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増え続ける情報に対応するためのFPGA基礎知識
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増え続ける情報に対応するためのFPGA基礎知識
1.
増え続ける情報に対応するための FPGA基礎知識 2015年6月24日 きしだなおき
2.
FPGAとは ● Field Programmable
Gate Array – Field 現場で – Programmable プログラム可能な – Gate 論理素子が – Array いっぱい並んだやつ ● 現場でプログラムできる論理回路
3.
回路をプログラムできる ● 1chip MSX –
MSXという1983年のパソコン規格をFPGAで実現 – Z80 CPU – V9938ディスプレイプロセッサ – AY-3-8910サウンドジェネレータ(PSG)
4.
FPGAの仕組み
5.
回路の合成 ● 例:3入力でORとANDの組み合わせ
6.
回路にはいろいろある ● XORやNOTなどいろいろ組み合わせると大変 ● 全部用意しようとすると使わない素子が多くなる ●
回路に無駄
7.
回路の入出力の組み合わせ 入力 出力 000 0 100
0 010 0 110 1 001 1 101 1 011 1 111 1
8.
LUT(LookUp Table) ● 入出力をあらかじめメモリにもっておけばいい ●
製品としては4入力LUTや6入力LUT 入力 出力 000 0 100 0 010 0 110 1 001 1 101 1 011 1 111 1
9.
論理ブロック ● Logical Element(LE)
Altera ● Logical Cell(LC) Xilinx
10.
配線 ● 論理ブロックが格子状に配置 ● 周囲に配線 ●
アイランドスタイル
11.
乗算回路とメモリ ● 乗算やメモリを論理ブロックの組み合わせで実現 すると効率がわるい ● 乗算回路やメモリ(SRAM)がのってる
12.
FPGAは基本的にはメモリ回路 ● LUTの基本はメモリ ● 配線スイッチもメモリ ●
配線データを書き込むだけ
13.
FPGAとCPU ● CPUとは – メモリから命令をよびだして、命令にしたがった回路で 処理を行う –
ノイマン型アーキテクチャ
14.
FPGAなら ● 命令を読み込む必要なく、回路をやりたい処理の とおり並べることができる ● 非ノイマン型アーキテクチャ
15.
FPGAの利点 ● 命令を読み込む必要がない – 処理を行うまでのタイムラグが少ない ● 低レイテンシ –
命令解析のための回路が不要 ● 余分な回路がないので低消費電力 ● 細かな並列化
16.
ムーアの法則の限界 ● ムーアの法則 – 1年半で集積度が倍になる ●
そろそろ限界が見えてきている ● チップ微細化の停滞によって、消費電力が決まれ ばトランジスタ数が決まるようになる – 限られたトランジスタ数で効率よい処理が必要になる
17.
最近のできごと ● 2012 金融処理でのFPGA ●
2014 MicrosoftがサーバーにFPGA採用を発表 ● 2014 DwangoがFPGA技術者を募集 ● 2015 IntelがAlteraを買収
18.
金融計算 ● HFT(High Frequency
Trade) ● 時間=お金 ● 回路切り替えにも工夫 – 回路切り替えで処理が止まるならFPGAで時間短縮す る意味がない ● FPGAが計算に利用できる
19.
MicrosoftがサーバーにFPGA採用 ● 1632台のFPGAサーバーでクラスタを構成 ● ページランク処理でスループットを2倍 ●
スループット同一の場合は遅延を3割減 ● サーバーに載せるFPGAの効率が実証される
20.
DwangoがFPGA技術者を募集 ● Dwangoの主力事業は動画配信 ● 動画処理などをFPGAで高速化 ●
日本のサービス会社がFPGAに注目している
21.
IntelのAltera買収 ● 2015年6月1日に買収発表 ● AlteraはXilinxと1、2位を争うFPGAメーカー ●
XeonとFPGAの組み合わせ ● 「Intelの予想では、2020年までにクラウドサービ スプロバイダのサーバノードの最大1/3でFPGA が活用される」
22.
FPGAでの開発 ● 回路記述 – VHDLやVerilogHDLなど ●
論理合成 – HDLを論理回路に変換 ● 配置配線 – 論理回路を実際の回路に配置 ● コンフィギュレーション – FPGAに回路情報を設定
23.
HDLの問題点 ● 書くのが面倒 ● 書くのが面倒 ● 論理合成に時間がかかる –
数時間かかったりする ● デバッグが面倒 ● デバッグが面倒 ● テストも面倒 ● テストも面倒 ● いろいろ面倒
24.
IPを使う ● Intellectual Property ●
ようするにライブラリ ● だれかが作って検証してる
25.
SoC ● System on
Chip ● CPU回路のせちゃえ – ソフトコアCPU ● 物理CPUのせちゃえ – FPGAの微細化 – チップに余裕 – 再構成可能回路が大量にあってもしかたない – そうだARMを乗せよう
26.
高位合成 ● CとかJavaとかで書いてHDLに変換 ● アルゴリズムの検証がソフトウェアとして行える –
デバッガなどが使える – コンパイルが速い ● OpenCL – GPUやCPUでの並列にも対応
27.
FPGAのつかいどころ ● ネットワーク処理 ● 人工知能 ●
IoT
28.
ネットワーク処理 ● 40Gbイーサとか100Gbイーサとかが普及すると 処理についていけない ● 暗号化や認証、圧縮処理をFPGAで行うとよさげ ●
CPUはアプリケーション処理に専念
29.
人工知能 ● 深層ニューラルネットワーク ● たくさんの掛け算・足し算を要素ごとに行う
30.
IoT ● たくさんのセンサーから常時データが送られる ● ほとんどのデータは無駄 ●
人工知能(深層ニューラルネットワーク)に学習さ せて、必要なデータだけを送信 ● 低消費電力
31.
FPGAやりましょう
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