Prologue

CPU も周辺回路もメモリも 1 チップで実現する

SoC 時代のシステム設計の現状
熊谷 あき
デンサにチップ部品が使われています．また IC や LSI のパッ

1 電子回路の今昔

ケージには，QFP や BGA（Ball Grid Array）などが多用されています．基板も大幅に小型化され，1，2 枚の基板で構成されているのが普通です（図 2）．

● 昔の製品と現在の製品を比べると…

● 小型化は低コスト化や低消費電力化にも大きく貢献

昨年末の大掃除のときの話です．押入れの奥から古いビデオデッキが出てきました．試しに電源を入れてみたものの，メカこのような基板や部品の小型化は，低コスト化，低消費電力部分が動かないようで，まったく使いものになりませんでした．

化にも大きく貢献しています．しかし，注目すべきはそれだけこういう業界で仕事をしていることもあり，捨てる前にバラしではありません．抵抗やコンデンザ，IC やコネクタの類が小さてみようと思い立ちました．

くなっただけで，どうして機能的に高度なものが作れるように今から 20 年以上前の家電製品ですが，バラしてみると，何なったのでしょうか．

枚もの基板で電子回路が構成されていることがわかりました．

その秘密は IC の集積度にあります．抵抗やコンデンサは，機しかも使われている部品の一つ一つが，現在と比べると非常に能的にはそれほど変わらずに，部品の寸法だけが小型化されま大きいのです．抵抗もコンデンサもチップ部品ではありません．

した．しかし IC の類は寸法は小さくなったにもかかわらず，そたぐい

また，IC の類もほとんどが DIP（Dual Inline Package）で，一の中に実装されている回路規模は大きくなっています．より複部にシュリンク DIP（ピン間の狭い DIP）が使われている程度で雑で大規模な回路が一つのデバイスで実現できるようになった

す．ピン間の広い QFP（Quad Flat Package）すら使われていなのです．

いのです（図 1）．

● 半導体デバイスの高集積化

現在の電気製品の基板を見てみると，ほとんどの抵抗やコンコンピュータを例にすると，大昔は真空管をたくさん並べてピン間1本配線パターン

抵抗

コンデンサ

両面二層基板コネクタ

DIPデバイス

図 1 昔の電子回路基板

40

KEYWORD ――System On a Chip，ASIC，プログラマブル・デバイス，FPGA

June 2005

Prologue

SoC 時代のシステム設計の現状

ピン間数本の高密度
配線パターン

チップ抵抗

QFPやBGAデバイス

多層基板

フレキシブル・ケーブル

チップ・コンデンサPro

図 2 今の電子回路基板

ロジックを組んで CPU の機能を実現していましたが，技術のZORAN 社の MPEG デコーダ/エンコーダ（CODEC）用のデバ進歩にともない，一つの半導体部品になりました．また，ここイスが，DVD プレーヤや DVD レコーダ用チップセットとして10 〜 20 年でコンピュータの周辺回路も 2，3 個のチップ（一般高機能化していく事例を紹介します．

的にはノースブリッジやサウスブリッジなどと呼ばれる）に集● DVD プレーヤや DVD レコーダのシステム構成

約され，コンピュータの部品点数は激減しました．そのおかげ

まず，基本的知識として，DVD プレーヤや DVD レコーダをで，高性能なものが安価に買えるようになりました．コンピュー構成するために必要な機能について説明します．図 3 に DVD

タより簡素な電卓は，すでに CPU と周辺回路がたった一つのプレーヤのブロック図を，表 1 に各部の説明を示します．同様部品で実現されています．に図 4 に DVD レコーダのブロック図を，表 2 に各部の説明を● CPU も周辺回路もメモリも 1 チップ！

示します．DVD レコーダについては，DVD プレーヤの機能に先月号の特集でも解説したように，現在のシステム設計では，マイコンは欠かせない重要な部品です．しかし，マイコンだけ● ZORAN 社の Vaddis/Activa チップの発展
図 3 や図 4 を見ると，Vaddis や Activa という名前がありまや，外部に接続したスイッチ，モータを動かす周辺機能が必要す．これは次に説明する ZORAN 社の MPEG デコーダ/エンです．一昔前は，CPU は CPU，メモリは ROM と RAM，周辺コーダ・チップの名称です．次に ZORAN 社の Vaddis/Activa

機能はタイマ IC やパラレル I/O 用 IC といったように，それぞチップの発展のようすについて説明します．
図 5（p.44）は ZORAN 社の Vaddis/Activa チップのロード

