「招待講演：ACRi ルームの小さな FPGA ボードで何がどこまでできるか」

1. ACRi ルームの小さな FPGA ボードで何がどこまでできるか ACRi ウェビナー招待講演 2020-11-27 藤枝直輝 (愛工大)

2. アウトライン ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 2 • 自己紹介 & ACRi ルームの紹介 • ACRi ルームの Arty ボードが使えるようになるまで • Arty ボードで何ができるか？ • Arty ボードでどこまでできるか？

3. 自己紹介 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 3 • 藤枝直輝（ふじえだなおき） • 愛知工業大学工学部電気学科講師 • ACRi ルーム副室長 • 主な研究テーマ • 計算機アーキテクチャ • FPGA応用 • 組込みシステム • セキュアプロセッサ FPGA を使って，何か面白いことがしたい！

4. 自己紹介 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 4 • MieruPC プロジェクト（学生時代） • ハードからソフトまで，中身が「見える」教育向け計算機 • なんだかんだで100台くらいは売れた

5. 自己紹介 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 5 出典: 燃やせ！工作魂──PCを“ゼロ”から作る「MieruPC」, ITmedia PC User, http://plusd.itmedia.co.jp/pcuser/articles/1007/07/news073.html 藤枝（当時25 歳）東工大吉瀬先生（ACRi 代表）

6. ACRi ルーム ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 6 • https://gw.acri.c.titech.ac.jp/

7. リアル ACRi ルーム（in 東工大） ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 7 FPGA StarterBOX Alveo アクセラレータを搭載したサーバ（4台） Arty ボード x 10～15を搭載したサーバ（7台）

8. Arty サーバ ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 8 ドライブベイの各スロットに Arty ボードケース上にも Arty ボードが数台

9. Arty (Arty A7-35) ボード ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 9 • Digilent 社のエントリー向け FPGA ボード • Xilinx Artix-7 XC7A35T 搭載 • 秋月電子で買うと ¥15,800 • エントリー向けとはいえ，できることは多い • ……というのが今日の話画像出典: Digilent https://reference.digilentinc.com/reference/programmable-logic/arty-a7/start

11. 全てはここから ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 11 • https://gw.acri.c.titech.ac.jp/

12. アカウント申請 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 12 • https://gw.acri.c.titech.ac.jp/wp/registration • 利用規約の一読を • ユーザー名には a-z, 0-9, _ が使用可能（ただし，先頭2文字は u_） • ウェビナー参加者向けプロモーションコード tryacri1127nf

13. 2種類のアカウント ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 13 • 予約システムのアカウントでサーバを予約して • 利用環境サーバのアカウントでサーバを使う gw.acri.c.titech.ac.jp https ssh オンライン予約システム（OLB） Webサーバ（WordPress）利用環境の各サーバ

14. 予約システム ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 14 • 1枠3時間でサーバの予約ができる • 1日の予約は2枠（現在，期間限定で4枠に増枠中）まで • 【New!】現在の時間枠も予約可能（10/26～）

15. 利用環境への接続 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 15 • gw.acri.c.titech.ac.jp に SSH 接続 • RDP のためのポート転送も設定する • リモートデスクトップ接続で転送元ポートに接続 • 接続前にオプションを表示し，ユーザ名欄に自分のユーザ名を入力しておく

16. サーバの予約・利用について詳しくは ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 16 • https://gw.acri.c.titech.ac.jp/wp/manual/how-to-reserve • 解説動画も用意している

18. Arty の主な構成要素 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 18 • FPGA • Xilinx Artix-7 XC7A35T • DRAM • 256 MB @ 667 MHz • microUSB ポート • ボード内で JTAG，UART へ変換 • その他，スイッチや LED など画像出典: Digilent https://reference.digilentinc.com/reference/programmable-logic/arty-a7/start

19. FPGA ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 19 • Xilinx Vivado で開発 • ハードウェア記述言語 (HDL) で回路を記述したり • 回路部品 (IP コア) を組み合わせてシステムを構築したり • C/C++ で記述した動作を高位合成で回路に落とし込んだり • 設計技法はさまざま

20. DRAM ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 20 • FPGA 内部の SRAM • 高速・並列アクセス可能だが，容量が少ない（Arty は約 200 kB) • より多くのメモリ領域を扱いたい場合は，外部の DRAM を使う • DRAM コントローラ • MIG (Memory Interface Generator) IP コアを使う画像出典: Thiem Van Chu, MIG を使って DRAM メモリを動かそう (4), ACRi ブログ https://www.acri.c.titech.ac.jp/wordpress/archives/8036

21. microUSB ポート ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 21 • 給電，通信はすべてケーブル1本で • FPGAへの書き込みおよびデバッグ（JTAG） • PC との通信(UART) • ボード上の変換回路がうまくやってくれる（詳細は企業秘密らしい……）

22. スイッチ・LEDは…… ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 22 • ACRi ルームでは直接触れることはできない • かわりに，仮想 I/O (VIO) IP コアを使うと， Vivado の画面から入出力を操作できる

23. 例: 真性乱数生成器 (TRNG) ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 23 • 電子デバイス等の物理的挙動を使って，予測不可能な乱数を生成する回路 • 本質的に実機評価が不可欠 • 素子のアナログな挙動を利用するため，ディジタルの世界の論理シミュレーションでは，出力の生成・評価ができない！電子デバイス物理的挙動ランダムなビット列 1, 0, 1, 1, 0, ... ※ FPGA における真性乱数生成器について，詳しくは ACRi ブログにて連載中 https://www.acri.c.titech.ac.jp/wordpress/archives/category/20q3-06b

