Tang Nanoの始め方：FPGA開発ボードの選び方とおすすめポイント

By /

Tang Nanoの始め方：FPGA開発ボードの選び方とおすすめポイント

はじめに：FPGAの世界へようこそ

デジタル技術が急速に進歩する現代において、FPGA（Field-Programmable Gate Array）は、その柔軟性と高性能から、ますます注目を集めています。AI、エッジコンピューティング、IoT、高速通信など、最先端の技術分野でFPGAの活用が進む一方で、「FPGA開発は難しそう」「何から始めればいいか分からない」と感じる方も少なくないでしょう。

この記事は、まさにそのような疑問や不安を抱えるあなたのためのガイドです。FPGAとは何かという基本的な知識から、数あるFPGA開発ボードの中から自分に最適なものを選ぶ方法、そして特にコストパフォーマンスに優れ、初心者にもおすすめの「Tang Nano」シリーズを使った具体的な開発の始め方まで、約5000語にわたる詳細な解説を提供します。

FPGAの世界への第一歩を踏み出し、あなたのアイデアをハードウェアとして実現する興奮を体験する準備はできていますか？ さあ、新たな学びの旅を始めましょう。

FPGAとは何か？CPU/GPU/ASICとの違い

FPGAは「Field-Programmable Gate Array」の略で、日本語では「現場で書き換え可能なゲートアレイ」と訳されます。その名の通り、ユーザーが自由に論理回路をプログラム（書き換え）できる半導体デバイスです。

一般的なコンピュータの脳であるCPU（Central Processing Unit）は、ソフトウェア（プログラム）を実行することで様々なタスクを処理します。CPUは汎用性が高い一方で、基本的に命令を逐次実行するため、大量の並列処理や超高速なリアルタイム処理には限界があります。

GPU（Graphics Processing Unit）は、もともとグラフィック処理に特化して開発されましたが、その強力な並列演算能力から、最近ではAIの機械学習など汎用的な高速計算にも用いられています。GPUもまたソフトウェアを実行しますが、数百から数千の小さなコアで同時に多くの計算を行うことで高性能を実現します。

これらに対し、FPGAはCPUやGPUとは根本的に異なります。 FPGAは「ハードウェア」そのものを設計・構築します。内部には、数千から数十万、時には数百万もの論理ゲート（AND、OR、NOTなど）やフリップフロップ、メモリブロック、DSP（Digital Signal Processor）ブロックといった再構成可能な回路要素が格子状に配置されています。これらの要素間の接続をユーザーが記述した「ハードウェア記述言語（HDL）」に基づいて再構成することで、特定の機能を持つカスタム回路を作り上げます。

特徴 CPU (例: Intel Core i7) GPU (例: NVIDIA GeForce RTX) FPGA (例: Xilinx Artix-7) ASIC (例: Bitcoinマイニングチップ)
処理方式 逐次処理 大規模並列処理 並列処理（カスタム回路） 並列処理（固定回路）
柔軟性 高い（ソフトウェア変更） 高い（ソフトウェア変更） 非常に高い（ハードウェア変更） 低い（変更不可）
速度 中 高（特定の処理） 非常に高（カスタム回路） 最高
消費電力 中 高 低〜中 低（特定処理）
開発期間 短 短 中〜長 非常に長
開発費用 低 低 中 非常に高
代表用途 PC、サーバー グラフィック、AI学習 試作、少量生産、特定高速処理 大量生産品、超高速処理

そして、ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）は、特定の用途のために設計された専用の集積回路です。一度製造すると回路は固定され変更できませんが、FPGAよりも高速で低消費電力、そして大量生産時にはコストも低く抑えられます。FPGAは、ASICを開発する前のプロトタイピングや、少量生産、あるいは仕様が変更される可能性がある製品に利用されることが多いです。

つまり、FPGAは「ソフトウェアの柔軟性とハードウェアの高速性を併せ持つ」ユニークなデバイスと言えます。

FPGA開発の魅力と可能性

FPGA開発の最大の魅力は、「アイデアを直接ハードウェアとして形にできる」点にあります。ソフトウェアだけでは実現できないような、真の並列処理や超高速なデータ処理、ミリ秒単位の精密なタイミング制御などが可能になります。

  • 極めて高い並列処理能力: 複数の処理を同時に実行する「並列性」が設計段階から織り込まれるため、CPUやGPUではボトルネックとなるような処理も効率的に実行できます。
  • 超高速処理とリアルタイム性: 特定のタスクに最適化された回路を構築できるため、クロック周波数が同じCPUよりもはるかに高速な処理や、確実なリアルタイム制御が可能です。
  • 柔軟性と再構成性: 一度設計した回路でも、後から機能を追加したり、バグを修正したり、全く別の機能に書き換えたりすることが可能です。これにより、開発サイクルを短縮し、市場の変化に迅速に対応できます。
  • 電力効率: 特定のタスクに特化することで、CPUやGPUと比較して同等の性能をより低い消費電力で実現できる場合があります。これはバッテリー駆動デバイスやエッジAIデバイスにおいて重要です。
  • 組み込みシステムへの応用: 小型で低消費電力のFPGAは、センサーデータの高速処理、画像・音声処理、ネットワーク通信など、多岐にわたる組み込みシステムの中核として活用されています。

なぜ今、FPGAなのか？

近年、FPGAの重要性が高まっている背景には、以下のような技術トレンドがあります。

  • AI/ML（機械学習）： 特に推論処理において、FPGAはその並列処理能力と低消費電力から、クラウドだけでなく、エッジデバイスでのAIアクセラレータとして期待されています。
  • エッジコンピューティング： データ生成源に近い場所でリアルタイム処理を行うエッジデバイスにおいて、FPGAは低レイテンシで効率的なデータ処理を可能にします。
  • IoT（モノのインターネット）： 多数のセンサーからのデータ収集・前処理、セキュリティ機能の実装など、IoTデバイスの多様なニーズに対応できる柔軟性があります。
  • カスタムハードウェアの需要増: 特定のアプリケーションに特化した専用ハードウェアの需要が高まっており、ASICほどの大規模な投資や長い開発期間をかけずに高性能なカスタム回路を実現できるFPGAの価値が向上しています。
  • オープンソースハードウェアの普及: RISC-VのようなオープンソースCPUアーキテクチャの登場により、FPGA上で独自のCPUを構築し、システム全体をカスタマイズするといった可能性も広がっています。