しかし，半導体製造技術の進歩により，メモリを内蔵した 1マップです．ロードマップを決めるときに大事なことは，世のチップ・マイコンが登場し，周辺機能も一つのデバイスに集積中が今後どのような方向に向かって進んでいくかを見極めるこされるようになってきました．そして最終的には，CPU もメモとです．そして，それに向かって計画を立てていきます．まずリも周辺機能も，たった一つのデバイスに集積することで，1は，自社の専門分野からスタートするとよいでしょう．ZORANチップでシステムを構成できるようになってきたのです．この社の専門分野はディジタル・マルチメディア関連なので，ように CPU や周辺回路を取り込んで，1 チップでシステムを実MPEG デコード LSI から開発する計画を立てたようです．

現することを，System On a Chip（SoC）と呼びます．

MPEG のデコード LSI は，1 チップでビデオ/オーディオのデ

2 SoC の進化の具体事例

コードを行うのではなく，ビデオとオーディオの LSI を別々に開発し，それぞれを別々にデバッグして完成度を高めます．もちろんビジネス・チャンスを逃さないよう，迅速な開発が望まデバイスが周辺機能や CPU 機能まで取り込んで SoC 化してれます．市場がオーディオ/ビデオの 1 チップ化を求めることをいく過程を，より具体的な事例で見てみましょう．ここでは，予測し，予想される時期までに 1 チップ化をなしとげます．こJune 2005

Ap1

2
3
Ap2加えて，さらに必要なものだけを説明しています．

ではシステムは成り立ちません．プログラムを格納するメモリれが単独のデバイスとして存在していました．

1

New Products ――ビクター，世界初となる DVD-RW 片面 2 層ディスクを開発，容量は合計 8.5G バイト
日本ビクター（株）は，DVD-RW 片面 2 層ディスクを開発した．容量は合計で 8.5G バイト．高い透過率を持ちながらも信号の書き換えを実現する記録膜と，消去性能を高める記録技術，ナノ・テクノロジによる高精度な薄膜形成技術を組み合わせて実現した．

41

45
Ap3

ピックアップ
サーボ・モータ

SDRAM

RFアンプ

MPEG
DEMUX

サーボ DSP

OSD
レンダラ

ビデオ
D-Aコンバータ

MPEG
ビデオ・
デコーダ

ビデオ・
エンコーダ

ビデオ出力

HDMI
MPEG/AC3/DTS
オーディオ・デコーダ

オーディオD-A
コンバータ

S/PDIF
Vaddis2/3

LCD
コントローラVaddis4

HDMI出力オーディオ
出力
ディジタル・オーディオ
出力
LCDパネル
メイン・バス

SRAM
CPU
(186)

Vaddis6IR

フラッシュ・メモリ
リモコン
受光Vaddis5E

PCMCIA
コントローラVaddis7
Vaddis8

図 3 DVD プレーヤのブロック構成
表 1 DVD プレーヤの各ブロックの説明
電 源

システム全体に供給する電源
メディアを回転させて，読み取りたい部分にレーザ光を当て，その反射光をピックアップが読み取って情報ドライブ・ユニット（ピックアップ）を取得する．書き込む場合は，レーザ光の熱でメディアの反射率を変化させ，情報を記録する
ピックアップから取得した微弱信号を増幅し，LSI に橋渡しする．書き込む場合は LSI の信号を増幅し，RF アンプ
ピックアップに出力する
ピックアップから読み込んだ信号を A-D 変換し，DSP 処理で整形して，変調された信号をデコードする．
サーボ・コントロール用 DSP
また，回転むらや傾き，キズなどを検出し，信号の SN 比が良くなるように，ドライブに搭載された各種モータやサーボを制御して，つねに適切な位置や回転数となるようフィードバック制御を行う
MPEG の DEMUXMPEG PS ストリームはビデオとオーディオが一つのストリームになっているので，これらを分離し，MPEG（デマルチプレクサ）
ビデオ・デコーダとオーディオ・デコーダにデータを渡す
MPEG のビデオ・デコーダ
MPEG の画像データを実画像に復元する
MPEG/DTS/AC3 のMPEG/DTS/AC3 の音声データを実音声に復元する
オーディオ・デコーダ
HDMIディジタルの画像データとディジタル・オーディオ・データを HDMI 規格に変換出力する
S/PDIF
ディジタル・オーディオ・データを S/PDIF 規格に変換出力する
ディジタルの画像データをコンポジット，S 端子などのビデオ信号（NTSC/PAL/SECAM）や RGB，YUVビデオ・エンコーダ（YCrCb）にエンコードする
ビデオ D-A コンバータ
ビデオ・エンコーダでエンコードしたディジタルのビデオ信号をアナログに変換する
オーディオ D-A コンバータ
ディジタル・オーディオ・データをアナログに変換する
OSD レンダラ
オン・スクリーン・ディスプレイの文字や CG をオーバレイ表示する
CPU
システム全体を制御するメモリ（RAM/ROM）
プログラムの格納領域，ワーク・エリアなどに使用する
LCD（表示管）と LCD コントローラ システムの状態や再生位置時間などを表示する
IR レシーバ
変調された赤外線リモコンの信号をデコードする

