Hot Chips 27 - 進化するFPGA

Hot Chips 27のFPGAのセッションでは、XilinxがSoCとFPGAを複合した「Zynq」、Alteraが14nmプロセスを使い1GHzで動作するFPGA「Stratix」、そしてMicrosoftがFPGAを使ってDeep Learningを高速化するという発表を行った。

適用範囲を広げたXilinxのZynq

XilinxはProgrammableなLogicだけではなく、プロセサやビデオ、グラフィックスの処理機能やリアルタイム処理機能などをソフトウェアでプログラムするシステムをも一体化したZynqという製品を発売しており、今回のHot Chipsではその第2世代となる「Zynq UltraScale+ MPSoC」を発表した。

Zynqについて発表するXilinxのプロセサ開発VPのVamsi Boppana氏

次の図のように、Zynq UltraScale+ MPSoCはProgrammable Logicに加えて、ARM Cortex-A53プロセサとリアルタイム用のARM Cortex-R5プロセサ、高速のI/O、ビデオやグラフィックスの処理ブロックを集積し、セキュリティや電力制御機能が組みこまれており、ほとんど何でも作れるというチップになっている。

コストが高いのでFPGAで作ったものが製品として販売できるとは限らないのであるが、プロトタイプを作ってデバグを行うという用途では、FPGAを使っていないところは無いというくらい普及している。

従来は、プロセサやグラフィックスなどは、簡単なものはプログラムロジックで作る場合もあるが、高機能なものは別チップを使ってプリント基板上で接続するという必要があったが、Zynqを使えば、このような機能も集積されているので、手間が省ける。

Zynq UltraScale+はProgrammable Logicに加えて、ARM Cortex-A53プロセサとリアルタイム用のARM Cortex-R5プロセサ、高速のI/O、ビデオやグラフィックスの処理ブロックを集積し、セキュリティや電力制御機能が組みこまれている (以後の図は、Hot Chips 27におけるXilinxの発表スライドのコピー)

次の図に示すように、Zynq UltraScale+ は、Processing Systemとして、ARM Cortex A53+NEONが4個、リアルタイム用のARM Cortex-R5が2個、Mali-400MP GPUを持ち、暗号化やTrustZoneなどのセキュリティ機能、電力管理機能などを持つ。さらに各種のI/O、DDRメモリコントローラも集積している。

また、Programmable Logic側はFPGAのロジックやブロックRAM、DSPに加えて100G EthernetやPCIe Gen4、H.265/H.264 CODECなどを含んでいる。

Processing Systemとして、ARM Cortex A53+NEONが4個、リアルタイム用のARM Cortex-R5が2個、Mali-400MP GPUの持ち、暗号化やTrustZoneなどのセキュリティ機能、電力管理機能などを持つ。さらに各種のI/O、DDRメモリコントローラも集積している。一方のProgrammable Logic側はFPGAのロジックやブロックRAM、DSPに加えてEthernetやPCIe、H.265/H.264 CODECなどを含んでいる

アプリ処理用のARM Cortex-A53は、最大1.5GHzのクロックで動作し、コアごと、および共用の1MBのL2キャッシュの単位でパワーゲートできるようになっている。

4個のARM Cortex A-53+NEONをアプリ処理用に持ち、このプロセサが最大1.5GHzクロックで動作する。各コアと1MBのL2キャッシュはパワーゲートができるようになっている

最近では綺麗な表示を要求される場合が多く、そのため、ビデオコーデックは4K×2KのH.265は60fps、15fpsに落ちるが8K×4Kも処理できるものを搭載しており、DisplayPort(DP)をサポートしている。そして、Mali 400 MP2 GPUは最大667MHzクロックで動作する。

最大8K×4Kに対応できるH.265コーデックを搭載し、DPをサポートする。最大667MHzクロックで動作するMali 400 MP2 GPUを持つ

次の図で色分けされているように、多くのパワードメインがある。主要なものは、I/OやRAMなどを含むローパワードメイン、CPUやGPUを含むフルパワードメイン、プログラマブルロジックのパワードメインである。

そして、それぞれのパワードメインの中の大きなブロックで、使われない状態があるプロセサコアやGPU、L2などのRAMには、次の図に示すように、パワーゲートのスイッチが付いており、スリープモードでは消費電力を35mWに低下させることができる。

Zynq UltraScale+の内部は大きく3つのパワードメインに分かれており、プロセサやGPU、L2などの各種RAMはパワーゲートのための電源スイッチが付いている

(次回は9月14日に掲載します)