プロジェクトが進むにつれて、テスト要件は固定されることはほとんどありません。エンジニアは、新しい計測器、PXIモジュール、ライセンスのアップグレードなどを追加して、システムを拡張または再構成する必要に迫られることがよくあります。多くの場合、チームは少数の重要な機能のために高価な計測器を購入することになり、システムの機能の大部分は使われないままになります。これは、システムの複雑化、統合時間の長期化、およびコストの増加につながります。
FPGAベースの計測機器は、従来とは異なるアプローチを提供します。FPGAは、ハードウェアレベルで計測機器の動作をカスタマイズできるため、不要な機能に費用をかけることなく、必要なものだけを正確に構築することが可能です。従来、FPGA開発には高度な専門知識と多大なコストが必要で、普及が制限されていましたが、Moku Compileのようなユーザーフレンドリーなプラットフォームの登場により、その障壁は急速に低下しています。この記事では、テスト環境におけるFPGAベースのカスタマイズの5つの利点と、このアプローチの経済性と普及性がどのように変化しているかについて解説します。
図1：Moku Compileを使用してMoku:Delta内部のFPGAをプログラミングする。
#1：リアルタイム処理と決定論的タイミング
ソフトウェアベースのテスト環境では、タイミングは最終的にホストPCによって制御され、OSのスケジューリング、割り込み処理、インターフェースの遅延などの影響を受けます。そのため、真に決定論的なタイミングを実現することは難しく、システムがリアルタイム信号に迅速に対応できる速度が制限されます。
FPGAベースのプラットフォームは、計測および制御ロジックをハードウェアで直接実行することで、この依存関係を排除します。ソフトウェア層がなく、インターフェースの往復通信や処理オーバーヘッドもないため、タイミング関係はクロックサイクルに対して決定論的になります。
これにより、以下のことが実用的になります。
- 高度なトリガー機能：複数の信号や複雑なロジックに基づいて、ソフトウェアによる意思決定経路の遅延なしに、カスタムトリガー条件を作成できます。
- マルチチャンネル同期：チャンネル間および機器間で位相が整合した信号生成と取得を維持し、機器間のずれを補正する必要がありません。
- 閉ループ制御：制御アルゴリズムをハードウェア上で直接実行し、遅延を最小限に抑えます。
図2：カスタム計測器を含む複数のソフトウェア定義計測器がすべて同じFPGA上に配置されている。
その結果、取得、処理、生成が単一の決定論的な環境内でリアルタイムに行われるシステムが実現する。
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#2: インラインデジタル信号処理
従来のテスト構成では、計測機器とソフトウェアによる処理の組み合わせに依存していました。データは取得、転送、そして外部で処理されるため、遅延、測定の欠落、スループットの制限が生じていました。FPGAベースのプラットフォームは、ハードウェア内で直接、途切れやデータ転送の遅延なく、連続的かつインラインな信号処理を可能にすることで、このボトルネックを解消します。
図3：DSPをインラインで統合することで、ラック内の計測機器の数を減らし、信号解析に必要な後処理も削減できる。
これにより、次のことが可能になります。
- ギャップのない処理：イベントの見落としなく、継続的かつリアルタイムな分析を実現します。
- 高速実行：DSPアルゴリズムはハードウェア速度で動作するため、ソフトウェアやデータ転送のオーバーヘッドによる制限を受けません。
- インライン測定の高速化：信号を後処理するのではなく、取得と同時に処理します。
計測機器と同じFPGA内で処理が行われるため、結果を外部プロセッサにストリーミングする必要はありません。インターフェースやソフトウェア層による遅延も発生しないため、データ取得と解析の間に遅延が生じることもありません。
#3：再構成可能なハードウェアによる迅速なプロトタイピング
新しい設計や実験のプロトタイプを作成する際、エンジニアや科学者はしばしばジレンマに直面します。専用の計測機器は高度な機能を提供しますが、コストが高額です。一方、汎用的なFPGA開発ボードは柔軟性に優れていますが、カスタムロジックを実装するには、HDLの専門知識、複雑なツールチェーン、そしてデバッグ、タイミングクロージャ、ハードウェアインターフェースなど、多大な労力が必要となります。
