テクノロジ FPGA設計を用いた無線システム開発 35年の無線通信技術で培った設計力を活かし、
要件定義から実機検証まで高品質な
FPGA設計を支援します

1. はじめに：FPGA設計の基本と注目される理由

FPGAとは？

FPGAは「Field Programmable Gate Array」の略で、製造後にユーザーが自由に回路構成を変更できる集積回路を意味します。これは、プログラマブルロジックデバイスの一種で、HDL（ハードウェア記述言語）を用いて論理回路を設計し、FPGA内部に実装します。
一般的なプロセッサが「ソフトウェアで処理を記述する」のに対し、FPGAは「ハードウェア回路そのものを設計する」のが大きな特徴です。必要な処理に特化した専用回路を構築できるため、用途によっては非常に高い性能を発揮できるのがメリットです。

ASICやマイコンとの違い

FPGAは、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）とマイコンの中間に位置します。
ASICは、特定用途向けに設計されたカスタムチップです。ASICは、FPGAに比べると量産時のコストが低く、性能が高いのがメリットです。一方で設計変更ができないのがデメリットで、開発期間が長く、初期開発コストも高額になります。
マイコンは、ソフトウェアで機能を柔軟に変更できるのが特徴です。開発が容易でコストも低い一方、処理速度に限界があり、複雑な並列処理には向きません。
FPGAは、設計変更が可能で開発期間が短く、ハードウェアレベルの高速処理が可能です。量産コストはASICより高いものの、中小量生産や仕様変更が想定される製品に適しています。

なぜ今、FPGA設計が重要なのか

近年、自動運転車の画像認識、産業用ロボットの制御、医療機器のリアルタイム画像処理など、リアルタイム性と処理性能が求められる場面が増えています。特にエッジコンピューティングでは、センサーデータの高速処理が求められるため、FPGAの並列処理能力が注目されています。
また、仕様変更への柔軟な対応や、製品投入までの期間短縮も、FPGA採用の大きな理由です。

2. FPGA設計のメリットと活用シーン

柔軟性と再構成可能性

FPGAの最大の特徴は、再構成可能です。製品出荷後に新機能の追加やバグ修正が必要になった場合でも、ファームウェア更新により回路構成を変更できるのです。
また、一つのFPGAチップで複数の機能を時分割で実行するような柔軟性も特徴です。処理内容に応じて回路構成を動的に切り替えることで、ハードウェアリソースを効率的に活用できます。
仕様変更や性能改善を繰り返しながら最適化できるため、試作開発のコストと期間を大幅に削減できます。

高速処理と並列処理の強み

FPGAは専用ハードウェア回路として動作するため、ソフトウェア処理と比較して圧倒的な高速性を実現します。特に並列処理が得意で、複数の処理を同時に実行できます。
FPGAでは独立した複数の処理ブロックを同時動作させることで、スループットを飛躍的に向上させます。また、処理のパイプライン化により、連続的なデータ処理を効率的に実行できます。

代表的な活用例

FPGAはリアルタイム性に優れるため、監視カメラの物体検出、医療用X線・CT画像の高速処理、産業用検査装置の判定などに使用されます。
また、通信機器では、5G基地局の信号処理、ネットワークルーターのパケット処理、データセンターのアクセラレーションなどにも採用されています。
産業機器では、モーター制御、ロボット制御、FA機器の高速制御などに活用されています。

3. 開発担当者が直面する主な課題

設計の難易度

FPGA設計の課題のひとつに、ハードウェア記述言語の習得が挙げられます。VerilogやVHDLといったHDLは、C言語などのソフトウェア言語とは根本的に考え方が異なり、並列動作やタイミング制約を理解する必要があります。また、論理合成、配置配線、静的タイミング解析など、FPGA特有の設計フローについての知識も必要です。
さらに、効率的な回路設計には経験とノウハウが必要なため、最適な設計は難易度が高くなります。

開発期間とコストの増大

FPGA設計には、要件定義、アーキテクチャ設計、HDL記述、論理合成、配置配線、検証など、多くの工程があります。そのため開発期間が長期化しがちです。
また、高性能FPGA自体が高価で、開発ツールのライセンス費用も高額のため、開発環境の整備にも多くの投資が必要になります。

