FPGA 하드웨어 기반 고수준 성능 논리칩 개발을 위한 Verilog HDL

이 글은 고수준의 정확성과 성능을 요구하는 논리 칩 개발에 주로 사용되는 FPGA(field programmable gate array) 개발을 위한 Verilog HDL(Hardware Description Language)에 대한 내용을 간략히 요약한다. 최근 FPGA는 딥러닝 기반 비전 등 특수한 분야 응용이 확산되고 있다(사례). 참고로, FPGA는 기존 CPU, GPU에 비해 저전력 (5~6배)과 고속처리를 지원한다.

1. FPGA

FPGA(field programmable gate array, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)는 설계 가능 논리 소자와 프로그래밍가능 내부선이 포함된 반도체 소자이다. 설계 가능 논리 소자는 AND, OR, XOR, NOT, 더 복잡한 디코더나 계산기능의 조합 기능같은 기본적인 논리 게이트의 기능을 복제하여 프로그래밍할 수 있다. 대부분의 FPGA는 프로그래밍가능 논리 요소 (FPGA 식으로는 논리 블록이라고도 함)에 간단한 플립플롭이나 더 완벽한 메모리 블록으로 된 메모리 요소를 포함하고 있다.
프로그램이 가능한 내부선 계층구조는 FPGA의 논리블록을 시스템 설계자가 요구하는 대로 단일 칩 프로그래밍가능 빵판처럼 내부연결을 할 수 있다. 이 논리블록과 내부선은 제조공정 이후에 소비자/설계자가 프로그램할 수 있으므로 요구되는 어떠한 논리기능도 수행할 수 있다.

자일링스는 FPGA 칩을 개발해 판매하는 회사이다. 이 칩을 이용해 개발 보드 등을 제공하는 회사가 여럿있다. 디질런트도 그 중 하나이다.

2. HDL
HDL은 Hardware Description Language 로 말 그대로, 논리회로를 만들어주기 위한 기술 언어이다. 플립플롭, 시퀀서, 카운터 등 논리회로를 코딩하듯이 만들 수 있다.

3. Verilog
HDL은 VHDL과 Verilog HDL 종류로 나누어 진다. VHDL은 HDL표준이며, Verilog HDL은 C언어와 유사한 HDL이다. 국내에서는 90%이상이 Verilog를 사용한다.

4. Vivado
Vivado 는 자일링스사가 최근 릴리즈한 HDL 코딩을 위한 통합 개발 환경이다. 코딩, 핀 배치 설정, 회로 합성, 회로 구현, 비트스트림 생성 등의 작업을 손쉽게 할 수 있다.

디질런트의 Zynq(징크)칩이 내장된 지보(ZYBO) 보드를 이용하면, Vivado에 비트스트림을 업로드하고, 내장된 CPU를 이용해, 구현된 논리회로를 실행할 수 있다. 참고로, Zynq 시리즈 칩은 PS(process system), PL(process logic)이 함께 임베디드되어 있는 칩이다.

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Zynq는 FSBL (first stage boot loader)를 이용한다. FSBL은 보드의 SD메모리에 BIN파일로 비트스트림과 함께 다음과 같이 저장된다.

• SD memory = {BIN, LINUX}
• BIN = {FSBL, BIT}

SD메모리에 PETA(페타) 리눅스 이미지를 넣으면, 리눅스로 부팅하고, 리눅스에서 FPGA 로직을 실행할 수 있다.

5. 마무리

FPGA칩은 일반적으로 가격이 비싸고, 구현하기 어려우나, 성능과 확장성이 뛰어나 특수한 어플리케이션에서 주로 많이 사용된다. FPGA는 대량으로 칩을 양산하기 어렵지만, 고성능의 비전이나 계산, 타이밍에 정확하고 특수한 시그널을 만들어야할 때 사용한다. 참고로, 윈도우즈, 리눅스, 아두이노, 라즈베리파이와 같이 운영체계 환경에서 실행되는 프로그램은 정확한 타이밍에 특정 시그널을 만들기가 어렵다(이를 위해 리얼타임 OS가 개발되기도 하였음). 

최근 GPU와 경쟁을 하고 있어, 머신러닝, 비전 등을 지원하는 SDK를 릴리즈하고 있다. 아울러, 라즈베리파이와 같은 오픈소스 보드의 확장성, 개발 편의성을 고려해, PYNQ, ARTY와 같은 보드도 개발하고 있다. 

참고

• 오픈소스 하드웨어 디자인 도구 zamiaCAD