次に、ロジック IC の分類という観点から見てみましょう。ロジック IC は大別して「標準 IC 」と「カスタム IC 」に分かれます。カスタム IC は、ニーズに合わせた専用 IC を作るもので、完全に自由に作るフルカスタム IC や、ある程度出来合いのものとなるセミカスタム IC (これが ASIC: Application Specific IC と呼ばれる) に分かれます。

標準 IC の方はというと、殆どのものは回路構成があらかじめ決まっており、あとはそれらをどう組み合わせるかの自由度があるだけで、その代表として MPU (Micro Processing Unit :いわゆる CPU) や DSP (Digital Signal Processor) などがあります。内部回路そのものに柔軟性はなく、ただしその上でソフトウェアを動作させることができ、ここで柔軟性を確保する形となります。

一方標準 IC でも、PLD に分類される FPGA や CPLD と呼ばれる製品は、回路要素そのものは決まっていますが、ユーザーが内部のハードウェア構成を変える事で高い柔軟性を確保しています。

カスタム IC と標準 IC の最も大きな違いは、「製造に関わる費用と時間」のコストを誰が払うかという点です。カスタム IC はユーザーがそのコストを受け持ちますが、標準 IC はベンダーがそのコストを払います。IC 単体の機能、単価の側面だけでは見えてこない部分です。

設計製造フローに大きな差

このように様々なロジック IC がありますが、なぜ今 FPGA が注目されているのかという事をもう少し説明しましょう。

先に FPGA と ASIC は似ているという説明をしました。どちらも標準ゲートが用意されており、配線を自由に設計できるという点では非常に似ています。実際、FPGA と ASIC では設計ツールがかなり共通に利用できます。ただし設計→製造のフローは大きく異なっています。
根本的な違いは、IC 製造の前にアプリケーション用回路を確定するのが ASIC で、製造に移管後は変更ができないか、あるいは大きなペナルティとなるコストを支払って変更します。これとは対照的に製造済のデバイスにアプリケーション用回路をプログラムするのが FPGA で、回路変更が簡単にできます。このあたりを次に見てみましょう。

ASIC の 課題

左が ASIC の場合で、仕様策定後、ASIC の設計を済ませたらコーディング (内部配線を、VHDL などの専用言語を使って記述) します。それが済んだら論理合成 (専用言語の記述を、実際の論理回路に変換) し、きちんと動作するかのシミュレーションを実施します。ここまでで問題がなければ、配置配線 (実際の IC 内部に機能ブロックや配線を決定) を行います。
ここまでは開発者の手元で行いますが、この先はファウンダリでの作業となります。まず配置配線にあわせ、マスクと呼ばれるものを製造、このマスクを使い IC を製造します。製造した IC が戻ってきて、初めてテストが行えるわけです。

さてこのフローの問題点はどこか？といいますと、まずマスク製造と IC 製造は、最短でも数ヶ月を要する点です。しかも、ちょっと前なら一千万円程度で収まっていたコストが、最近では数億円に達することも珍しくありません。こうなると、「うっかりミスがあった」と言うたびに数ヶ月と数千万円～数億円のロスが発生します。当然こんなことは通常許容されないのでマスク生成の前にしっかり確認作業が入るのですが、それでもやはり実際にテストしないとわからない、という事は少なからず存在します。しかも、途中で仕様変更が入った場合には、やはりまた一からやり直しになります。

FPGA の場合は

FPGA の場合、配置配線までの手順は ASIC とほぼ同じです。ところが FPGA の場合、そのまま回路をダウンロードさせてすぐに動作させられるので、ミスが判明したり、仕様変更があっても、数ヶ月の待ちは発生しません。これだけでも、大幅に開発期間と開発コストの節約になるわけです。しかも開発中に、例えば「ちょっと手直しをしてテストを掛ける」という場合も、シミュレーションを都度走らせる必要もありません。FPGA はまた、出荷後に構成を変えることも可能です。ASIC の場合、例えば後から内部回路を変更したい場合は、それを実装したボードごと交換せざるをえません。ところが FPGA は内部回路をデータの形で蓄えているので、このデータを入れ替えれば新しい回路に切り替えが出来ます。

最近、製品出荷後のソフトウェアやファームウェア更新が PC のみならず携帯やデジカメなどでも一般的になりつつありますが、 FPGA を使えばこのファームウェア更新を利用して内部回路の更新も可能になります。これはカスタム IC では絶対に真似の出来ない技です。 ネットワークで接続されている装置上の FPGA は、リモートでアプリケーション回路をアップデートできる可能性を持っているということになります。

ASSP の課題

また別のソリューションとして、近年では ASSP も多く利用されています。図２では「カスタム化可能デバイス」に含まれていません。特定用途向け標準品、という位置づけです。携帯電話用 IC を例にとると、これを提供するベンダーがあらかじめ「 3G 携帯電話の通信制御」「携帯電話の音声 Codec 」といったように、特定用途向けに絞り込んだ専用 IC をあらかじめ作って供給する形になっており、このため ASIC に必要な「 IC の製造コスト」、「アプリケーションの設計コスト」また、 FPGA に必要な「アプリケーションの設計コスト」は必要ありません。

ところが ASSP も課題は少なくありません。

まず標準品であることから、機能などの差別化は行いにくいというのは当然として、供給される ASSP の機能が、必ずしも求めている機能と完全に一致するとは限らない。また提供される機能に問題があった場合でも、その修正はそのデバイスでは出来ません。他の手段に頼ることになります。更に、新機能 (例えば新しい通信方式に対応) を盛り込んだ ASSP のリリースは、必ずしも早いとは言えません。この新機能を差別化の大きなポイントとしたい場合、ASSP を使うのは製品完成時期が遅れる可能性があるという点で、非常にリスクが高いとも言えます。 さらに根本的な問題として、ASSP はベンダー毎に異なるラインナップで提供されており、複数の ASSP ベンダーの製品を混載させるのはしばしば困難をともなう場合もあり、だからといって一社の ASSP ベンダーで全てが揃うという保障もありません。初期コストは圧倒的に安いが、開発者から見るとブラックボックスとして扱う事になるため、この融通の利かなさが開発後期に問題となることが見受けられます。

ASSP はまた、大量の利用を前提とした供給体制になっていることが多く、このため少量生産では使えないとか、コスト面で割に合わない場合も存在します。ASSP ベンダーからすれは比較的古い、安定したプロセスを使って ASSP を製造したいが、これは消費電力や面積/体積の観点からすると不利に働くため、機能的にはともかく発熱や実装面積などが問題になる場合もあります。

ASIC / ASSP / FPGA について、得手不得手をまとめてみたのが表 1 です。全ての項目で万能なデバイスはないので、何を重視するかによって選択することになります。

従来は性能や価格を重視して ASIC を使っていたが、開発期間や開発コストが問題になってきたため、ASSP や FPGA が次第に広く使われるようになってきた、というのが昨今のトレンドです。

FPGA と ASSP は、どちらも開発コストや開発期間削減に有効ですが、その方向性が 180° 異なっています。差別化への要求が高い昨今の製品の開発には、柔軟性も欠くことができないという事情もあり、ASSP から FPGA への転換が始まっています。

また近年では特定のアプリケーションにおいて普遍的に利用される機能 (コモディティ機能) を取り込む「ターゲット デザイン プラットフォーム」に基づく「特定アプリケーション向け FPGA」も登場し、ASSP にかわるソリューションとして FPGA の領域は広がりつづけています。

第二章では、FPGA の最新動向や先端技術をご紹介します。