「FPGAの基礎(第4部)：Xilinx FPGA入門」(Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、FPGAの基礎と題した4回目の解説記事になりますが、Xilinx社のFPGAについて解説した記事をご紹介します。

■FPGAの基礎(第4部)：Xilinx FPGA入門
　Xilinx(ザイリンクス)社はZilog社をスピンアウトした技術者が1984年に設立した米国カリフォルニア州サンノゼに本社を置く半導体メーカーで、製造設備を持たないファブレスモデルを確立したことでも知られています。FPGAを最初に製品化した企業であり、現在のFPGA市場の半分のシェアを占めています。

　Xilinx社のFPGAには、高性能で高価格なVirtexシリーズからKintexシリーズ、Artixシリーズ、低消費電力で低価格なSpartanシリーズまで、用途に応じて様々な製品があります。28nmプロセスで製造されたFPGAは7のサフィックスが付けられ、Virtex-7、Kintex-7、Artix-7、Spartan-7のファミリがあります。また、20nmプロセスで製造されたFPGAはUltraScale、16nmプロセスで製造されたFPGAはUltraScale＋と呼ばれています。UltraScaleとUltraScale＋の製品には、VirtexシリーズとKintexシリーズがあります。

　また、Zynqシリーズは、ArmプロセッサをベースとするSoCとFPGAを統合した製品です。28nmプロセスで製造されているZynq-7000ファミリはCPUコアにArm Cortex-A9 MPCoreを採用しており、KintexをベースとするファミリとArtixをベースとするファミリがあります。最新のZynqシリーズは、16nmプロセスのUltraScale＋で製造されていて、CPUコアにはArm Cortex-A53とArm Cortex-R5が採用されています。

　初期のFPGAは、プログラムを書き込むためのロジックエレメントと汎用I/Oのみという構成でしたが、現在のFPGAはPLLやDSP、SERDESインターフェースなどが搭載されており、さらにZynqシリーズに代表されるようなマイコン搭載SoCやRF機能を備えたSoCなどのように多機能なデバイスが使用されるようになっています。

　Xilinx社は、人工知能(AI)や機械学習(ML)アプリケーション向けにACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform)という新しいカテゴリの製品を発表しました。これは7nmプロセスで製造されたVersalシリーズで、FPGAとCPUコアに加えてAIアクセラレータエンジンを搭載しています。

＜　Versal ACAP　内部ブロック　＞

　【アプリケーションラボ】では、Xilinx社のFPGAの特長と製品ラインナップ、開発環境の機能などについて詳しく解説しています。Xilinx社のFPGA用の開発ツールには、VivadoとISEの2種類があります。現在はISEからVivadoに移行していますが、Spartan-6などの古いデバイスはVivadoではサポートされていないので、ISEを使用する必要があります。VivadoではC言語による開発が可能ですが、より抽象度の高い開発用としてVitisやVitis AIと呼ばれるツールが用意されています。Vivadoはハードウェア技術者用のツールであり、VitisやVitis AIはソフトウェア技術者用の開発ツールになります。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

Artix-7 FPGA評価ボード 【410-328-35】　11,138.04円
Kintex UltraScale FPGA評価ボード 【ADS9-V2EBZ】　1,185,372.63円
Kintex UltraScale+ FPGA評価ボード 【EK-U1-KCU116-G-J】　401,881.05円
Zynq-7000 SoC FPGA評価ボード 【410-351-10】　24,373.4円
Zynq UltraScale+ MPSoC FPGA評価ボード 【EK-U1-ZCU102-G】　342,105.26円

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■圧電トランスデューサブザーでより大きな音声出力を得る設計手法
　圧電トランスデューサ(ピエゾトランスデューサ)によるブザーは、可聴識別やアラートの手段として幅広く使用されています。ここでは、圧電トランスデューサによるブザーの原理と音声出力を増加させる設計手法ならびに制約などについて解説します。

■狭ピッチ基板間コネクタを使用してシステムパッケージングを最適化
　スペースを節約するために、1枚のプリント基板ではなく複数のプリント基板に分けることが多々あります。ここでは、回路性能を維持しつつ電磁妨害などを防ぐ、プリント基板どうしを接続するBTB(基板対基板接続)コネクタの使用法を詳しく解説します。

　マルツエレックでは、IoTデバイスの製作などにおいてセンサーをブレッドボードで試してみたいときに、2.54mmピッチに変換して扱いやすくした各種センサーモジュールをご用意しています。

■デジタル温度センサー ADT7310 DIP化モジュール【MDK001】
　MDK001は、アナログデバイセズの高精度温度センサーADT7310を搭載した、デジタル温度センサージュール基板です。ADT7310は、温度校正や直線性の補正が不要で、±0.5℃の高精度な温度測定が可能なデジタル温度センサーです。

デジタル温度センサー ADT7310 DIP化モジュール 【MDK001】　790円

■温度/湿度センサーモジュール基板【MHTU21D】
　MHTU21Dは、Measurement Specialities(現在はTE Connectivity)製の温度/湿度センサーHTU21Dを搭載したモジュール基板です。HTU21Dは、3×3mmの小型面実装タイプのICで、高精度で温度および湿度の測定が可能です。温度と相対湿度を同時に測定が可能で、センサデータはI2C通信で取得できます。

温度/湿度センサーモジュール基板 【MHTU21D】　1,900円

■AMRセンサー搭載DIP化モジュール【DIP-MRES301B】

　DIP-MRES301Bは、村田製作所のAMRセンサーMRES301Bを搭載したモジュールです。AMR(Anisotropic Magneto Resistive effect；異方向性磁気抵抗効果)は、磁場の強弱によって電気抵抗が変化する現象です。AMRセンサーは、AMRによる磁気抵抗素子を用いた磁気センサーで、モータの回転軸などに磁石を取り付け、これに近接させることで回転や変位を検出することができます。

AMRセンサー搭載DIP化モジュール 【DIP-MRES301B】　1,680円

■3軸加速度/3軸地磁気センサーモジュール【MBMC050】
　MBMC050は、Bosch Sensortecの電子コンパスIC BMC050を搭載した3軸加速度/3軸地磁気センサーモジュールです。BMC050は、3軸加速度センサーと3軸地磁気センサーを内蔵しており、方位、傾き、動き、衝撃、振動、進行方向などの測定ができます。センサーデータは、I2C通信で取得できます。

3軸加速度/3軸地磁気センサーモジュール 【MBMC050】　1,200円