Spartan UltraScale+

Spartan UltraScale+は、AMD社が提供するローエンドFPGA製品ラインです。Altera社のCyclone®クラスに相当し、2040年まで少なくとも15年以上の長期供給が予定されています。
この製品の主な特徴は豊富なI/O数で、従来のAMD製品と比べて大幅に改善されており、300を超えるI/Oを持つモデルも存在します。また、高いデータレートと新しいメモリタイプにも対応しています。

製品ラインナップは、ロジックサイズとI/O数に基づいて多様化されており、主に以下の3つのカテゴリーに分類されます。

図3は、各FPGAファミリにおけるI/O数とロジック規模について示しています。

図3. ロジック規模とI/O数について

図3で示されているように、Spartan UltraScale+は既存のSpartan 7やArtix 7と比較して、より大きなロジック規模とI/O数を提供しています。また、Artix UltraScale+と比べるとI/O数が多い傾向にあることが分かります。
この製品ラインは、多数のI/Oを必要とするアプリケーションに特に適しており、同時に幅広い規模のロジックニーズに対応できる柔軟性を備えています。

詳細な製品情報は公開されているプロダクトテーブルで確認でき、「Spartanクラス」で検索すれば見つけることができます。この製品は、多数のI/Oを必要とするが大規模なロジックは不要な用途に適しています。

表1. Spartan UltraScale+ FPGA のリソースとパッケージ

Artix UltraScale+

次に、Artix UltraScale+について説明します。
この製品は先ほど紹介したように、同じUltraScale+世代のデバイスであり、既にリリースされているものです。トランシーバの数が多いわけではありませんが、トランシーバの搭載数が豊富で、新しいメモリ規格にも対応しています。小型パッケージでありながらも、高いパフォーマンスを実現している点が特徴です。

例えば、映像インタフェースとしてSBIやHDMIの変換用途に最適です。また、トランシーバを多く使用しつつ、デバイスサイズを小さくしたいといったニーズにも非常に適した製品です。

パッケージに関しては、従来の正方形ではなく、長方形の小型パッケージを採用しています。これはSMC社の技術を活用しており、他のデバイスでも採用されている技術です。特にスマートフォンなどでも使用されている技術であるため、決して新しいものではありませんが、信頼性が高く、広く普及しています。

図4は、縦軸がトランシーバチャンネル数、横軸がI/O数を表しています。

図4. I/O数とトランシーバチャンネル数について

右上に向かうほど、デバイスの内部コストが増加し、それに伴いパッケージサイズも大きくなります。ただし、Artix UltraScale+は、小型パッケージながらも多数のトランシーバを搭載している点が他のデバイスと異なります。

比較として、図4の緑枠の部分がArtix 7を示し、青枠の部分がArtix UltraScale+を示しています。トランシーバチャンネル数が多い分、パッケージサイズがコンパクトであることがわかります。
外部的には、9×9から27×27のパッケージオプションが用意されています。

こちらが製品のプロダクトテーブルであり、小型で長方形の薄型パッケージが特徴です。緑色で示した部分が、そのパッケージに該当します。

表2. Artix UltraScale+ FPGA のリソースとパッケージ

Zynq UltraScale+ MPSoC

Zynq UltraScale+ MPSoCは、UltraScale+ファミリに属する製品であり、複数のカテゴリーに分かれた構成を持っています。特定のコアを基に分類されており、製品ラインナップはパッケージのサイズやロジックに応じて展開されています。

表3. Zynq UltraScale+ MPSoC アーキテクチャ

採用事例としては、カメラメーカーが小型薄型長方形のパッケージを採用しており、イメージセンサーからの画像入力を基にパソコンやカードに出力するシステムが小さな基板に実装されています。

Zynq UltraScale+ MPSoCのメリットは、フレキシブルな構成が取れ、データ共有が容易なアーキテクチャを持っている点です。複数のCPUとメモリへのアクセスが可能で、設計の自由度が高いデバイスです。

図5. 適応型SoC 特徴と採用メリット

また、紙幣識別装置やオシロスコープなど、身近な製品にも採用されています。SoCを導入することで、性能向上だけでなくコスト削減にもつながり、基板枚数の削減やメモリ共有による効率化が図られています。これにより、システム全体のコストを削減できた事例もあります。

図6. 新紙幣識別装置とオシロスコープ

以下に、AMD社のSoC導入における採用事例を新紙幣識別装置とオシロスコープの例を用いて紹介します。

紙幣識別装置

オシロスコープ

最終製品に採用するには、アーキテクチャの変更が高いハードルとなる可能性がありますが、具体的な導入事例や方法について興味があれば、ぜひお問い合わせください。

Kria SOM

Kriaはモジュール製品で、ファンが付いた評価用モジュールと、量産対応のモジュールがあります。Kriaのモジュールは、評価キットを使ってデバイスを評価し、仕様に満足すればそのまま量産に移行できる設計です。モジュールを搭載するキャリアボードがあれば、簡単に動作させることが可能です。

図7. 量産対応モジュール

FPGAの開発では、BGパッケージや基板設計が複雑になることが多いですが、Kriaモジュールには必要なメモリや電源部品が組み込まれているため、複雑な配線や設計作業から解放され、すぐに使用できるのが特徴です。

図8. SOMを活用した開発と運用

モジュールのサイズは、大きい方が名刺サイズ程度で、小さい方はそれよりも約60%のサイズです。小さいモジュールにはエンクロージャーが付属しており、必要に応じてヒートシンクを取り付けることもできます。

ソフトプロセッサIP

MicroBlaze™ processorは、FPGAの領域を利用して構築されるソフトプロセッサで、長期供給が可能な点が特徴です。FPGA内にCPUとして組み込むことができ、マイクロコントローラータイプのアプリケーションプリセットとして3つのタイプが用意されています。ロジックリソースの使用量は複雑さに応じて増加しますが、これを活用することで設計スパンを延命させることが可能です。

現在使っているFPGAの内容を次の世代のFPGAに移行することも可能であり、ハードウェア資産としてCPUを他のFPGAに移行できるため、設計資産を長期間活用できます。外部環境や電圧の違いなどは必要に応じて対応する必要がありますが、基本的には中身をそのまま移行できます。

図9. ソフトプロセッサの活用方法

Armのようなハイエンドコアを必要としない場合、このMicroBlaze processorを使うことは有効です。また、最近話題となっているRISC-Vにも対応したバージョンのMicroBlaze processorが無償で提供されています。これにより、将来的な拡張性や互換性も確保されています。