PCIe、3Dグラフィックス、リアルタイムOS……、設計ソリューションで“時間を買う”が選択肢に：7シリーズ FPGAとZynqで組み込み機器はどう変わる？
2011年のサンプル出荷開始から既に1年以上が過ぎ、次世代開発環境も投入され、いよいよ適用の期が熟した「7シリーズ FPGA」。さらに、「FPGAでもプロセッサでもない」という新コンセプトの「Zynqエクステンシブル プロセッシング プラットフォーム (EPP)」も登場し、これら新世代品への注目度が高まっている。ソリューションベンダー各社によるデザインサポートも加速しており、今すぐ具体的な検討が始められる状況だ。有力ベンダーとアヴネットがタッグを組んで実現するソリューションを紹介しよう。
かつてのFPGAは、通信/ネットワーク分野のインフラ機器やASICプロトタイピングなど、ごく限られた用途でしか使われないデバイスだった。しかし今では、消費者向けのデジタルカメラや薄型テレビから、産業機器や医療機器、事務機器、そして自動車に至るまで、非常に幅広い分野の組み込み機器に浸透している。家庭で、オフィスで、工場で、街で ―― 周りを見渡せば、視界に入る機器の中で必ず幾つかのFPGAが稼働しているという時代になった。
そうした組み込み機器の内部でFPGAが果たす役割はさまざまだ。高速シリアルインタフェースを介して大量のデータをやりとりしたり、通信パケットやグラフィックスの処理を担ったり、プロセッサとしてシステムの制御やデータの処理を受け持ったり……。まさに八面六臂（ろっぴ）の活躍を見せる。その半面、こうした高度なデバイスであるからこそ、FPGAを利用する組み込みシステムの開発はそう簡単ではない。
特に、FPGA最大手ベンダーのXilinxが28nm世代の最先端製造プロセスを適用して供給する「7シリーズ FPGA」や、ARMのデュアルコア型プロセッシングシステムに28nmのプログラマブルロジックを組み合わせた「エクステンシブル プロセッシング プラットフォーム（Extensible Processing Platform：EPP）」と呼ぶ新コンセプトの「Zynq（ジンク）」シリーズでは、プロセッシング機能や性能が従来のFPGA製品より強化される。組み込み機器の開発者に大きなメリットをもたらす可能性が広がる一方、使いこなしにはノウハウも必要になる。
そうした開発現場の課題に応えるソリューションを提供するのが、FPGAを活用した組み込みシステムの開発ボードや広範なデザインサポートを提供するエキスパート集団だ。そうしたソリューションベンダーが一堂に会するテクニカルイベントが間もなくやってくる。技術商社のAvnet（アヴネット）が2012年7月に東京と大阪で開催する「X-fest 2012」である。
X-fest 2012では、ソリューションベンダー各社が、一般のFPGAユーザーに先んじて蓄積した新世代FPGAの実践的な設計ノウハウを座学形式のセミナーで伝授する他、併設の展示会場では、Zynq EPPの評価ボードでリアルタイムOS「T-Kernel」を動かすデモを見せたり、参加者の個々の悩みに各社のエンジニアが応える時間も設けられている。新世代FPGAの採用を検討する、全ての組み込み機器開発者にとって見逃せないイベントだといえよう。ぜひこの機会にソリューションベンダーと直接会って、抱える課題を投げかけてみてほしい。各社の知見を活用し、“時間を買う”ことが新世代FPGA開発のカギになるはずだ
リアルタイムシステムの開発を今日からスタート
Zynq EPPの評価ボードで動くT-Kernelを披露するのは、組み込みOSベンダーのイーソルである。評価ボードとしては、Xilinx製の「Zynq-7000 EPP ZC702 評価キット」を使う。
Zynq EPPで利用できるOSとしては、他にも例えばZynq EPPの新型評価ボード「ZedBoard（ゼドボード）」向けにOpenLinuxがポーティングされており、組み込み機器のユーザーインタフェースの実装などに活用できるだろう。ただし、メカ制御など高いリアルタイム性が求められる用途では、要件を満たせない。そこでイーソルのT-Kernelを利用すれば、そうした用途でもすぐにZynq EPPを使い始めることができる。
このT-Kernelは、Zynq-7000 EPP ZC702 評価キットのBSP（Board Support Package）のような形で提供されるので、ユーザーは両者を組み合わせるだけで、評価環境を直ちに構築することが可能だ。
グラフィックス処理の専門家がノウハウを伝授
車載インフォテインメント機器のグラフィックス処理にFPGAの採用を検討しているなら、Xylon（ザイロン）の講演と展示に注目したい。同社は、車載向けの2D/3Dグラフィックス処理を得意とする、FPGAデザインサービスとIPコア開発の専門企業だ。
現行の車載インフォテインメント機器では、デジタル回路の主要部において、マイクロプロセッサとFPGAを組み合わせる2チップ構成をとるケースが多い。しかしARMのデュアルコアを集積したZynq EPPの登場によって、この状況は今後大きく変わる可能性がある。車載機器では部品点数の削減が常に課題になっており、現行の2チップ構成を1個のFPGAに置き換えられれば、大きなメリットがあるからだ。既存のFPGAでは、ソフトマクロ形式のプロセッサコアを実装しても、所要の性能が得られる周波数までクロックを高められなかったり、仮にその周波数で駆動できたとしても消費電力が許容できないほど大きくなってしまっていた。これらがZynq EPPで解決される。