これらの背景から、FPGAはもはや特定分野の専門家だけのものではなく、ソフトウェアエンジニアや組み込み開発者、さらには趣味で電子工作を行う人々にとっても魅力的な選択肢となりつつあります。

FPGA開発を始める前に知っておきたいこと

FPGA開発は、プログラミングとは異なる独特の思考が必要です。始める前に、いくつか基本的な概念を理解しておきましょう。

必要な予備知識

FPGA開発は、まったくの初心者にとってハードルが高いと感じられるかもしれません。しかし、以下のような基礎知識があれば、スムーズに学習を進めることができます。

  • デジタル回路の基礎：
    • 論理ゲート： AND、OR、NOT、XORなどの基本的なゲートの機能と真理値表。
    • フリップフロップ： データを一時的に保持する記憶素子。Dフリップフロップ、ラッチなど。同期回路と非同期回路の概念。
    • 組み合わせ回路と順序回路： 入力によって出力が決まる組み合わせ回路（例：加算器、デコーダ）と、過去の状態と入力によって出力が決まる順序回路（例：カウンタ、レジスタ）の違い。
    • クロックと同期設計： デジタル回路の動作を制御するクロック信号の役割。すべての動作をクロックに同期させる「同期設計」の重要性。
  • 二進数、十六進数： デジタル回路で扱うデータの基本。
  • プログラミングの基礎（任意だが推奨）： C言語など、何らかのプログラミング経験があれば、ハードウェア記述言語の構文や考え方への適応が早まります。

もしこれらの知識が不足していると感じても、心配はいりません。FPGAの学習を進める中で、必要に応じて関連するデジタル回路の書籍やオンライン教材を参照しながら身につけていくことができます。特に「Verilog HDLの書き方」と並行して「デジタル回路の仕組み」を学ぶのが効果的です。

開発環境の概要

FPGA開発は、特定のソフトウェアツール群とハードウェアを用いて行われます。

  1. ハードウェア記述言語 (HDL):
    • FPGAに書き込む回路を記述するための言語です。最も一般的なのはVerilog HDLとVHDLです。これらはプログラミング言語に似ていますが、ソフトウェアの「処理の手順」を記述するのではなく、ハードウェアの「構造と動作」を記述するという点で大きく異なります。FPGA開発の主流はVerilog HDLかVHDLのどちらかですが、Verilogの方がC言語に似ており、比較的直感的に学習しやすいと言われています。
  2. シミュレーション:
    • HDLで記述した回路が、意図通りに動作するかをPC上で確認する工程です。実際のFPGAに書き込む前に、論理的な間違い（バグ）を発見し修正するために非常に重要です。波形表示ツールを使って、信号の変化を視覚的に確認します。
  3. 合成 (Synthesis):
    • HDLで記述された論理回路を、実際にFPGA内部の論理ゲートやフリップフロップなどの「物理的な回路要素」にマッピング可能な形式に変換する工程です。この段階で、回路の最適化も行われます。
  4. 配置配線 (Place & Route):
    • 合成された論理回路の各要素を、FPGAチップ内のどこに配置し、どのように配線するかを決定する工程です。この工程の結果が、最終的な回路の性能（動作周波数、消費電力）に大きく影響します。
  5. ビットストリーム生成と書き込み:
    • 配置配線が完了すると、FPGAに書き込むためのバイナリデータである「ビットストリーム」が生成されます。このビットストリームをUSBケーブルなどを介してFPGAボードに転送し、FPGAをプログラムします。

これらの工程は、FPGAメーカーが提供する統合開発環境（IDE）で行うのが一般的です。例えば、Xilinx（AMD）ならVivado、Intel（Altera）ならQuartus Prime、LatticeならDiamond、そしてGowinならGowin Designer (Gowin IDE) といったツールがあります。

FPGA開発の学習ステップ

FPGA開発を効率的に学ぶためのステップは以下の通りです。

  1. 座学で基礎を固める： デジタル回路の基本、Verilog/VHDLの文法と基本的な記述方法を学習します。書籍やオンライン講座を活用しましょう。
  2. シミュレーションで試す： 実際にFPGAボードがなくても、シミュレーションツールを使って回路の動作を確認する練習を積みます。HDLの記述とシミュレーションを繰り返すことで、ハードウェアの動きに対する直感を養います。
  3. 実機で動かす： FPGA開発ボードを入手し、実際にLEDを点滅させたり、ボタンの入力を受け取ったりする簡単な回路から始めて、徐々に複雑な回路に挑戦します。シミュレーションと実機での動作確認を比較することで、より深い理解が得られます。
  4. オープンソースプロジェクトやコミュニティを活用する： 既存のオープンソースFPGAプロジェクトを分析したり、オンラインコミュニティで質問したりすることで、実践的な知識とトラブルシューティング能力を身につけます。

FPGA開発ボードの選び方：あなたに最適なボードを見つけるために

FPGA開発を始める上で、適切な開発ボードを選ぶことは非常に重要です。市場には様々なFPGAボードが存在し、それぞれ異なる特徴を持っています。目的や予算、スキルレベルに合わせて最適なボードを選びましょう。

選定のポイント

  1. 目的と用途：

    • 学習・入門用： まずはFPGAの基本的な使い方やHDLの記述を学びたい場合。低価格でシンプルな機能のボードが適しています。
    • プロトタイピング： 特定のアイデアを素早く検証したい場合。必要な周辺回路が揃っているか、拡張性があるかが重要です。
    • 研究・開発： 高度な性能や特定のインターフェースが必要な場合。ハイエンドなFPGAチップを搭載し、豊富な周辺機能を備えたボードが選択肢となります。
    • 組み込みシステム： 小型で低消費電力、特定のコネクタが必要な場合。

