ACRiブログ (FPGA, AI, IoT などの記事を発信) - パート 5

FPGA で作る暗号は危険? (2)

みなさんこんにちは。本シリーズ「FPGAで作る暗号は危険?」では、FPGAで暗号機能を実現する方法とその危険性を解説していきます。第1回は一般的な「暗号」について解説し、暗号には「共通鍵暗号」と「公開鍵暗号」があることを紹介しました。第2回は「共通鍵暗号」について詳しく紹介していきます。ストリーム暗号共通鍵暗号は「暗号化と復号で同じ鍵を使用する暗号」でした。高速に動作出来ること、公開鍵暗号に比べて小さな回路規模で実装できることが共通鍵暗号の特徴です。鍵の使い方に...

FPGA と予測不可能性と乱数 (2)

FPGA 向けの真性乱数生成器 (TRNG; True Random Number Generator) の設計法に関するコースの第2回です．今回は、FPGA の回路素子を用いた TRNG に関するサーベイ論文を土台に、FPGA 向きの TRNG の生成手法について、その基本的な考え方を説明します。今回の記事は、FPGA 関連の世界最大級の国際会議の1つである FPL で2016年に発表された論文を土台としています。ただ、紹介する手法のうちのいくつかは、私の手元の FPGA ボード...

FPGAを用いた「組合せ問題」の高速計算(2)

前回は、 FPGA のアプリケーションのひとつに「決定問題」や「最適化問題」などの「組合せ問題」があること、決定問題の代表例である SAT、 SAT を最適化問題に拡張した MaxSAT について述べ、また、 FPGA による組合せ問題の高速計算に関する文献を幾つか紹介しました。今回から、筆者らの事例を題材に、組合せ問題の FPGA による高速計算について触れていきたいと思います。前回も述べましたが、これは、グラフ理論の最大クリーク問題を MaxSAT に置き換え、 FPGA 上で高速...

そもそも「FPGA」って何なんですか？ (2)

前回、CPU はレシピを見ながら調理し、FPGA はレシピを覚えて調理する、という喩えで違いを説明しました。第2回では、もう少し詳しく CPU と FPGA の動作の違いを見ていきます。そして「なぜ FPGA を働かせるのが難しい」のかに迫ってみたいと思います。まずは進化の歴史から本題に入る前に、CPU と FPGA の進歩の歴史について見ていきます。 CPU の進化の方向性 CPU の歴史は、コンピュータの歴史そのものと言っても良いほど劇的な進化を遂げてき...

FPGA の高速シリアルトランシーバ (2)

連載2回目となりました。前回は FPGA 設計ツールはさわらずに、高速シリアルトランシーバに関する基本的なことがらを紹介しましたが、「習うより慣れろ」とか「百聞は一見にしかず」と申しますので、今回は難しい設計は一切やらずに、Xilinx の Aurora コアをぽちぽちっと生成して、シミュレーションで動かしてみることにしましょう。シミュレーションなので、トランシーバのポートを持った FPGA ボードがなくてもできますし、ボードをお持ちの方はちょっと手を加えれば実機で動かすこともそれほど難しくあ...

高位合成で加速するアクセラレータ開発 (2) ～高位合成と C ベース設計 1章

すべての現象は他のものに依存して名前を与えられたことによって生じ、存在しているダライ・ラマ十四世「空の智慧、科学のこころ (集英社新書)」より(共著 : 茂木健一郎) 高位合成と C ベース設計～はじめに皆さん、はじめまして。Xilinx で FPGA を含む HW/SW の高位設計およびツールフローを担当している、黒田と申します。今回 Xilinx からの第3期ブログ連載 (全5回) の3回分を使い、対象がエンベか？／サーバーか？にかかわらず、高位合成 (High-Leve...

AXI でプロセッサとつながる IP コアを作る (2)

この記事は、AXI を使ってプロセッサと連携する回路を作ることを目標に、そうした回路の設計例について説明するコースの第2回です。前回は、Zynq と AXI のインタフェースの概要を説明しました。今回は、AXI-Lite の利用例として、プロセッサとの制御や少量のデータのやりとりを行うインタフェース回路について説明します。なお、今回～第3回で使用する回路の SystemVerilog 記述は、GitHub からダウンロードできるようにしています。今回取り上げる回路記述に対応する...

FPGA で作る暗号は危険? (1)

はじめにみなさんはじめまして。本コースを担当するゴフェルテックの川西です。ゴフェルテックは FPGA を使用して暗号を安全に実装する方法を岡山大学と共同で研究開発しています。ここで注意して頂きたいのは「安全な暗号」の研究ではなく「暗号を安全に実装する方法」を研究しているところです。いまひとつピンとこないかと思いますが、実は FPGA に暗号機能を搭載するとき、十分に注意を払わないと「サイドチャネル攻撃」と呼ばれる攻撃に対して脆弱な暗号機能になってしまい、暗号で最も重要な暗号鍵を...

FPGA と予測不可能性と乱数 (1)

愛知工業大学の藤枝です。今期は2つのコースを担当することになりました。普段は FPGA を使って何か面白いことをしたいと思って研究を進めているのですが、縁あってここ数年ほど、 FPGA の素子を使った真性乱数生成器 (TRNG; True Random Number Generator) の設計法やその応用について研究しています。このコースでは、そもそも乱数って何？というところから、TRNG に求められる要件、また FPGA 向けのいくつかの TRNG の設計について、ACRi ブロ...