検証・デバッグの複雑さ

FPGA設計では、機能検証とタイミング検証の両方が必要です。シミュレーションで機能を確認しても、実機では想定外の動作をすることがあり、デバッグに時間がかかります。
また、内部信号の観測が困難なため、問題の原因特定が難しいケースもあります。検証にはデバッグツールを駆使する必要がありますが、それらの習得にも時間がかかります。

消費電力や熱設計の最適化

高性能FPGAは消費電力が大きいため、発熱も問題となります。特に小型機器や組み込み機器では、消費電力と放熱設計が製品設計の大きな制約となります。
そのため、設計段階での電力見積もりと最適化が重要です。電力削減のための設計技法や、低消費電力FPGAの選定など、多角的な検討が必要です。

4. 課題を解決するためのソリューション

高位合成による設計効率の向上

高位合成（HLS：High Level Synthesis）は、C/C++などの高級言語からハードウェア記述を自動生成する技術です。ソフトウェアエンジニアでもFPGA設計に参入でき、開発期間の短縮が可能になります。
HLSツールは年々性能が向上しており、手書きHDLに近い品質のハードウェアを生成できるようになっています。しかしHLSで生成された回路の最適化には、ハードウェア知識が欠かせません。そのためHLSとHDLを使い分けることで、効率的な開発が実現できます。

シミュレーション・エミュレーションの活用

設計の早期段階でシミュレーションを徹底することで、実機デバッグの負担を軽減できます。
ハードウェアエミュレータを使用すれば、実機に近い環境で高速に動作検証できます。ソフトウェアとの協調検証も可能となり、システム全体の早期検証が実現します。

設計自動化ツールの導入

制約ファイルの自動生成、タイミング解析の自動化、最適化の自動実行など、各種自動化ツールの活用により、設計工数を削減できます。
特にタイミングクロージャ支援ツールは、タイミング制約を満たすための改善提案を行い、手戻りを削減します。電力解析ツールにより、消費電力の見積もりと最適化も効率化できます。

モジュール化・IP再利用の推進

設計のモジュール化により、検証済みの回路ブロックを再利用できます。また、市販のIPコアを活用することで、通信プロトコル、画像処理、暗号化などの複雑な機能を短期間で実装できます。ただし、IPコアのライセンス費用とサポート体制を考慮する必要があります。

外部パートナーとの連携による開発支援

FPGA設計の専門知識を持つ外部パートナーによる開発支援を受けるのも方法の一つです。技術コンサルティング、設計支援、検証支援など、必要な部分だけを外部委託することで、社内リソースを有効活用できます。また、最新のツールや技術動向の情報提供も受けられます。

5. パナソニック システムネットワークス開発研究所のFPGA設計技術と支援体制

技術的な強み

パナソニック システムネットワークス開発研究所のFPGA設計サービスは、35年以上にわたる無線通信分野での実績と最先端の技術力が特徴です。無線通信技術に精通した専門エンジニアチームが、Xilinx、Intel、 Microsemiなど、主要ベンダーのFPGAに適応した、最適なソリューションを提供します。

実績やユースケース

成層圏プラットフォーム向け高精度デジタル信号処理システムの研究開発では、FPGAによる高精度なデジタルビームフォーミング、位相補償、遅延補償機能を実装しました。機体の動揺や最大100kmの通信距離差による品質劣化を克服し、安定した通信を可能にしました。
また超音波診断装置インターフェースやMEMS投影装置、医療用カメラなど、さまざまな分野での幅広い開発実績があります。

開発支援サービスやコンサルティングの紹介

仕様検討・方式設計からFPGA回路設計、実機評価まで、設計プロセス全体をワンストップで支援します。要件定義から実機検証まで、一貫した開発支援により開発効率を向上します。

パナソニック システムネットワークス開発研究所では、FPGA設計の仕様検討・方式設計から回路設計、実機評価まで、設計プロセス全体をワンストップで支援します。要件定義から実機検証まで、一貫した開発支援により開発効率を向上の実現が可能です。FPGA設計に課題をお持ちの方は、お気軽にご相談ください。