  2. FPGAチップの種類と性能：

    • ロジックセル数 (Logic Cells / LUTs): FPGA内部の再構成可能な論理回路の数。回路の規模に直結します。入門用は数千～数万、本格的な開発では数十万～数百万となります。
    • メモリ（BRAM / Block RAM）： FPGA内部に搭載された高速なSRAMブロック。データの一時保存やバッファに利用されます。
    • DSPブロック（Digital Signal Processor）： 演算処理に特化した専用ハードウェア。画像処理や信号処理など、大量の乗算・加算が必要なアプリケーションで威力を発揮します。
    • クロック周波数： FPGAが動作できる最大周波数。高性能なチップほど高い周波数で動作可能です。
    • I/O数とタイプ： 外部との信号のやり取りに使うピンの数と種類（GPIO、LVDS、高速シリアルなど）。必要なセンサーや周辺機器を接続できるか確認します。
    • SoC FPGA: ARMプロセッサコアなどをFPGA内部に統合した製品。ソフトウェアとハードウェアを連携させた複雑なシステム開発に適しています（例: Xilinx Zynq、Intel Arria V SoC）。

  3. 搭載されている周辺回路：

    • メモリ： SDRAM（DDR3/DDR4など）、QSPI Flashなど。FPGAチップ内部のメモリだけでは足りない場合に必要となります。
    • ネットワーク： Ethernetポート、Wi-Fi/Bluetoothモジュールなど。IoTやネットワーク対応システムに必要です。
    • ディスプレイ出力： HDMI、VGA、MIPI DSIなど。グラフィック表示を伴うプロジェクトに。
    • カメラ入力： MIPI CSI-2、DVPなど。画像処理やAIアプリケーションに。
    • USB： USBホスト/デバイス、UART-USBブリッジなど。PCとの通信や周辺機器接続に。
    • GPIO：汎用入出力ピン。各種センサーやLED、スイッチなどを接続するために重要です。
    • ADC/DAC： アナログ-デジタル変換器/デジタル-アナログ変換器。アナログ信号を扱うプロジェクトに。

  4. 開発ツールとエコシステム：

    • 無償/有償ツール： 学生やホビイストは無償版のツールが利用できるかを確認しましょう。有償版は高機能ですが高額です。
    • 資料・チュートリアル： 公式ドキュメント、リファレンスデザイン、日本語の資料、チュートリアルが充実しているか。
    • コミュニティサポート： フォーラム、GitHub、ブログなどで情報交換や質問ができるコミュニティがあるか。
    • オープンソースツール対応： Yosys、nextpnrなどのオープンソースツールチェーンが利用できるか。特定のメーカー依存を避けたい場合に有効です。

  5. 価格と入手性：

    • 予算： 数千円の入門ボードから数十万円のハイエンドボードまで幅広い価格帯があります。
    • 入手チャネル： Amazon、スイッチサイエンス、Digi-Key、Mouser、Aliexpressなど、どこで入手できるか。国内で入手できると、いざという時のサポートや納期が有利です。

  6. 拡張性：

    • Pmodコネクタ： Digilent社が提唱する汎用拡張コネクタ。多数のPmodモジュール（センサー、AD/DA、通信など）を接続できます。
    • Arduinoシールド互換： Arduinoのピン配置に準拠しており、Arduino用のシールドを流用できるボードもあります。
    • 独自の拡張コネクタ： ボードメーカー独自の拡張コネクタを備えている場合があります。

  7. 消費電力とサイズ：

    • 組み込み用途やバッテリー駆動を想定する場合、ボードのサイズや消費電力も重要な要素です。

主要なFPGAメーカーとチップシリーズ

世界の主要なFPGAメーカーは以下の通りです。それぞれ異なる特徴と製品ラインナップを持っています。

  • Xilinx (AMDの子会社): FPGA市場のリーダー。
    • シリーズ: 7シリーズ（Artix-7, Kintex-7, Virtex-7）、Zynq（SoC FPGA）、Versal（ACAP – 適応型コンピューティング加速プラットフォーム）など。
    • 特徴: 非常に高性能で、豊富なIPコアと開発ツール（Vivado）が提供されます。ZynqシリーズはARMプロセッサを内蔵し、組み込みLinuxなどを実行できるため、複雑なシステム開発に人気です。
    • 開発ツール: Vivado Design Suite（無料版のWebPackあり）
  • Intel (Alteraを買収): Xilinxに次ぐ大手メーカー。
    • シリーズ: Cyclone（低コスト）、Arria（中性能）、Stratix（高性能）など。
    • 特徴: 強力なDSPブロックや高速トランシーバーを搭載した高性能なFPGAを提供。インテル製CPUとの連携も可能です。
    • 開発ツール: Quartus Prime（無料版のLite Editionあり）
  • Lattice Semiconductor: 低消費電力・小型FPGAに強み。
    • シリーズ: iCE40、ECP5、MachXOなど。
    • 特徴: 低コストで小型、低消費電力なデバイスが多く、IoTデバイスやエッジAI、組み込みシステムに最適です。オープンソースツールチェーン（Yosys, nextpnr）のサポートが進んでいます。
    • 開発ツール: Lattice Diamond（無料版あり）
  • Gowin Semiconductor: 中国の新興FPGAメーカー。
    • シリーズ: LittleBee（GW1N, GW1NR, GW1NZ）、GW2A、GW2ARなど。
    • 特徴: 非常に低価格で、小型かつ豊富なI/Oを備えたFPGAを提供。特に教育用やホビイスト向けに人気を博しています。後述のTang Nanoシリーズの心臓部です。
    • 開発ツール: Gowin Designer (Gowin IDE) （無償）

目的別おすすめボード例（Tang Nano以外の選択肢も提示）

Tang Nanoシリーズは非常に魅力的ですが、用途によっては他のボードが適している場合もあります。

  • 学習・入門用（汎用性重視）：

    • Digilent Basys 3: Xilinx Artix-7を搭載。スイッチ、LED、7セグ表示器など基本的なI/Oが充実しており、XilinxのVivadoツールを使います。デジタル回路の学習に最適。
    • Digilent Arty A7: Basys 3と同じくArtix-7搭載で、さらにPmodコネクタやEthernetなど拡張性が高い。本格的なプロジェクトにも対応可能。
    • Lattice iCEstick: Lattice iCE40を搭載した超小型・低価格ボード。オープンソースツールチェーンで開発したい場合に選択肢となります。
    • Intel Cyclone V GX Starter Kit: Intel Cyclone V FPGAを搭載。Ethernet、HDMIなど基本的なインターフェースを備え、Intel Quartus Primeで開発します。

