ディスコン部品・ASICの置き換えにFPGAを活用する設計手法と進め方

長く市場に出し続けている製品ほど、「これまで使っていた部品が手に入らなくなる」という問題に直面します。半導体の生産終了、いわゆるディスコンは、製造業にとって避けて通れない課題であり、対応を誤れば製品そのものの供給が止まりかねません。また、特定の用途向けに作り込まれたASICについても、再製造には多大な費用と期間がかかるため、同じものを作り直すという選択が現実的でないケースが少なくありません。

こうした場面で有力な解決策となるのが、FPGAを用いた置き換えです。本記事では、ディスコンとなった部品やASICをFPGAに置き換える際の考え方や設計手法、そして実際にプロジェクトをどのように進めていくのかについて、つまずきやすい点も交えながら解説します。

なぜ今、ディスコン対応とASIC置き換えが課題になるのか

電子部品の供給サイクルは、製品の寿命に比べて短くなる傾向があります。産業機器や計測器、医療機器のように十年単位で使われ続ける製品では、その間に搭載部品が世代交代し、当初使っていたデバイスが入手困難になることが頻繁に起こります。特に古い世代のFPGAやロジックICは、メーカーの都合で予告とともに生産が終了し、市場在庫が枯渇すれば後はもう手に入らない、という状況に陥ります。

一方、ASICは特定用途向けに最適化された専用チップであり、性能やコストの面で優れる反面、一度設計したものを少量だけ作り直すには初期費用が重くのしかかります。当時の製造プロセスがすでに使えなくなっていたり、設計データが十分に残っていなかったりすると、同一のASICを再び調達すること自体が困難になります。製品を作り続けたいのに、その心臓部となるデバイスが手に入らないというジレンマが、多くの現場で現実の問題として浮上しているのです。

なぜFPGAが置き換えの受け皿になるのか

ディスコン部品やASICの置き換え先としてFPGAが選ばれるのには、明確な理由があります。FPGAは内部の論理回路を自由に書き換えられるデバイスであり、もとのデバイスが持っていた機能を、回路として再構築できる柔軟性を備えています。これにより、生産が終了した特定のデバイスに縛られることなく、現在も安定して入手できるFPGAの上で、同じ振る舞いを再現することが可能になります。

また、ASICのように専用チップを起こす場合と違い、FPGAは初期費用を抑えながら少量から対応できる点も大きな利点です。マスクを製作する必要がないため、設計の修正にも柔軟に対応でき、置き換えの過程で仕様の微調整が生じても、回路を書き換えることで吸収できます。さらに、複数の古いロジックICが担っていた機能を一つのFPGAに集約すれば、基板上の部品点数を減らし、入手性の改善と合わせて全体の信頼性向上にもつなげられます。

加えて、新しい世代のFPGAへ置き換えることで、消費電力の低減や量産コストの圧縮といった副次的な効果が得られることもあります。単に手に入らなくなった部品を補うという守りの対応にとどまらず、製品そのものを見直す機会として置き換えを捉えることもできるのです。

置き換えのパターンと、それぞれの進め方

ひとくちに置き換えといっても、もとのデバイスが何であるかによって、求められるアプローチは変わってきます。代表的なパターンごとに、押さえておきたい点を整理します。

生産終了したFPGAから別のFPGAへの移植

すでにFPGAを使っている製品で、そのFPGAがディスコンになるケースです。一見すると同じFPGA同士なので簡単に思えますが、メーカーやシリーズが変わると、内部の構造や利用できる機能、開発ツールが異なるため、単純にデータを移すだけでは済みません。IntelのCycloneからAMDのSpartanへ、あるいはLatticeのMachXOへ、といった異なるメーカー間の移行では、それぞれのデバイスの特性を踏まえた作り直しが必要になります。

移行にあたっては、もとのFPGAが持っていたロジック規模やメモリ容量、入出力の数や動作速度といった条件を満たす移行先を選定し、その上で論理を再構築していきます。メーカー固有の機能ブロックを使っていた場合には、移行先で同等の機能をどう実現するかが検討の要となります。

ASICからFPGAへの移行

専用チップであるASICの機能を、FPGA上の回路として実現し直すパターンです。ASICは必要最小限の回路で構成されているため部品単価では有利ですが、再製造の難しさを考えると、柔軟に作り直せるFPGAへ移すことには大きな意味があります。ASICの設計資料が残っていればそれをもとに論理を再現しますが、資料が不十分な場合には、実際の動作から仕様を読み解く作業が必要になることもあります。

複数のロジックICを集約する再設計

古い世代の汎用ロジックICが複数組み合わさって一つの機能を構成している場合、それらのうちいくつかがディスコンになると、基板全体が成り立たなくなります。こうしたケースでは、複数のICが担っていた論理をまとめてFPGAに取り込み、基板を再設計することで、入手性の問題を一挙に解消できます。部品点数が減ることで実装面積に余裕が生まれ、基板の小型化につながることもあります。