24. 真性乱数の生成・評価回路 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 24 • 真性乱数生成器の改良に関する研究 (@ FPL 2020) • https://github.com/nfproc/TC-TERO • TERO（遷移効果リングオシレータ）とよばれる回路がベース • 以下の2つを同一の回路で行う必要がある • 適切なパラメータの調査 • そのパラメータを使った乱数の生成 • リセット時の状態に応じて，モードを切り替える • 手元の実機で検証するときにはスイッチを使っていたが…… • VIO を使えば ACRi ルームでも使える！

25. 生成・評価回路の全体像 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 25 • モード設定（MODE），パラメータ設定（SW），リセット（RST）を VIO から操作する真性乱数生成回路データ変換回路シリアル送信回路全体の制御回路 TXD LED MODE SW CLK RST

26. VIO を使う ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 26 • VIO のインスタンスを設定してプロジェクトに追加 • 入出力ポートを VIO に接続するよう，記述を変更 ※ VIO の使い方の詳細は，以下の記事で詳しく述べられている．三好健文, FPGA をもっと活用するために IP コアを使ってみよう (2), ACRi ブログ https://www.acri.c.titech.ac.jp/wordpress/archives/43

27. VIO を操作する ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 27 • いつも通り FPGA に書き込む • 自動的に VIO の操作に必要な .ltx ファイルも指定される • Hardware Manager に VIO が追加されるので，そこから入力の切り替え・出力の確認ができる

28. データ収集・集計のスクリプトを実行 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 28 • シリアル出力をファイルに保存 • ライブラリの都合上 Python 版を使う • 保存したファイルを集計 • カウンタ値なら分布のチェック • 乱数なら統計的な偏りがないかの試験実施

29. 得られた分布の例 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 29 • カウンタ値がほどよい分散をもつ • 理論モデルとおおむね一致する • 最下位ビット（=偶奇）を出力すれば，ランダムなビット列となる • ACRi ルームの Arty ボードでも，手元の実機で行った実験と同様の結果を再現できた！

31. 10年ちょっと前の低価格 FPGA ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 31 • Spartan-3E • MieruPC で使用（2010年版では主に XC3S250E） • システム全体でロジックのほぼ 100% を使用 Spartan-3E XC3S250E ≒ MieruPC 1個分

32. カタログスペックで比較……？ ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 32 • 搭載されている論理素子の個数を比較 • Spartan-3E XC3S250E • Artix-7 XC7A35T 型番スライス [個] LUT [個] FF [個] ブロックRAM [kb] 乗算器/ DSP [個] XC3S250E 2,448 4,896 4,896 216 12 XC7A35T 5,200 20,800 41,600 1,800 90 2.12x ?

33. スライスの内部構造 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 33 • スライス1個あたりの LUT，フリップフロップ（FF） • Spartan-3E はどちらも2個 • Artix-7 は LUT 4個，FF 8個

34. LUT の内部構造 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 34 • 1個の LUT で表せる組合せ回路 • Spartan-3E は4入力1出力 • Artix-7 は「6入力1出力」「5入力2出力」「3入力1出力 + 2入力1出力」のいずれか • スライスや LUT が指し示す回路は世代により異なるので，単純比較は×

35. 例: Plasma ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 35 • MIPS ライクのオープンソースソフトプロセッサ • https://opencores.org/projects/plasma • MIPS I におおむね準拠，実質4段のパイプライン • リファレンス設計が Spartan-3E 向け Fetch 1 Fetch 2 Decode Execute Memory (or WriteBack) Write Back

36. Plasma を Artix-7 向けに移植 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 36 • Plasma 付属のメモリコントローラ • Spartan-3E のスタータボード向けに書かれている • Artix-7 向けにはブロック RAM に置換 • ハードウェア使用量の評価には含めない • 論理合成環境 • Spartan-3E: ISE 14.7 • Artix-7: Vivado 2014.4 • 昔取ったデータなのでバージョンが古いがご愛嬌

37. 評価結果 ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 37 • スライス・LUT・FF の個数 • 最大動作周波数 • ISE ではツールによる見積もり（Fmax） • Vivado ではタイミング制約を満たした最大値対象スライス [個] LUT [個] FF [個] 動作周波数 [MHz] Spartan-3E > 1,648 3,295 439 35 Artix-7 457 1,655 430 59 1/3.61 1.7x

38. 総合すると…… ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 38 • Arty では，おおよそ MieruPC 約7.7個分の論理を実装可能（しかも速い）型番スライス [個] LUT [個] FF [個] ブロックRAM [kb] 乗算器/ DSP [個] XC3S250E 2,448 4,896 4,896 216 12 XC7A35T 5,200 20,800 41,600 1,800 90 単純比較で 2.12 倍 x スライス1個が 3.61 倍効率的（プロセッサを実装した場合）

39. まとめ ©︎ 2020 Adaptive Computing Research Initiative - ACRi 39 • ACRi ルームの小さな FPGA ボードでも，できることはたくさんある！ • HDL，IP コア，高位合成などを用いた設計を修得できる • 大規模な回路の実装が不要なら，研究にも十分使える（アイディアで勝負？） • ちょっとしたプロセッサなら，余裕で実装できる • それでも物足りなくなったら……？ • Alveo を試してみる • 用途に合った FPGA ボードを買って，手元で動かしてみる

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