  • 本格的なプロトタイピング・SoC FPGA学習用：

    • Digilent PYNQ-Z2: Xilinx Zynq-7000 SoC FPGAを搭載。Pythonからハードウェアを制御できる「PYNQフレームワーク」に対応しており、ソフトウェアエンジニアがFPGAに触れる良いきっかけになります。画像処理やAI推論など、Linux上で動作するアプリケーションとハードウェアアクセラレータを連携させたい場合に強力です。
    • Terasic DE10-Nano: Intel Cyclone V SoC FPGAを搭載。特にMiSTerというレトロゲームエミュレータプロジェクトのプラットフォームとして有名です。豊富なI/OとSoCの組み合わせで幅広い用途に対応します。

注目すべきFPGA開発ボード「Tang Nano」シリーズの魅力

数あるFPGA開発ボードの中で、近年特に注目を集めているのが「Tang Nano」シリーズです。Gowin Semiconductor製のFPGAを搭載したこのシリーズは、その低価格と豊富な機能で、FPGA開発への敷居を大きく下げています。

Tang Nanoとは？

Tang Nanoは、中国のSipeed社が開発・販売している小型FPGA開発ボードのブランド名です。Gowin Semiconductor製のFPGAチップを搭載し、教育用途からホビイストのプロジェクト、さらには一部の組み込みプロトタイピングまで、幅広いユーザーに利用されています。

このシリーズは、単に安いだけでなく、HDMI出力、DVPカメラ入力、PSRAM（Pseudo Static RAM）などの実用的な周辺回路を標準搭載しているモデルが多く、特にグラフィック表示や画像処理といったプロジェクトを手軽に始められる点が大きな魅力です。

Tang Nanoの主要な特徴とメリット

  1. 圧倒的な低価格と高いコストパフォーマンス:
    • Tang Nanoシリーズの最大の魅力は、その破格の価格設定です。最も基本的なモデルであれば数千円、機能が豊富なモデルでも数千円～1万円台で購入できるため、FPGA開発を始める際の初期投資を大幅に抑えることができます。この価格帯でHDMI出力やカメラ入力まで備えているボードは他にはなかなかありません。
  2. 小型・省スペース設計:
    • 多くのTang Nanoボードは、非常にコンパクトなサイズに設計されています。ブレッドボードに挿して使えるピンヘッダタイプのものや、小型の基板上に主要コンポーネントが収められたものなど、組み込み用途や携帯性を重視するプロジェクトに最適です。
  3. Gowin FPGAの選択肢:
    • Tang Nanoシリーズは、Gowin Semiconductorの「LittleBee」シリーズ（GW1N, GW1NR, GW1NZ）や「Arora」シリーズ（GW2A, GW2AR）など、複数のFPGAチップを搭載したモデルが存在します。これにより、用途に応じてロジックセル数や内部メモリの量、DSPブロックの有無などを選ぶことができます。
  4. 充実した周辺回路（モデルによる）:
    • 多くのモデルで、HDMI Type-Aコネクタ、DVPカメラインターフェース（MIPI CSI-2ではなくDVP）、microSDカードスロット、USB Type-Cポート（給電・プログラム書き込み用）、RGB LEDなどが標準で搭載されています。これにより、別途拡張モジュールを購入することなく、画像・映像関連のプロジェクトやデータロギングなどが手軽に始められます。
  5. オープンソースツールの可能性:
    • Gowin FPGAは、Yosys（オープンソース合成ツール）、nextpnr（オープンソース配置配線ツール）、そしてApiculaというGowin独自のツールチェーンを組み合わせることで、完全にオープンソースのFPGA開発環境を構築する試みが進んでいます。これにより、将来的にベンダー依存から脱却できる可能性を秘めています。
  6. 豊富なコミュニティ情報（中国語圏中心）：
    • 中国市場で非常に人気があるため、多くのサンプルコード、チュートリアル、プロジェクト例がインターネット上に公開されています。ただし、英語または中国語の資料が中心となる傾向があります。

各Tang Nanoモデルの比較と選び方

Tang Nanoシリーズにはいくつかのバリエーションがあり、それぞれ搭載FPGAや周辺機能が異なります。

  • Tang Nano 1K:
    • FPGAチップ: GW1N-1（Logic Cells: 1152）
    • 特徴: シリーズ中で最も小型・低価格。最低限のロジックセルとI/Oを持つため、シンプルなデジタル回路の学習や、非常に小さな組み込みプロジェクトに適しています。USB Type-Cポートのみ。
    • こんな人におすすめ: とにかく安くFPGA開発を始めたい、簡単な論理回路の動作確認をしたい人。
  • Tang Nano 4K:
    • FPGAチップ: GW1NSR-4C（Logic Cells: 4608, PSRAM搭載）
    • 特徴: GW1NSRシリーズはPSRAMをFPGAチップ内部に統合しており、外部メモリを必要としない独自の設計が特徴です。HDMI出力、DVPカメラインターフェース、microSDカードスロットを搭載し、ビデオ処理や画像表示のプロジェクトに適しています。
    • こんな人におすすめ: HDMI出力やDVPカメラ入力を使ったプロジェクトに興味があるが、よりコンパクトで統合されたソリューションを求める人。
  • Tang Nano 9K:
    • FPGAチップ: GW1N-9C（Logic Cells: 8640）
    • 特徴: Tang Nanoシリーズの中で最も人気があり、バランスの取れたモデルです。4Kモデルより豊富なロジックセルを持ち、HDMI出力、DVPカメラインターフェース、microSDカードスロット、RGB LED、PSRAMを搭載しています。多くのサンプルプロジェクトがこのボード向けに提供されています。
    • こんな人におすすめ: 初めてのFPGAボードとして、幅広いプロジェクトに対応できる汎用性と豊富な機能を求める人。レトロゲームエミュレータや簡単なGUI構築などにも。
  • Tang Nano 20K / Tang Nano 33K:
    • FPGAチップ: GW2A-20C / GW2A-33C（Logic Cells: 20736 / 33480）
    • 特徴: より大規模なGowin AroraシリーズのFPGAを搭載し、豊富なロジックセル、DSPブロック、高速I/Oを備えています。より複雑な設計や高性能なアプリケーションに対応できます。
    • こんな人におすすめ: 中規模以上のFPGAプロジェクトに挑戦したい、より高性能なカスタム回路を構築したい人。ただし、価格も高くなります。
  • Tang Nano Lite:
    • FPGAチップ: GW1N-1（Logic Cells: 1152）
    • 特徴: 1Kモデルと同様に最低限の機能に絞った超小型・低価格モデル。ブレッドボードに挿して使いやすい形状。
    • こんな人におすすめ: 1Kモデルと同様、手軽にFPGAを体験したい人。

