FPGAとは？CPU・ASICとの違いを画像多めでわかりやすく解説！

FPGAは、簡単に言うと、
あとから中の回路を書き換えられる半導体チップのことだよ。

そう。
普通のICや専用チップは、作ったあとに中の回路を大きく変えるのは難しい。
でもFPGAは、使う人があとから設計情報を書き込んで、内部の回路構成を変更できるんだ。

FPGAは Field Programmable Gate Array の略だよ。

そう。FPGAを一言でいうなら、こうなるよ。

あとから回路を作り替えられる、自由度の高い半導体チップ

FPGAは、レゴブロックで作る電子回路みたいなイメージかな。

そう。
同じレゴブロックでも、組み方を変えれば家にも車にもロボットにもなるでしょ？

FPGAも似ていて、チップの中にある部品のつなぎ方を変えることで、いろいろな回路として使える。

同じFPGAチップ
↓
設計Aを書き込む → 通信処理用の回路
設計Bを書き込む → 画像処理用の回路
設計Cを書き込む → 制御用の回路

そうそう。
だから試作や特殊な処理に向いている。

FPGAは
Field Programmable Gate Array の略だよ。

そう。
名前の意味としてはかなり近いね。

CPUは、あらかじめ決まった回路で、プログラムの命令を順番に処理する部品だよ。

そう。
CPUは汎用的でいろいろな処理ができるけど、基本的には「命令を読んで実行する」スタイル。

CPU
プログラムの命令を読む
↓
順番に処理する

実際のCPUも複数のコアで並列処理できるけど、
基本的な考え方としては、用意された命令を実行する部品だと考えると分かりやすいよ。

FPGAは、処理内容に合わせて専用の回路を作るイメージ。

FPGA
やりたい処理に合わせて回路を作る
↓
その回路で処理する

そうそう。そんな感じだよ。

料理で例えてみようか。

CPUは、何でもできる料理人みたいなもの。

CPU
包丁で切る
鍋で煮る
フライパンで焼く
順番に作業する

そう。
一方、FPGAは、料理の工程に合わせて専用の調理ラインを作る感じ。

FPGA
野菜を切る係
肉を焼く係
ソースを作る係
盛り付ける係
を同時に動かす

そう。
だから、同じような処理を大量に高速に処理したいときに強いことがある。

FPGAの大きな特徴は、並列処理が得意なことだよ。

そう。
CPUは基本的に命令を順番に実行する考え方だけど、FPGAは処理ごとに回路を作れるから、複数の処理を同時に走らせやすい。

そう。
特に、画像処理、通信処理、信号処理、暗号処理みたいに、同じような計算を大量に繰り返す処理と相性がいい。

ASICは、特定用途向けに作る専用チップのことだよ。
ざっくり言うと、最初から専用に作り込んだチップ。

使える。
でも違いは、あとから変更できるかどうか。だよ。

そう。
FPGAは設計変更しやすく、製品に載せた後でも書き換えられる場合がある一方、ASICは大量生産ではコストや消費電力、性能面で有利になりやすい、という説明がよくされるよ。

FPGAのメリットは主にこれ。

そう。
開発中に「やっぱり仕様を変えたい」となったとき、FPGAなら書き換えで対応できる場合がある。

逆にデメリットはこんな感じ。

そうだね。
FPGAでは、VerilogやVHDLなどのHDL、つまりハードウェア記述言語で回路を設計することが多い。ソフトウェアの命令を書くというより、回路構造を設計する感覚に近いよ。

HDLは Hardware Description Language の略で、ハードウェア記述言語のこと。

似て見えるけど、考え方が違う。
プログラミング言語は「CPUにどんな順番で命令を実行させるか」を書くことが多い。

一方HDLは、

この入力が来たら、この論理回路で処理する
この信号とこの信号をつなぐ
このタイミングで値を保持する

みたいに、回路の動きや構造を書く。

そう。
ここがFPGAの面白いところだよ。

たとえばこんな用途があるよ。

そう。
特に「仕様変更がありそう」「専用処理を高速にしたい」「量産前に検証したい」みたいな場面と相性がいいよ。

違うね。
GPUは、画像処理や大量の同じような計算を並列に行うのが得意なプロセッサ。

そう。
GPUは用意された演算ユニットを使って大量計算する。
FPGAは、処理に合わせて回路そのものを構成できる。

今まで説明したCPUとASICも入れて比較するとこんな感じ。

FPGAはこういうケースで向いているよ。

そう。
「まだ仕様が固まりきっていない」「でも高速なハードウェア処理がほしい」みたいな場面に合う。

たとえばこんな感じ。

このキーワードが出たらFPGAを疑うといいよ。

そう。
FPGAはそこを押さえればかなり理解しやすい。

そこが誤解しやすい。
FPGAでは「プログラムする」と言うことがあるけど、CPUに命令を実行させるのとは違う。

CPUは命令を実行する。
FPGAは回路を構成する。

っていう点で違うよ。

CPU：ソフトウェアの命令を実行する
FPGA：ハードウェアの回路を構成する

と分けて考えるとわかりやすいよ。

処理によるね。
並列化しやすい処理や、決まった処理を低遅延で返したい場合は強い。
でも、何でもFPGAにすれば速いわけじゃない。

かなりある。
FPGAは設計コストも高いから、使いどころが大事。

FPGAとは、
製造後でも内部の回路構成を書き換えられる半導体チップのこと。

その通り。
一言でまとめるなら、

FPGAは、作ったあとでも用途に合わせて回路を組み替えられるチップ

だね。