42

Information ―― au の第 3 世代携帯電話の契約数が 1800 万を突破
KDDI（株）と沖縄セルラー電話（株）が提供している au の第 3 世代携帯電話の累計契約数が，4 月 6 日に 1800 万件を突破した．auの第 3 世代携帯電話の販売は，2002 年 4 月 1 日に開始された．

June 2005

Prologue

SoC 時代のシステム設計の現状

ピックアップ
サーボ・モータ
RFアンプ

Activa100

MPEG
MUX

MPEG
ビデオ・
エンコーダ

ビデオ・デコーダ

ビデオ
A-D
コンバータ

ビデオ入力

オーディオ
A-D
コンバータ

AC3
オーディオ・
エンコーダ

オーディオ
入力

SDRAM

OSD
レンダラ

MPEG
DEMUX

サーボ DSP

Activa150(Vaddis5R)

USB2.0
LINK/PHY

MPEG
ビデオ・デコーダ

ビデオ・
エンコーダ

MPEG/AC3/DTS
オーディオ・デコーダ

S/PDIF

IEEE1394
LINK/PHY

CPU(MIPS)

Pro

ビデオ
D-A
コンバータ

IR

ビデオ出力
HDMI

HDMI出力

オーディオ
D-A
コンバータ

オーディオ
出力
ディジタル・
オーディオ
出力
リモコン
受光1
Ap1

2
3

Activa200

Activa170PCMCIA
コントローラフラッシュ・メモリ

LCD
コントローラAp2
LCDパネル4

図 4 DVD レコーダのブロック構成
表 2 DVD レコーダの各ブロックの説明

うして完成した MPEG デコーダ・チップが Vaddis2/3（写真 1）です．もちろん，単なる 1 チップでは他社との差別化が難しいので，新たな機能を追加します．こうしてビデオ・エンコーダを追加した Vaddis4 が完成しました（写真 2）．
この時点で，やっと一つの目標が達成できました．この LSI をベースにして，DVD プレーヤ専用 LSI と DVD レコーダ専用 LSIとに枝分かれして，それぞれの進化を遂げるように進めます．
次にやるべきことは，CPU コアを内蔵し SoC 化することです．しかし，ZORAN 社は CPU ベンダではないので，外部からオーディオ A-D コン
アナログの音声信号をディジタルに変換する
バータ
ビデオ A-D コンバータ アナログのビデオ信号をディジタルに変換する
ビデオ A-D コンバータでディジタル信号に変換したビデオ信号の変調をデコードし，ディジビデオ・デコーダ
タルの画像データに変換する
MPEG のビデオ・エ ディジタルの画像データを MPEG データにエンコードする
ンコーダ
AC3 のオーディオ・ ディジタルの音声データを AC3 データにエンエンコーダ
コードする
MPEG MUXMPEG のストリームにエンコードしたオーディ（マルチプレクサ）
オ・ビデオ・データを MPEG PS に多重化する

CPU を調達して内蔵させます．できることならこの世に存在する最高のパフォーマンスを誇る CPU を内蔵させたいところですが，この MPEG デバイスはあくまで民生機器用途です．

満たせるものを選択します．DVD レコーダ用途の Activa150

Pentium4 のようにパフォーマンスはピカイチでも，消費電力（写真 3）には処理能力が高い RISC 系 CPU である MIPS 互換や発熱量が大きく，価格も高いものは採用できません．もっとCPU を採用し，処理能力があまり必要ない DVD プレーヤ用途

低消費電力で価格もこなれたものの中から，必要な処理能力をの Vaddis5 には，極限の低コストという要求を満たすようにプJune 2005

Information ――ミタチ産業が QNX の代理店にミタチ産業（株）が QNX ソフトウエアシステムズ（株）の代理店となった．ミタチ産業は，QNX Neutrino RTOS と QNX Momentics
開発スイートの販売やサポート，コンサルティングなどを行っていく．