再構成可能な計測機器は、ハードウェアインターフェース、クロック管理、タイミングクロージャといった低レベルのFPGAインフラストラクチャを処理することで、第三の道を提供します。これにより、エンジニアはオーバーヘッドなしで必要な機能を正確に実装できます。通常であれば高価な計測機器の購入が必要となるようなカスタム信号処理パイプライン、制御ループ、測定ロジックも、数時間で構築、検証、反復することが可能になり、アルゴリズム開発と実地テスト間のフィードバックループを大幅に強化できます。
- 迅速なプロトタイピング：FPGA上でハードウェアを用いて、新しいアルゴリズムを迅速にテストし、改良します。
- 反復的な展開：設計、測定、検証の間で密接なフィードバックループを構築する。
- 適応性：ハードウェアを変更することなく、要件の変化に応じてテスト環境を更新できます。
これにより、従来のユーザープログラマブルFPGAに必要なハードウェア抽象化、タイミング、低レベルのFPGAプログラミングの複雑さを必要とせずに、より迅速な実験、より迅速な検証、より短い開発サイクルが可能になります。
#4：組み込み機器によるラック統合
従来のテストセットアップは、オシロスコープ、スペクトラムアナライザ、波形発生器、コントローラなど、それぞれ独自のインターフェース、ケーブル接続、構成を持つ複数の個別の計測器から構成されています。
マルチ計測プラットフォームは既に、ベンチ上の複数の機器を置き換えている。FPGAベースのカスタマイズはさらに進化し、内蔵計測器と同じプラットフォーム上にカスタムDSPと制御ロジックを追加する。
図4：部分的なFPGA再構成により、複数の計測機器が同時に動作する。
実際には、これはカスタムDSPブロックを、ケーブルもホストPCも独立したクロックドメインも不要で、同一デバイス上のオシロスコープと波形発生器の間に配置できることを意味します。その利点は次のとおりです。
- 統合されたデバッグと評価：内蔵の計測器を使用して、カスタム処理中に信号を監視および検証します。
- ラック統合：機器やケーブルの数を減らすことで、より信頼性の高いセットアップが可能になり、エラー、タイミングの問題、信号損失の可能性を低減できます。
- 統合の簡素化：過剰な機器の同期や校正が不要になるため、運用コストが削減されます。
校正平面を乱す
検証および生産テストの際、エンジニアはセットアップ内のケーブルやアダプタによる影響を補正します。ケーブルが交換されたり、被試験デバイス（DUT）が移動されたりすると、この校正基準が崩れるため、再校正が必要になります。
Mokuのような統合プラットフォームを使用すれば、計測機器や信号経路をソフトウェアで再構成できます。これにより、物理的な接続を変更する必要性が減り、校正の維持や、試験条件の変化に伴う設定変更の最小化に役立ちます。
#5：総所有コストの削減
個々の機器は単体で見ると費用対効果が高いように見えるかもしれませんが、従来のシステム構成では、時間の経過とともに隠れたコストが蓄積されます。これには、複数のハードウェアの購入、ソフトウェアのライセンスとアップグレード、年間校正費用、予備ユニットや付属品の必要性などが含まれます。
計測機器を単一のFPGAベースプラットフォームに統合し、統合および保守のオーバーヘッドを削減することで、総コストは長期的に大幅に減少します。
要件の変化に応じて、プログラマブルFPGAを使用することで、追加のハードウェアを購入することなく新たな機能を追加できます。プラットフォームの統合と再利用が進むほど、投資対効果は高まります。
結論
FPGAベースのカスタマイズは、もはや専門のハードウェアチームに限られたものではありません。Moku Compileのような使いやすいツールが登場したことで、複雑さを増すことなく柔軟で高性能なテストシステムを必要とするエンジニアにとって、アクセスしやすく拡張性の高いアプローチになりつつあります。FPGAベースの計測機器を用いることで、エンジニアはシステムを問題に合わせて調整できるようになり、その逆のアプローチは不要になります。
Mokuコンパイル これにより、FPGA の専門家以外にとってこのアプローチが非現実的であった理由のほとんどが解消されます。そして間もなく、 生成計測 これにより、エンジニアは自然言語で測定内容を記述し、それに基づいて動作するMoku計測器を生成できるようになり、要件定義から導入までのプロセスがさらに短縮される。
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