とはいえ、Zynq EPPをボードに載せただけで開発が終わるわけではない。2D/3Dのさまざまなグラフィックス処理をうまく実装する必要がある。例えば、デジタル信号処理をどう実装するか？ Zynq EPPがハードマクロとして集積するDSPスライスを使うか、プログラマブルロジックを消費して実装するか、ARMコアでソフトウェア処理するか……。幾つもの選択肢の中から、開発対象のシステム個々の要件に合わせて、最適なものを使いたい。それには高度なノウハウが求められる。
Xylonは、既に半年程度の間、Zynq EPP上のグラフィックス処理に取り組んでおり、そこで蓄積したノウハウをX-fest 2012ではデモも交えて披露する予定だ。
Xylonの3Dグラフィックス処理コア「logi3D」の使用例 Xilinxの「Zynq-7000 EPP」向けに設計されたグラフィックス処理コア（GPU）である。出典：Xylon （クリックで画像を拡大します）
難易度高まるPCI Express開発で先行ユーザーが知見を共有
産業機器や医療機器で特に大量の画像データを扱う用途では、高速シリアルインタフェースの活用が当たり前になっている。その代表格がPCI Expressだ。最新規格であるPCI Express Gen3では、データ伝送速度は理論値で8Gビット/秒に達する。
ただしその速度の向上に伴って、実装の難易度も確実に高まっている。新世代FPGAにはあらかじめ高速シリアルインタフェースのトランシーバ回路やエンドポイント回路が集積されているものの、それらだけで実装が完結するわけではない。アプリケーションごとの要件に合わせて、それらの回路ブロックを最適に設定したりプログラマブルロジック部に実装する独自回路を開発したりする作業が求められる。加えて、ボード設計では、ギガHzオーダーの高速信号を何本も並列に配線しなければならない。ドライバソフトウェアも用意する必要がある。これらをFPGAユーザーがイチから開発していたら、たとえPCI Expressの知識があるユーザーでも、最適化の作業だけで数カ月を費やすことになる。
そこで強力な開発パートナーになってくれるのが、組み込み機器の各種デザインサービスやコンサルティングを手掛けるOKI情報システムズだ。同社は特にPCI Expressの開発に長年にわたって携わっており、FPGAが搭載するエンドポイント回路の“クセ”までも知り尽くしたエキスパートだ。X-fest 2012の講演では、PCI Express Gen2/Gen3をFPGAに実装した事例から、理論値ではなく実際に得られるデータ伝送性能（実スループット）を示す。さらに展示会場では、来場者が手掛けるシステムについて個別の相談にも応じる。来場者と同じ“FPGAのユーザーの1社”という立場で語る同社から、PCI Expressの実装に関して数多くのヒントが得られるだろう。
PCI Express Gen2のDMA転送を実動デモで披露 Xilinxの28nm FPGAのうち、ハイエンドファミリの「Virtex-7 FPGA」を搭載したPCI Expressの評価ボードである。8レーンのPCI Express Gen 2を実装し、DMA転送性能を実測して見せる。出典：OKI情報システムズ （クリックで画像を拡大します）
Zynq EPPの新型ボードをお得に入手しよう
この他、X-fest 2012では、“来場者限定”のお得な特典も用意されている。前述したZynq EPPの新型評価ボードであるZedBoardを購入する際に使える、3000円の値引きクーポンが手に入るのだ。
ZedBoardはAvnetとXilinx、FPGAボードメーカーのDigilentが3社で共同開発したもので、国内ではX-fest 2012が初披露の場となる。ZedBoardについてはコミュニティサイト「zedboard.org」も立ち上がっているが、当初は情報が制限されており「コミュニティベースのZynq-7000 EPP 開発キット」であることしか公表されていなかったので、一部で“うわさ”になっていた。
ZedBoardの特長の1つが価格で、豊富な機能を備えながらも4万円を切る設定だ。それをさらに3000円引きで手に入れられるこの“来場者限定”のチャンスを、ぜひ見逃さないでほしい。
4万円を切る新型のZynq EPP評価ボード「ZedBoard」 Zynq EPPデバイスは「Zynq-7000 XC7Z020」を採用。その周辺に512MバイトのDDR3 SDRAMや256Mビットのフラッシュメモリ、4GバイトのSDメモリーカードを搭載する他、イーサネットポートやUSBポート、ディスプレイ出力、I2Sオーディオコーデックなど、豊富な機能を備える。（クリックで画像を拡大します）
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提供：アヴネット ジャパン株式会社
アイティメディア営業企画／制作：EE Times Japan 編集部／掲載内容有効期限：2012年7月14日
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