FPGA を用いた「組合せ問題」の高速計算 (1)

この連載では、 FPGA の応用事例として、「組合せ問題」を高速に解く試みについて触れていきます。 FPGA のアプリケーションとしては、画像処理や深層学習 (いわゆるAI) などが有名ですが、組合せ問題を FPGA で高速に解こうという試みは FPGA 研究の比較的早い時期 (90年代末) に起こり、今日に至っています。この連載では、組合せ問題の定義や用途、組合せ問題を解くためのアルゴリズム、その FPGA を用いた高速化に関して、実装例などを交えて紹介します。なお、初回は FPGA...

そもそも「FPGA」って何なんですか？ (1)

皆さん、こんにちは。ACRi ブログ第3期の第4コースを担当する飯田です。このコースでは、タイトル通り「そもそもFPGA って何」という謎に迫っていきます。何となく判っているような、いないような FPGA の不思議にこたえていければと思っています。例えば、FPGA ってどうやって生まれてきたのかとか、どうして配置配線に時間がかかるのかとか、結局、CPU や GPU と何が違うのかとか、FPGA にまつわる話をしていきます。このコースは、高校生から大学1年生ぐらいでも理解...

FPGA の高速シリアルトランシーバ (1)

このコースでは、最近の高性能 FPGA にはほぼもれなく搭載されている高速シリアルトランシーバを使ったシリアルリンクについて紹介していきたいと思います。高速シリアルトランシーバは PCI Express や Ethernet, USB のような標準インタフェイスを FPGA に実装する際にも用いられますし、FPGA どうしを直結するための専用のプロトコルも各 FPGA ベンダから提供されており、広く応用されています。多くの場合、これらは IP コアによってブラックボックス化されていて、設計者が...

高位合成で加速するアクセラレータ開発 (1) ～ ACRi ルームで体験してみよう

この記事では、ACRi ルームと PYNQ で、高位合成を使った FPGA 開発フローを「超」お手軽に体験してみましょう。C と Python しか出てきませんので FPGA 初心者の方もご安心ください。

AXI でプロセッサとつながる IP コアを作る (1)

愛知工業大学の藤枝です。2020年第2クォーター (20Q2) で担当したコース「IP の世界からこんにちは」で、AXI (Advanced Extensible Interface) の詳しいことはまた別の機会に……という話をしたのですが、案外早くその機会がやってきました。このコースでは、AXI を使ってプロセッサと連携する高性能な計算回路や応用システムを設計するための基礎技術として、AXI の詳細とインタフェース変換回路の例、それらを使った計算回路の設計例について説明します。 ...

MIG を使って DRAM メモリを動かそう (5)

この記事では、DRAM ベースの設計のためのシミュレーション方法を解説していきます。説明では、Synopsys 社のシミュレータ VCS を使用し、前回の記事で実機の FPGA ボードで動かしたテストプログラムと RISC-V ソフトプロセッサのシミュレーションを行います。ソースコード: テストプログラム:　ソフトプロセッサ: 概要 FPGA の設計において、シミュレーションは不可欠です。簡単な回路を設計する場合は、一発で実機で動かせることがありますが、ほとんどの...

NNgenとFPGAで作るニューラルネットワーク・アクセラレータ (5)

前回までは、学習済みモデルから、VGG-11 専用のハードウェアを構築したりしました。第5回 (最終回) では、NNgen を活用するために、NNgen で利用可能な演算や入力の紹介をします。加算、減算、畳み込みといった基本的な演算から、Extern と呼ばれる CPU 上のソフトウェアと連携を可能にする特殊なものまで、いろいろあります。データの入力 (placeholder, variable, constant) 演算の前に、データや重みを入力するインタフェースをみて...

MIG を使って DRAM メモリを動かそう (4)

この記事では、前回まで解説してきた MIG ベースの DRAM コントローラのテストプログラムと先端の RISC-V ソフトプロセッサへの応用を説明していきます。ソースコード: テストプログラム:　ソフトプロセッサ: Wizard ベースのクロック生成スクリプト: 説明では、現時点 (2020年8月) ACRi ルームで使用可能な Vivado 2019.2 を使用します。ターゲットの FPGA ボードは Arty A7-35T です。テストプログラムと RI...

NNgenとFPGAで作るニューラルネットワーク・アクセラレータ (4)

本コースの第3回目と第4回目では、NNgen とニューラルネットワーク・フレームワーク Pytorch を用いて、学習済みのモデルを SoC 型の FPGA の Ultra96-V2 上で動かしてみます。今回の第4回は、PYNQ と Jupyter を用いて、Ultra96 上で、第3回で開発した VGG-11 専用回路を実際の FPGA システム上で動かします。 Ultra96 向け PYNQ の構築まず、Ultra96 向けの PYNQ のリポジトリの Release...

新しいコンピューティング・システムとしての FPGA (5) ～独自シェル “AFUshell”

本コースでは、複数の FPGA を用いた計算機システムの構成と、私達が研究開発が行っているカスタム・コンピューティング・システムについて紹介していきます。第5回では、FPGA をカスタム・コンピューティング・システムとして利用するために開発を行っている、我々の独自シェル "AFUShell" について解説していきます。先日、クラスタの名称が、"ESSPER: Elastic and Scalable System for high-PErformance Reconfigura...

非同期式回路と FPGA 〜「作ってみる編」(5)

みなさん、こんにちは。いよいよこのコースも最終回となりました。今回は、第3回で考えた例題回路の非同期式回路を実際に FPGA 上に実装します。また、正しく動作する実装を得るために、Vivado の静的タイミング解析機能 (以後、STA エンジンと言うこともあります) をどのように非同期式回路に適用するか、という点について考えていきたいと思います。 FPGA への実装 (2) 例題回路の復習まず、例題回路の復習です。回路の構成は下記のようになっていました。 ...

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