Tang Nanoが特におすすめな人

  • FPGA開発に初めて触れる人: 低価格で入手しやすく、必要十分な機能を備えているため、最初のFPGAボードとして最適です。
  • 低予算で始めたい学生やホビイスト: 高価なボードに手が出しにくい方でも、気軽にFPGAの世界に足を踏み入れることができます。
  • 小型・組み込み用途のプロトタイピングを試したい人: コンパクトなサイズと豊富なI/Oにより、様々な組み込みデバイスの試作に活用できます。
  • HDMI出力やカメラ入力を使ったプロジェクトに興味がある人: 高価なFPGAボードでしかできなかったようなグラフィック表示や画像処理のプロジェクトを、手頃な価格で体験できます。
  • オープンソースハードウェア/ソフトウェアに興味がある人: 将来的にオープンソースツールチェーンでFPGA開発を行いたいと考えている人にとっても、Gowin FPGAは有望な選択肢の一つです。

Tang NanoでFPGA開発を始める具体的なステップ

ここからは、Tang Nanoボード（ここでは最も人気の高いTang Nano 9Kを想定して説明しますが、他のモデルでも基本的な流れは同じです）を使ってFPGA開発を始める具体的な手順を解説します。

必要なものリスト

  1. Tang Nanoボード本体: (例: Tang Nano 9K)
  2. USB Type-Cケーブル: PCとボードの接続、電源供給、プログラム書き込み用。
  3. Windows PC: Gowin IDEの動作にはWindowsが推奨されます。macOS/Linuxの場合はVMwareやVirtualBoxなどでWindows環境を用意するか、オープンソースツールチェーンを検討する必要があります。
  4. （オプション）microSDカード: ユーザーデータやビットストリームの保存用。
  5. （オプション）HDMIケーブルとモニター: HDMI出力機能を使う場合。
  6. （オプション）DVPカメラモジュール: カメラ入力機能を使う場合（例: OV2640モジュール）。

開発環境のセットアップ：Gowin IDE (Gowin Designer) のインストール

Tang NanoシリーズのFPGA開発には、Gowin Semiconductorが提供する統合開発環境「Gowin Designer (Gowin IDE)」を使用します。無償で利用できます。

  1. Gowin Semiconductorのウェブサイトにアクセス:
  2. Gowin Designerのダウンロード:
    • 「Software」または「Downloads」セクションを探し、「Gowin Designer」を見つけます。
    • 最新版のGowin Designer for Windowsをダウンロードしてください。通常、インストーラはZIPファイルなどで提供されます。
    • 注意: 容量が大きいのでダウンロードには時間がかかる場合があります。
  3. インストーラの実行とインストール:
    • ダウンロードしたZIPファイルを解凍し、インストーラ（例: Gowin_Designer_setup_vx.x_buildxxxx_win.exe）を実行します。
    • 指示に従ってインストールを進めます。インストール先はデフォルトのままで問題ありません。
    • 途中でデバイスドライバのインストールを促される場合があります。GowinのUSBプログラマドライバが必要ですので、忘れずにインストールしてください。
  4. ライセンスのアクティベート（無償版）:
    • Gowin Designerは無償版のライセンスが必要です。
    • インストール後、初めてGowin Designerを起動すると、ライセンスファイルの選択または生成を促されます。
    • 「License Request」を選択し、必要な情報を入力してライセンスファイルをリクエストします。通常、数分～数時間でメールアドレスにライセンスファイル（.lic）が送られてきます。
    • 送られてきたライセンスファイルを指定されたディレクトリ（通常はGowin Designerのインストールディレクトリ内の license フォルダなど）に保存し、Gowin Designerに読み込ませます。これで無償版ライセンスが有効になり、フル機能を利用できるようになります。
    • 重要: ライセンスはPCのMACアドレスと紐付いています。MACアドレスを変更したり、別のPCにインストールする場合は再度ライセンスリクエストが必要です。
  5. ドライバの確認:
    • Tang NanoボードをPCのUSBポートに接続します。
    • Windowsの「デバイスマネージャー」を開き、「ポート (COM と LPT)」や「USBデバイス」の項目に「Gowin Programmer」または類似の名前のデバイスが正しく認識されているか確認します。もし認識されない場合は、ドライバの再インストールやPCの再起動を試してください。

これで開発環境のセットアップは完了です。

プロジェクトの作成と基本操作

Gowin Designerで新しいプロジェクトを作成し、基本的な操作を学びましょう。

  1. Gowin Designerの起動:
    • デスクトップのショートカットまたはスタートメニューからGowin Designerを起動します。
  2. 新規プロジェクトの作成:
    • メニューバーから File > New Project... を選択します。
    • 「New Project Wizard」が開きます。
    • Project Name: LED_Blink など、わかりやすいプロジェクト名を入力します。
    • Project Location: プロジェクトファイルを保存するディレクトリを選択します。日本語を含まないパスにすることをおすすめします。
    • Project Type: FPGA Project を選択します。
    • Next をクリックします。
  3. FPGAチップの選択:
    • 「Device Selection」ページで、使用するTang Nanoボードに搭載されているFPGAチップを選択します。
    • Product Category: GW1N (Tang Nano 1K/9K/4Kの場合) または GW2A (Tang Nano 20K/33Kの場合)
    • Family: GW1N-9C (Tang Nano 9Kの場合) または GW1NSR-4C (Tang Nano 4Kの場合) など、正確なチップ名を選択します。
    • Package: PBGA256 (Tang Nano 9K/4Kの場合) など、パッケージを選択します。
    • Speed Grade: C6/I5 など、適切なスピードグレードを選択します（通常はデフォルトでOK）。
    • Next をクリックします。
  4. プロジェクトサマリの確認:
    • 設定内容を確認し、Finish をクリックしてプロジェクトを作成します。