置き換えプロジェクトで陥りやすい落とし穴

置き換えは、もとの機能を別のデバイスで「同じように」動かすことが目的ですが、この「同じように」を実現するところに難しさが潜んでいます。あらかじめ注意すべき点を理解しておくことが、手戻りを防ぐうえで役立ちます。

まず注意したいのが、タイミングに関する違いです。デバイスが変わると、内部の信号が伝わる速度や遅延の特性が変化します。もとのデバイスでは問題なく動いていた回路でも、移行先ではタイミングの制約を満たせず、思わぬ不具合として現れることがあります。動作速度の速い回路ほどこの影響は大きく、慎重な検証が欠かせません。

次に、デバイスごとのリソースや機能の差があります。移行先のFPGAに、もとのデバイスと同じ機能ブロックが備わっているとは限りません。特定のメーカー独自の機能に依存していた部分は、移行先では別の方法で実現する必要があり、その置き換え方によっては性能や回路規模に影響が出ます。

さらに、入出力の電圧レベルにも気を配る必要があります。古いデバイスと新しいデバイスでは、扱える電圧の規格が異なる場合があり、周辺の回路との接続部分で電圧の整合をとらなければ、正しく信号がやり取りできません。基板上の他の部品との関係まで含めて検討することが、確実な置き換えには求められます。

回路図や資料がない場合の進め方

置き換えの相談で意外に多いのが、対象となる装置の回路図や設計資料が残っていないというケースです。設計した担当者がすでに退職していたり、製品が古く資料が散逸していたりして、何がどう動いているのかが分からないまま、部品だけが手に入らなくなる、という状況です。

このような場合には、現物の基板や装置から動作を読み解き、仕様を再構成するリバースエンジニアリングの手法が必要になります。実際の入出力の振る舞いを観測し、内部でどのような処理が行われているのかを推定しながら、置き換え後のFPGAで再現すべき機能を明らかにしていきます。資料がないという状況は一見手詰まりに思えますが、現物さえあれば置き換えへの道筋を立てられるケースは少なくありません。

置き換えプロジェクトの一般的な進め方

ディスコン部品やASICの置き換えは、行き当たりばったりで進められるものではなく、段階を踏んで着実に進めることが成功の鍵となります。一般的には、次のような流れで進めていきます。

はじめに行うのが現状分析です。現在使われているデバイスの特性や、装置の中でどのように使われているのかを確認し、置き換えにあたって何を再現しなければならないのかを把握します。続く要件定義では、新しいデバイスに求める性能や消費電力、コストといった条件を整理し、必要なメモリ容量やロジックの規模、電源の要件、動作速度、備えておくべき機能といった技術的な要件を明確にしていきます。

要件が固まったら、それを満たすFPGAのメーカーとデバイスを選定します。入手性やコストまで含めて最適な候補を選び、その上で新しいFPGAでの設計と論理合成を行います。設計ができたら、実際に新しいFPGAを使ったプロトタイプを製作し、テストと検証を通じて動作や性能が想定どおりかを確認します。問題がなければ量産の工程へ移り、実際のシステムに新しいFPGAを実装します。

そして見落とされがちなのが、置き換えた後のフォローアップです。新しいデバイスに置き換えたシステムが、組み込み先の装置の中で正しく動作し、期待どおりの制御ができているかを確認し、必要に応じて調整を行います。特に資料が乏しい状態からのリバースエンジニアリングを伴う置き換えでは、現場での動作確認まで含めてはじめて、置き換えが完了したと言えます。

ディスコン対応・置き換えのご相談はアイディアイへ

「使っていたFPGAが生産終了になり、別のデバイスへ移したい」「ASICを使い続けるのが難しくなったので、FPGAへの移行を検討している」「回路図が残っていない古い装置の部品が手に入らなくなった」。アイディアイには、こうしたディスコンや置き換えにまつわるご相談が数多く寄せられています。

私たちは、お客様が決めたデバイスでの置き換えはもちろん、現状の分析や要件の整理、最適なメーカー・デバイスの選定から、設計、プロトタイプの製作、テスト、量産への移行、そして納入後のフォローアップまでを一貫してお引き受けします。IntelのCycloneやArria、AMDのSpartanやArtix、LatticeのMachXOやECPといった代表的なシリーズの置き換えに対応します。新興メーカーの場合は、置き換え可能かを検討させていただきます。

回路設計から基板、ファームウェアまでを社内で対応できる体制を活かし、デバイス単体にとどまらず装置全体として整合のとれた置き換えを実現します。ディスコン対応や置き換えでお困りの皆様、ぜひお気軽に当社へご相談ください。