435
Ap3Activa200
ZR35xxxMPEG AV CODEC
ビデオ CODEC
CPU（MIPS）
サーボ
USB LINK/PHY
1394 LINK/PHY

Activa100
ZR35100
MPEG AV エンコーダ
ビデオ・デコーダ

Activa170
ZR35xxxMPEG AV CODEC
ビデオ CODEC
CPU（MIPS）

Activa150（Vaddis5R）
ZR36750

Vaddis8
ZR3686x

VPEG AV デコーダ
ビデオ・エンコーダ
CPU（MIPS）

Vaddis7
ZR3677x
MPEG AV デコーダ
ビデオ・エンコーダ
CPU（x186）
サーボ
PCMCIA

Vaddis6ZR3676x
Vaddis5E
ZR3674x
MPEG AV デコーダ
ビデオ・エンコーダ
CPU（x186）

Vaddis4
ZR3673x

Vaddis2/3
ZR36710MPEG AV デコーダ
ビデオ・エンコーダ
CPU（x186）
サーボ
PCMCIA
RFアンプ

MPEG AV デコーダ
ビデオ・エンコーダ
CPU（x186）
サーボ

MPEG AV
ビデオ・エンコーダ

MPEG
AVデコーダ

図 5 MPEG チップおよび周辺回路の集積化の流れ（a）Vaddis2
フラッシュ・メモリ

SRAM

CPU

オーディオ用D-Aコンバータ

SDRAM（b）評価ボード

写真 1 Vaddis2 と評価ボードの外観

44（a）Vaddis4

ビデオ用
エンコーダ

（b）評価ボード

写真 2 Vaddis4 と評価ボードの外観

New Products ―― AMD，64 ビット CPU の仮想プラットホーム技術「Pacifica」の仕様を一部公開
米 AMD 社は，同社の 64 ビット CPU 向けの仮想技術「Pacifica」の一部の仕様を公開した．4 月に完全公開する予定．Pacifica を採用した CPU の出荷は 2006 年になる見込み．仮想技術は，一つの CPU で複数の OS やアプリケーションを同時実行するしくみ．

June 2005

Prologue

SoC 時代のシステム設計の現状（a）Vaddis8（a）Activa150

Pro（b）リファレンス DVD レコーダ

写真 3 Activa150 とリファレンス DVD レコーダの外観

ログラム・メモリ領域を節約できる CISC 系の x186 互換 CPU（b）リファレンス DVD プレーヤ

1

写真 4 Vaddis8 チップとリファレンス DVD プレーヤの外観

機器のシステム設計者は，たくさんの部品で複雑な回路を組み上げていきます．それが一つのチップに集約されたことで，を採用しました．
これで，このデバイスを採用するユーザの違いで，異なった簡単に回路構成を組み上げることができるようになったのです．

プラットホーム（CPU）をサポートする必要がなくなり，同一プ部品点数が減り，回路上の不具合の発生率も激減します．当ラットホームでの開発になるため，開発サポートがよりスムー然，開発期間も短くなり，基板の面積も小さくなります．結果ズになります．計画を立てる場合，こういったことも念頭に置として，部品代と人件費の削減につながり，最終製品の価格がくと良いでしょう．

安価に設定できるというメリットがあります．
また，CPU まで内蔵されているという利点を生かして，チッンコーダや CPU が実装されていますが，これが Vaddis4 にな

プ・ベンダから基本動作に必要なソフトウェアが提供されるので，るとビデオ用エンコーダが内蔵され，Vaddis5 では CPU も内蔵機器開発に要する時間がさらに短縮できるようになりました．情された形となります．しかし大容量のメモリを内蔵することは報家電のモデル・チェンジ・サイクルも PC 並みに速くなってき難しいので，残念ながら評価ボード上のフラッシュ・メモリやている現状では，こういった支援は不可欠でしょう．まさに SoC

SDRAM は，最新デバイスでも外付けする必要があります．

が必須の時代になったと言えます．
ディジタル-アナログ混在環境で一つのデバイスを実現する場

Chip」をめざします．
「on a Chip」は，「一つのチップで」という合，アナログ回路にディジタル回路が隣接し，信号線のクロス意味です．

トークや電源からのノイズの影響を受けやすくなります．SN

DVD Recorder on a Chip をめざした Activa200 は，メモリ，比や性能を重視した場合，簡単には一つの LSI にできません．

RF アンプ以外は，すべて 1 チップに収められており，それらの図中の RF アンプをすぐにチップに取り込まないのはそういっ部品を外付けするだけで DVD レコーダが構成できます．DVDた理由があるためです．

Player on a Chip をめざした Vaddis8（写真 4）も同様です．ちな

また，図 3 や図 4 を見ると，最新のデバイスでもオーディオみにプロセス・ルールも，当初は 0.3μm 程度でしたが，最新デ用の A-D/D-A コンバータを内蔵していないことに気づくでしょ