プロジェクトが作成されると、Gowin Designerのインターフェースが表示されます。左側の「Design Navigator」には、ソースファイル、制約ファイル、合成結果などが表示されます。

初めてのFPGAプロジェクト：LED点滅（Hello World!）

デジタル回路の「Hello World!」は、LEDを点滅させる回路です。Tang Nano 9Kボードには、RGB LEDが搭載されていますので、これを使ってみましょう。

1. Verilogコードの記述

まずは、LEDを点滅させるためのVerilog HDLコードを作成します。

  • 新しいVerilogファイルを追加:
    • Design Navigatorの「Design」タブで、srcフォルダを右クリックし、New File... を選択します。
    • File Type: を Verilog File に設定し、File Name: を top.v と入力します。OK をクリックします。
    • top.v ファイルがエディタに開かれます。

  • Verilogコードの入力:

    “`verilog
    // top.v – LED点滅回路
    module top (
    input wire clk_27m, // 27MHz クロック入力
    output wire led_r, // 赤色LED出力
    output wire led_g, // 緑色LED出力
    output wire led_b // 青色LED出力
    );

    // カウンタの宣言
    reg [25:0] counter = 26’d0; // 26ビットカウンタ (約2秒でオーバーフロー)

    // LED点滅周期 (約0.5秒)
    localparam COUNT_LIMIT = 27_000_000 / 2; // 27MHz / 2 = 13,500,000 (0.5秒)

    // クロックに同期してカウンタを更新
    always @(posedge clk_27m) begin
    if (counter == COUNT_LIMIT) begin
    counter <= 26’d0; // カウンタをリセット
    end else begin
    counter <= counter + 26’d1; // カウントアップ
    end
    end

    // カウンタの最上位ビット（MSB）をLEDに接続
    // これによりカウンタが半分まで進むとLEDがON、もう半分でOFFとなる
    assign led_r = counter[25]; // 最上位ビットを直接接続
    assign led_g = ~counter[25]; // 反転させたものを接続
    assign led_b = 1’b0; // 青色LEDは常にOFF

    endmodule
    “`

    コードの説明:
    * module top (...): 「top」という名前のモジュールを定義します。これがFPGAの最も外側の回路となります。
    * input wire clk_27m: 27MHzのクロック信号が外部から入力されることを示します。
    * output wire led_r, led_g, led_b: RGB LEDの各色（赤、緑、青）への出力ピンです。
    * reg [25:0] counter = 26'd0;: 26ビットのレジスタ（フリップフロップの集合）で、カウントアップしていくためのカウンタを定義します。
    * localparam COUNT_LIMIT = 27_000_000 / 2;: カウンタが到達する上限値を定義します。27MHzのクロックで0.5秒ごとにLEDの状態が変わるように設定しています。
    * always @(posedge clk_27m) begin ... end: clk_27mの立ち上がりエッジ（posedge）で実行される（クロックに同期した）順序回路を記述します。
    * カウンタがCOUNT_LIMITに達したらリセットし、それ以外の場合は1ずつカウントアップします。
    * assign led_r = counter[25];: counterの最上位ビット（ビット25）をled_rに直接接続します。これにより、カウンタが0からCOUNT_LIMITまでカウントアップする間、led_rの状態が変化します。
    * assign led_g = ~counter[25];: led_rの反転をled_gに接続します。これにより、赤LEDが点灯している時は緑LEDが消灯し、逆もまた然りとなります。
    * assign led_b = 1'b0;: 青色LEDは常に消灯させます。

2. 制約ファイル (.cst) の設定

HDLで記述した論理回路をFPGAの物理的なピンに割り当てるために、「制約ファイル」（Constraint File: .cst）を作成します。Tang Nano 9Kのピン配置に基づいて設定します。

  • 新しい制約ファイルを追加:
    • Design Navigatorの「Design」タブで、Constraintsフォルダを右クリックし、New File... を選択します。
    • File Type: を Gowin Design Constraints に設定し、File Name: を led_blink.cst と入力します。OK をクリックします。
    • led_blink.cst ファイルがエディタに開かれます。

  • 制約コードの入力:
    Tang Nano 9Kのピン配置は以下のようになっています（ボードの資料で確認できます）。

    • 27MHz クロック: PIN_H11
    • RGB LED 赤: PIN_B11
    • RGB LED 緑: PIN_A11
    • RGB LED 青: PIN_A12

    “`text
    // led_blink.cst – ピンアサインとクロック制約
    // クロック入力 (27MHz)
    IO_LOC “clk_27m” 27MHz_OSC;
    IO_PORT “clk_27m” PULL_MODE=NONE;
    // クロックピンの具体的な物理ピン位置を記述（Tang Nano 9Kの場合）
    // 正確なボード情報に基づいて記述してください。
    // Gowin IDEのIO Managerで設定することも可能です。
    // Tang Nano 9Kの場合、27MHz_OSCは内部的にH11にマッピングされています。
    // もし手動でピン番号を割り当てる場合は、以下のように書きます。
    // IO_LOC “clk_27m” “H11”;

    // RGB LED出力
    IO_LOC “led_r” “B11”; // 赤色LED
    IO_PORT “led_r” PULL_MODE=NONE;
    IO_LOC “led_g” “A11”; // 緑色LED
    IO_PORT “led_g” PULL_MODE=NONE;
    IO_LOC “led_b” “A12”; // 青色LED
    IO_PORT “led_b” PULL_MODE=NONE;

    // クロック制約 (タイミング解析用)
    // CREATE_CLOCKコマンドでクロックの周期を定義
    // “clk_27m”という名前のポートに27MHz（周期37.037ns）のクロックがあることを指定
    CREATE_CLOCK “clk_27m” 27.037MHZ;
    “`
    注意: Gowin IDEには「IO Constraint Editor」というグラフィカルツールがあり、Verilogモジュールの入出力ポートをGUIで物理ピンに割り当てることができます。初心者のうちはこのツールを使うと、ピン配置のミスを防ぎやすいでしょう。

