FPGAがプログラムできる仕組み

FPGAとはプログラムできる回路ですとよく言われる。それはなんとなくわかるけど、じゃあ「プログラムできる回路ってなんだ？」という疑問が生まれてくる。
とくにソフトの方から良く聞かれることがあるので、自分なりにまとめてみた。

プログラムできる回路というのはANDとかORとかの論理回路が自由に組み合わせられることである。
この論理回路の組み合わせはLUTに書き込み値によって自由に変えることができる。

FPGAの構成をざっくり以下に示してみる。

まずIOB(入力出力ブロック）から、信号が入ってくる。
次にSB(スイッチブロック)やCB（コネクションブロック）を介して該当のLB(論理ブロック)まで配線される。
LBで何らかの論理回路を通った後、別のLBなどをたくさん通って、最後はIOBから出力される。

では、このロジックブロックとは何だろうか？

論理ブロックの構成を以下に示してみる。

LUT(ルックアップテーブル)とFF(フリップフロップ)から構成される。

LUTとは任意の論理回路となるプログラマブルの要である。
ここについてもう少し詳しくみていく。

ちなみにFFはFPGAがデジタル回路としてタイミングを調停するために重要である。
FPGA内は書いたプログラムが物理配線に相当するので、FFをうまく使ってタイミングを完全に達成することが大事である。
この記事ではタイミングの概念には触れない。（最後の関連記事参照）

このLUT（ルックアップテーブル）がプログラマブル回路を実現している部分である。

まずA入力とB入力があり、出力結果はfとする。
これがANDとかORとかXORとか自由自在に変えられることを順々に見ていく。

まずAとBの論理積（AND)を考えてみる。

真ん中の(a)は真理値表を示している。
次に(b)のLUT表現を見てみる。

真理値表より４つのパターンがあるので４つのメモリを準備する。
ここには論理積（AND）の結果が格納されている。

右側にはセレクタがあり、各信号が「0の時は0側」「1の時は1側」の信号が反映される。
たとえば

つまりこれでAND回路が実現されたのである。

メモリに入れる値を上から「0,0,0,1」でなく、「0,1,1,1」とした場合、論理和（OR)になるし、「0,1,1,0」としたら排他的論理和(XOR)になる。
こうしてメモリに入れる値を変えることで、任意の論理回路が作れるのである。

実際のFPGAにはこのような仕組みが数千～100万以上入っているのである。

３入力-LUTを書いてみると以下のような感じになる。

実際のFPGAでは４入力/６入力/８入力のLUTが使われている。

とりあえずFPGAのプログラムできる仕組みはざっくりこんな感じである。

ASICではAND回路がトランジスタ6個で済むところ、FPGAではLUTの仕組みを消費することになる。(RAMとセレクタなどでも少なくとも50個以上？)
これがASICにスピードもトランジスタの個数も及ばない理由なのかなと思う。

但し、最新のプロセス技術(10nm前後）ではASICではマスク代などがとんでもない額になってしまうので、なかなか使えない。
しかしFPGAはたくさん作っていろいろな業界で使われているので、半導体プロセスの成長に伴いFPGAを採用する事例が増えているのかもしれない。

・FPGAの原理と構成　天野英晴（編集）共著（14人）

・デジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ
　David Money Harris (著), Sarah L. Harris (著), 　鈴木貢 (翻訳), 天野英晴 (翻訳), 中條拓伯 (翻訳), 永松礼夫 (翻訳)

よくわからないFPGAのこととか