なりました。また、将来への可能性から、FPGAを手がけるメーカーが増え続け、
10社を超える、メーカーが、FPGA業界に参入、話題が豊富になってきた時代です。
話題が先行し、将来に期待への期待が大きく、先行投資が活発に行われました。
1990年代 後半
淘汰の時代と、
民生品への目を向ける。
可能性を目にしながら、なかなか使用されず、FPGA業界から撤退するメーカーや、
売却するメーカーが増えていった時代でもあります。競争のおかげで、FPGAの性能は
よくなっていたのですが、他のICのプロセッサーや、ASICの方が、売り上げも大きく、手間もかかる、
FPGAは、特に兼業メーカーでは嫌われて、撤退されました。 FPGAの専業メーカーのみが
残る結果になってしまいました。
それと同時に、対ASIC(LSI)に向けた、FPGAが出てきた時代でもあります。
高機能な民生品にも、(50インチを超えるTVなど)に使えるまで、コストダウンできてきた時代でもあります。
2000年代 前半
民生品に採用、
さらに飛躍
通信業界(携帯基地局、インターネットの中継など)に急速に使われはじめ、一気に使用数が増えました。
また、FPGAがより扱いやすく、コストダウンもはかったため、民生品にも、使われ始めました。
それとともに、FPGAの性能も急激に上がり、ASICやDSPは、もちろんのこと、マイコン、プロセッサーの
分野まで、十分ターゲットにできることが見えてきた時代です。
2000年代 後半
半導体のリーダーへ
これは、これからのことですが、、メモリー、プロセッサー等と並んで、FPGAも半導体の最新設備を
惜しみなく使える時代になってきました。それに伴い、他のICには、まねできないコストダウン、高性能化を
することが可能になり、ICの主役に躍り出る可能性が出てきました。
これからの活躍に期待!!(夢見過ぎかな?)

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