3. 合成、配置配線、ビットストリーム生成

Verilogコードと制約ファイルが用意できたら、FPGAに書き込むためのビットストリームを生成します。

  • 論理合成 (Synthesize):
    • Design Navigatorの「Process」タブで、「Synthesize」をダブルクリックします。
    • コードに文法エラーや論理的な問題がなければ、合成が成功します。
  • 配置配線 (Place & Route):
    • 「Place & Route」をダブルクリックします。
    • FPGA内部への回路配置と配線が行われます。タイミング制約が満たされているかなどの解析も同時に行われます。
  • ビットストリーム生成 (Generate Bitstream):
    • 「Generate Bitstream」をダブルクリックします。
    • この工程が成功すると、FPGAに書き込むための.fsファイル（ビットストリームファイル）が生成されます。

各工程でエラーが発生した場合は、メッセージウィンドウに表示されるエラーメッセージを確認し、コードや制約ファイルを修正してください。

4. ボードへの書き込み手順

生成されたビットストリームをTang Nanoボードに書き込みます。

  1. Tang NanoボードをPCに接続:
    • USB Type-Cケーブルを使って、Tang NanoボードをPCのUSBポートに接続します。
  2. プログラマの起動:
    • Design Navigatorの「Process」タブで、「Program Device」をダブルクリックします。
    • 「Programmer」ツールが起動します。
  3. デバイスの認識と設定:
    • Programmerの「Operation」タブで、「Scan Device」をクリックします。
    • 接続されているTang Nanoボード（Gowinチップ）が認識され、デバイスツリーに表示されます。
    • 「Mode」が AutoDetect または JTAG になっていることを確認します。
    • 「Operation」セクションで、Erase, Program, Verify にチェックが入っていることを確認します。
    • 「File Name」の項目で、先ほど生成した.fsファイルが指定されていることを確認します（通常は自動で指定されます）。
  4. 書き込み実行:
    • 「Run」ボタンをクリックします。
    • FPGAへのビットストリームの書き込みが開始されます。
    • プログレスバーが進み、「Program Succeed!」のようなメッセージが表示されれば成功です。
5. 動作確認

書き込みが成功すると、Tang Nanoボード上のRGB LEDが赤と緑で交互に点滅し始めるはずです。点滅周期が約0.5秒であれば、正しく回路が動作しています。

これで、あなたの最初のFPGAプロジェクトが完成しました！

さらにステップアップするための実践的なヒント

LED点滅はあくまで始まりです。FPGA開発のスキルを向上させるためのヒントをいくつか紹介します。

  • シミュレーションの活用:
    • 複雑な回路になるほど、実機デバッグは困難になります。HDLで記述した回路の動作は、必ずシミュレーションで十分に検証しましょう。テストベンチ（回路にテスト信号を入力し、出力を確認するためのVerilog/VHDLコード）を作成し、ModelSimやGowin Designer内蔵のシミュレータで波形を確認する習慣をつけましょう。
  • IPコアの利用:
    • FPGAメーカーは、UART（シリアル通信）、SPI、I2C、DDRメモリコントローラ、ソフトコアCPU（RISC-Vなど）といった汎用的な機能を持つ「IPコア」（Intellectual Property Core）を提供しています。これらを活用することで、ゼロから全てを設計する手間を省き、開発効率を大幅に向上させることができます。Gowin Designerにも「IP Core Generator」が搭載されています。
  • クロック処理とタイミング制約:
    • FPGA開発で最も重要な概念の一つがクロックとタイミング制約です。異なるクロックドメイン間の信号のやり取り（CDC: Clock Domain Crossing）には特別な注意が必要です。また、回路が設計した周波数で動作するかは、適切にタイミング制約を設定し、タイミング解析を行うことで確認します。Gowin Designerもタイミング解析機能を提供しています。
  • デバッグ手法：論理アナライザ（Logic Analyzer）:
    • FPGA内部の信号は直接見ることができません。Gowin Designerには「GoAI」や「Logic Analyzer」といった機能が搭載されており、FPGAの特定の信号を観測し、まるでオシロスコープのように波形を確認することができます。これはデバッグに非常に強力なツールです。
  • 設計パターン：FSM、パイプライン処理、並列処理:
    • FSM（有限状態機械）： 状態を持つデジタル回路（通信プロトコル制御、制御ロジックなど）を設計する際の基本的なパターンです。
    • パイプライン処理： 連続する処理を複数のステージに分割し、各ステージを並列に実行することで、処理スループットを向上させます。
    • 並列処理： FPGAの最大の強みです。複数のタスクを同時に実行する回路を設計することで、高い性能を引き出します。
  • オープンソースツールフローの紹介（Yosys/nextpnr/Apicula）：
    • Gowin Designerが公式ツールですが、Yosys（合成）、nextpnr（配置配線）、Gowin-specific backendであるApiculaを組み合わせることで、オープンソースのツールチェーンでGowin FPGAをターゲットにすることも可能です。これはLinux環境での開発や、より深いレベルでのFPGA理解を目指す場合に有用な選択肢となります。学習コストは高くなりますが、ツールの内部動作を理解しやすくなります。

Tang Nanoを活用した応用プロジェクト例

Tang Nanoボードのポテンシャルは、LED点滅にとどまりません。様々な応用プロジェクトに挑戦してみましょう。

  • HDMI出力を用いたグラフィック表示：
    • Tang Nano 9Kや4KはHDMI出力ポートを持つため、テキスト表示、図形描画、シンプルなゲーム（テトリス、ブロック崩しなど）、レトロゲーム機のエミュレータ（NES、SNESなど）の画面出力部分を実装できます。DDRメモリを搭載している場合は、より高解像度の表示や動画再生なども可能です。
  • DVPカメラからの映像入力と処理：
    • DVPカメラモジュール（例: OV2640）を接続し、カメラからの映像データをFPGAで直接受け取り、リアルタイムで画像処理を行うことができます。エッジAIの画像認識の前処理、画像フィルタリング、物体検出のアクセラレータなどのプロトタイプが考えられます。
  • レトロゲーム機エミュレータ：
    • FPGAの並列処理能力とHDMI出力は、レトロゲーム機（NES、SNES、Genesisなど）のハードウェアエミュレータを構築するのに最適です。CPU、PPU（画像処理ユニット）、APU（音声処理ユニット）などをVerilogで実装し、本物のゲーム機と同じ体験を再現できます。Tang Nano 9KでNESエミュレータなどが動いている例が多数あります。
  • カスタムCPUの構築：
    • RISC-VのようなオープンソースのCPUアーキテクチャをFPGA上に実装し、独自のプロセッサシステムを構築することができます。シンプルなCPUから始めて、命令セット拡張やキャッシュの追加など、CPU設計の基礎を学ぶことができます。
  • 高速データ処理・通信インターフェース：
    • SPI、I2C、UARTなどの標準通信インターフェースをFPGAで実装し、センサーデータや他のマイコンとの高速通信を実現できます。特定のプロトコルを持つカスタムインターフェースの実現も可能です。
  • IoTデバイスのカスタムハードウェアアクセラレータ：
    • Wi-Fi/Bluetoothモジュールと組み合わせ、センサーデータの高速前処理、暗号化/復号化のアクセラレータなど、IoTデバイスの性能向上や消費電力削減に貢献するカスタムハードウェアを実装できます。