バイスは 0.18μm と微細化しています．

う．オーディオ用の A-D/D-A コンバータは，一般的に高品位● SoC 化のメリットを求められるため，SN 比の観点から簡単に一つの LSI にはでほとんどすべての周辺回路を取り込んで SoC 化したことで何June 2005

きません．また，オーディオの部品はハイエンド・ユーザ向けとローエンド・ユーザ向けとでは，部品にかけるコストや趣向

New Products ――「みずほ Suica カード」が登場（株）みずほ銀行のキャッシュ・カードの機能を搭載した Suica カード「みずほ Suica カード」が 2006 年 3 月に登場する．たとえば買い物の際に，電子マネーによる支払い，クレジット・カードでの支払い，キャッシュ・カードによるデビット払いが選べるようになる．

345
Ap3

● アナログ回路を外付けにする理由

終形である，「DVD Recorder on a Chip」と「DVD Player on aが起こったのかについて，ここで補足します．

2Ap2

写真 1（b）の Vaddis2 評価ボードでは，外付けにビデオ用エCPU も内蔵したので，最後のステップとして，それぞれの最Ap145

大容量FPGAメモリ

写真 5ASIC 開発用プロトタイプ
基板の例

が大きく異なり，そのグレードによって要求はさまざまです．

ASIC の開発は，中の回路はユーザが設計しますが，デバイスLSI に取り込んでしまうと，そのグレードが固定されてしまう自体は半導体製造工場をもったベンダに依頼して製造してもらということもあり，あえて LSI の外に付けるようにしています．

います．したがってチップを作り直すには，時間もお金もかか

また，実はビデオ用の A-D/D-A コンバータと違い，オーディオ用の A-D/D-A コンバータは，よりシビアな SN 比を要求されります．

● プログラマブル・デバイスを使った SoC 開発

ます．ビデオ用は七十数 dB 程度で十分実用になりますが，現ASIC 新規開発時の失敗のリスクを減らしたい場合は，FPGA

在のオーディオは CD 音質が求められ，90dB 以上を要求される（Field Programmable Gate Array，詳細は第 1 章以降を参照）

ためです．周波数帯域はビデオ用のものが広いのですが，SNなどのプログラマブル・デバイスを使ってデバイスの評価を繰

比についてはオーディオ用のほうがより厳しいのです．

り返し，信頼性を高めてからデバイスを製造する方法もありま

3 SoC 開発の実際● SoC 開発の流れす．FPGA はユーザの手元で回路の開発が可能で，やり直しも容易です．写真 5 は ASIC 開発用プロトタイプ基板の例です．
大容量 FPGA が四つ並んでいます．これを使って回路を検証し，最終的に ASIC にまとめるわけです．

SoC 開発を行う場合，ZORAN 社のデバイスのように，すでASIC の開発にはお金がかかるので，数個しか使わないように別のチップとして開発が完了して市場で使われ，十分にバグなデバイスを ASIC にすると，1 個あたりの価格が非常に高くが取り切れたもの（または技術が枯れたもの）を取り込む場合なってしまいます．そのような場合は，FPGA をそのまま完成と，まったく新規の周辺回路をいきなり取り込む場合とに分け品に採用する方法もあります．現在の FPGA は，SoC を実現でることができます．

きるレベルまで大容量化してきているので，少量の場合は前者は，すでにでき上がっている回路を合体させるわけなの

FPGA を使うというケースが一般化しています．

で，開発におけるリスクは少ないと言えます．しかし，先行しCPU を内蔵した SoC ではなくても，これまで複数チップでてそれぞれのブロックの回路の検証ができていなければなりま実現していた周辺機能を 1 チップに集積して，基板面積の縮小せん．

化や低コスト化を実現できるので，FPGA などのプログラマブ

後者はチップの一部にバグが出たとしても，チップ全体を製造し直さなくてはならない危険性があります．写真 1 〜写真 4

ル・デバイスを使ったシステム設計は，どのような分野の開発でも有用な方法だといえるでしょう．のようなデバイスは，MPEG デコード/エンコードや DVD プレーヤ/レコーダ専用です．こういった特定用途向け IC は ASIC
（Application Specific Integrated Circuit）と呼ばれています．

46

くまがい・あき 半導体デバイス設計エンジニア

New Products ―― IP テレコム，「Nature s Linux ver.1.3」をリリース
IP テレコム（株）は，「Nature s Linux ver.1.3」をリリースした．同 OS は，サーバ向けに開発されたもので，サーバに最低限必要なオープン・ソース・ソフトウェアが組み込まれている．http://www.n-linux.com/

June 2005