ESL(electronic system level)|早期段階での高効率な設計アプローチ

ESL(electronic system level)

ESL(electronic system level)とは、システムの設計段階における高い抽象度のレベルを指す概念である。従来はRTL(Register Transfer Level)を中心に行われていたハードウェア設計を、より上位レベルのモデル化や検証によって効率化し、ソフトウェアとの連携を含めた総合的なシステムアーキテクチャの最適化を可能にする手法として注目されている。ESL(electronic system level)によって設計者は早期の段階で動作をシミュレーションし、性能や消費電力を見積もることができるため、大規模化・複雑化が進む半導体や組み込みシステム開発の効率と品質を向上させる基盤となっている。

概念

従来の論理レベルやゲートレベルを中心にしたハードウェア設計手法では、仕様定義から実装までの間で変更や検証が頻繁に発生し、開発期間の長期化やコストの増大が問題視されていた。ESL(electronic system level)の考え方は、より抽象度の高いモデルを用いて仕様を定義し、アーキテクチャ全体のバランスを評価してから詳細設計に入る流れを推奨している。これにより、システム全体の仕様を早期にシミュレーションできるため、大まかなパフォーマンス指標や実現可能性を素早く把握できるとされる。

背景

半導体技術の進歩によって集積度が飛躍的に高まり、SoC(System on Chip)や大型FPGAなどにおいて膨大な数の演算ユニットやメモリブロックが組み込まれるようになった。加えて、ソフトウェア開発者やアルゴリズム設計者など、システムの上位レイヤーにいるエンジニアとの協調が不可欠であることが一般的になりつつある。こうした現状において、従来型の設計フローのみでは相互の要求を早期にすり合わせるのが困難になり、ESLによる抽象度の向上が設計効率を飛躍的に改善する手段として広く受け入れられるようになった。

モデリング

ESLでのモデリングでは、C++などの高級言語やSystemCなどのハードウェア記述言語を用いて、機能ブロックや通信インタフェースなどを抽象的に定義する。具体的なレジスタ配置やゲート構成よりも、どのようなデータがやり取りされるか、遅延やバス帯域幅などのシステムパラメータがどの程度必要かなどを重点的に記述するのが特徴である。ハードウェアの挙動だけでなく、ソフトウェア側のタスクスケジューリングやデータフローも含めて一体的にシミュレートできるため、ESLでは上流段階でのデバッグや性能評価が可能となる。

検証手法

上位レベルの設計モデルは、従来のRTLシミュレーションよりも高速に動作し、テストケースを広範囲に実行することができる。さらに、統合的な検証環境を構築することで、ハードウェアとソフトウェアのインタラクションを初期段階で確認できるのがメリットである。ESLに基づいたシミュレーション結果と、後続の詳細な検証(ゲートレベル検証や実機プロトタイプなど)を組み合わせることで、不整合やボトルネックを段階的に発見し、開発途中での大きなリスクや再設計を回避しやすくなるといえる。

応用領域

近年では人工知能(AI)や5G通信、画像処理分野などの高性能演算を必要とするアプリケーションにおいて、ESLアプローチがますます重要性を増している。複雑なデータフローが絡み合うアルゴリズムをFPGAやASICで実装する際、早い段階でボトルネックとなる演算資源やメモリ帯域を特定することができるため、最適なハードウェア構成を導き出しやすい。加えて、自動車分野においてはECU(Electronic Control Unit)の統合やADAS(先進運転支援システム)の機能検証に活用され、安全性と性能の両立を目指す設計者に重宝されている。

今後の動向

開発プロセスを短縮しつつ高い信頼性を実現するために、ESL向けの各種ツールやライブラリが活発に進化している。マルチコア環境やヘテロジニアスアーキテクチャの需要が高まるなかで、システム全体のリソース配分と性能を同時に検討する必要がますます増してきている。クラウド環境や仮想化技術を組み合わせた大規模シミュレーションも現実味を帯びており、将来的にはデジタルツインの概念に近い形でシステムを仮想空間上に再現し、設計・検証・運用の各段階を一気通貫で管理する構想が現実化すると期待される。

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