これらのプロジェクトは、FPGA開発の奥深さと可能性を体験させてくれるでしょう。インターネット上には、Tang Nanoを用いた様々なプロジェクトの例やソースコードが公開されていますので、それらを参考にしながら自分だけのアイデアを実現してみてください。

よくある質問 (FAQ)

FPGAとマイコンの違いは？

FPGAはハードウェアを設計するデバイスである一方、マイコン（マイクロコントローラ）はCPU、メモリ、周辺回路（UART、SPI、ADCなど）がワンチップに統合されたもので、ソフトウェア（プログラム）を実行して動作します。FPGAは高い並列性と高速性、柔軟性を持つ一方で、マイコンは開発が容易で低コスト、汎用性が高いという特徴があります。複雑な制御や特定のタスクにはマイコン、超高速処理や並列処理、柔軟なカスタムインターフェースにはFPGAが適しています。

VerilogとVHDL、どちらを学ぶべき？

どちらも広く使われているハードウェア記述言語です。
* Verilog HDL: C言語に似た構文で、比較的習得が容易と言われています。ネットリストの記述にも適しています。
* VHDL: AdaやPascalに似た構文で、より厳密な型チェックや大規模設計向けの強力な機能を持っています。
初心者が始めるのであれば、より直感的とされるVerilog HDLがおすすめです。どちらか一方を習得すれば、もう一方も比較的容易に理解できるようになります。

独学でFPGA開発は可能？

はい、十分に可能です。近年はオンラインのチュートリアル、YouTubeの動画、コミュニティフォーラムなど、独学で学べるリソースが非常に充実しています。特にTang Nanoのような低価格ボードの登場により、実機での学習コストも下がりました。ただし、デジタル回路の基礎知識は必須であり、根気強く学習を続ける姿勢が重要です。

Gowin IDEは使いやすい？

Gowin IDEは、XilinxのVivadoやIntelのQuartus Primeといった大手メーカーのIDEと比較すると、ややシンプルで機能が限定的と感じるかもしれません。しかし、基本的な合成、配置配線、書き込み、デバッグ機能は備わっており、入門用としては十分使いやすいと言えます。英語または中国語のインターフェースですが、直感的な操作が可能です。

Tang NanoはLinuxで開発できる？

公式のGowin DesignerはWindows版が推奨されていますが、オープンソースツールチェーン（Yosys, nextpnr, Apicula）を使えば、Linux環境でもTang Nano (Gowin FPGA) の開発が可能です。ただし、オープンソースツールチェーンのセットアップや使用には、より深い知識と手間が必要です。

プロジェクトが動かない時のトラブルシューティング

  • エラーメッセージの確認: まずはGowin Designerのメッセージウィンドウに表示されるエラーやワーニングを丁寧に読みましょう。
  • 回路図の確認: HDLコードから生成される回路図（RTL Viewerなど）を確認し、意図した通りの回路になっているか視覚的に検証します。
  • シミュレーション: 実機に書き込む前に、シミュレーションで全ての論理的な動作が正しいことを確認します。
  • ピンアサインの確認: 制約ファイル（.cst）のピンアサインが、ボードの回路図と合っているか、何度も確認しましょう。大文字・小文字の間違いにも注意が必要です。
  • クロックの確認: クロック信号が正しくFPGAに入力されているか、クロック制約が適切に設定されているかを確認します。
  • 電源供給: ボードに十分な電力が供給されているか確認します。USBケーブルがデータ通信対応で、電源供給も十分なものを選びましょう。
  • コミュニティの活用: SipeedのフォーラムやGitHub、関連する技術ブログなどで情報を検索したり、質問したりしてみましょう。

まとめ：FPGA開発の未来とTang Nanoからのスタート

FPGAは、その柔軟性と高性能から、現代のテクノロジーにおいてますます重要な役割を担っています。AIアクセラレータ、エッジコンピューティング、IoT、高速通信インフラ、そしてカスタムハードウェアといった最先端の分野で、FPGAはイノベーションの鍵となっています。

「Tang Nano」シリーズは、まさにこのFPGA開発の世界への入り口を、これまでにないほど手軽で、かつ実践的なものにしてくれました。低価格でありながらHDMI出力やカメラ入力といった実用的な機能を備え、学生やホビイスト、そして組み込み開発に携わるエンジニアにとって、FPGAの魅力を体験するための最適な選択肢の一つとなっています。

FPGA開発は、ソフトウェア開発とは異なる独特の思考とアプローチを必要としますが、その分、アイデアが物理的なハードウェアとして動き出す瞬間の感動はひとしおです。デジタル回路の基礎を学び、ハードウェア記述言語に慣れ、そしてTang Nanoボードで実際に回路を動かすことで、あなたは確実にFPGAエンジニアとしてのスキルを身につけていくことができるでしょう。

この記事が、あなたのFPGA開発の旅における良き羅針盤となることを願っています。臆することなく、Tang Nanoを手に、FPGAの無限の可能性を探求し、あなたの創造性をハードウェアとして解き放ってください。新しい挑戦が、きっとあなたの技術者としての視野を広げ、新たな扉を開くことでしょう。

コメントする

メールアドレスが公開されることはありません。 ※ が付いている欄は必須項目です

上部へスクロール