FPGA(Field Programmable Gate Array)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

FPGA(Field Programmable Gate Array)とは

FPGA(Field Programmable Gate Array)は、Field Programmable Gate Arrayの略称であり、製造後に購入者や設計者が内部回路を構成できる集積回路です。従来のASIC(特定用途向け集積回路)とは異なり、FPGAはハードウェア記述言語(HDL)を用いて設計を記述し、それをFPGAに書き込むことで、様々な用途に柔軟に対応できます。

FPGAの主な特徴は、再構成可能性と並列処理能力です。再構成可能性とは、FPGAの内部回路を何度でも書き換えることができるため、設計の変更や機能の追加が容易に行えることを指します。並列処理能力とは、複数の処理を同時に実行できるため、高速なデータ処理やリアルタイム処理が求められる用途に適していることを意味します。

FPGAは、通信、産業機器、医療機器、自動車、航空宇宙など、幅広い分野で利用されています。例えば、通信分野では、高速なデータ伝送や信号処理にFPGAが活用されています。産業機器分野では、画像処理やモーター制御などにFPGAが利用され、高性能化や高機能化に貢献しています。

FPGAの主要構成要素

「FPGAの主要構成要素」に関して、以下を解説していきます。

• ロジックセル（論理回路）
• 配線リソース（相互接続）

ロジックセル（論理回路）

ロジックセルはFPGAの基本的な構成要素であり、論理演算や記憶機能を実現する役割を担います。これらのセルは、AND、OR、XORなどの基本的な論理ゲートや、フリップフロップなどの記憶素子を含み、これらを組み合わせて複雑な論理回路を構築できます。

ロジックセルのアーキテクチャはFPGAの種類によって異なりますが、一般的には、LUT(ルックアップテーブル)と呼ばれるメモリを用いて論理関数を実現します。LUTは、入力信号の組み合わせに対する出力値をあらかじめ記憶しており、入力信号に応じて適切な出力値を出力することで、任意の論理関数を実装できます。

配線リソース（相互接続）

配線リソースは、FPGA内のロジックセル間や入出力端子間を接続するための配線ネットワークです。FPGAの柔軟性を支える重要な要素であり、プログラマブルなスイッチや配線チャネルによって構成され、設計者はこれらのリソースを自由に設定することで、所望の回路をFPGA上に実現できます。

配線リソースの性能は、FPGA全体の性能に大きく影響を与えます。配線遅延が大きいと、信号の伝搬に時間がかかり、FPGAの動作速度が低下します。そのため、FPGAメーカーは、配線リソースの最適化に力を入れており、低遅延で柔軟な配線ネットワークの実現を目指しています。