新しい計算物理の為の論理回路の設計を目指して
アルテラ・ユニバーシティ・プログラムでの使用目的、運用目的

電気通信大学・電子工学科・助教授 齋藤 理一郎

電気通信大学では、全学の学生及び教職員が使うことができる教育 系システムにおいて、ケーデンス社の Leapfrog という software のサイトライセンスを取得し、VHDL 等のハードウエア記述言語が 自由に使える環境になっている。申請者の研究室でも、1996 年度 よりハードウエア記述言語を用いた新しい論理回路を設計する事を 卒業研究の 1 つの課題としてすすめている。

申請者は、現在電子工学科に所属しているが出身は物理(東大、理 学博士) であり、計算物理を専門としている。脳の神経を真似た ニューラルネットワークや、量子スピンの計算は現在の CPU 上で 実現するのは非常に非効率であり、専用の論理回路上に実現するこ とが望まれている。このための専用計算機をつくる試みが、他の研 究者によってなされたが、その技術的な困難から大きな研究分野に 発展するにいたってはいない。さらに行列計算に代表される線形計 算は、演算素子間の通信が律速であり、並列計算機にも完全には適 しない。我々は新しい論理と計算機アーキテクチャの原理を考える うえで、自由に論理回路が動的に組み込める FPGA に大変興味をもっ て研究についたところである。FPGA の特質をいかした論理回路を 設計する事が本研究の目的である。

1997 年度の卒業研究では技術的習熟をはかる為に、CQ 出版社から 提供されている Flex Design kit/CQ を購入し、VHDL の動作原理 を学習した。そこで 初めて Max-Plus(限定版)をFlex-design kit/CQ の附属品として得た。現在では DOS/V パソコンの ISA バ スから信号線を取り出し、新しく自作した基板上に SRAM と Max 7000 (CQ 出版社の Design kit についていたもの)をつけ、その基 板上での動作を確認した。これによって VHDL の記述から合成、 FPGA への書き込み、さらに自分でハード設計できる環境の技術を 修得できた。得られた環境では、 ISA バスから 良く使われる パ ラレルインターフェース 8255 シリーズの IC を通じて デジタル 信号を制御し、5 bit の 信号線を通じて Max 7000 の為の configuration file を送り動作した。送る為のドライバーソフト は アルテラ 社の WWW にある document を参考にして独自で作製 した。さらに残された FPGA のピン と ISA バスの信号線を通じて FPGA と パソコンとの通信、 FPGA と SRAM との通信を可能にした。 このように、我々はユニバーシティ・プログラムを十分に活用でき るハードウエア技術とソフトウエア能力を有していると考えている。

さらに我々はより使いやすい環境を得る為に、インターリンク社 (代表 倉重克己氏、電通大出身) より、アカデミックな価格で PeakVHDL/FPGA を DOS/V 上に導入し、かなり大きな論理合成も作 製可能になった。我々はより大きな FPGA を用いて論理回路を作ろ うと計画している。このためには Max-Plus の Full version が必 要であり導入を検討した。が、その価格は残念ながら我々の限られ た予算を超えたので購入できなかった。これが今回ユニバーシティ・ プログラムに応募した最大の理由である。Max-Plus の導入により、 アルテラ社の FPGA を最大限に利用した デバイスを作製してみた いと考えている。ご検討をよろしくお願いいたします。

The New Logics for the Computational Physics
Dept. of Elect. Eng. University of Electro-Communications,
Riichiro Saito

In our university, we got a site-license of the software Leapfrog (Cadence Inc.) for any students and staffs to learn HDL language on the educational computer center of the university. In my laboratory, using this software, we have started a research since 1996 as a the graduating thesis research in the undergraduate course.

Although I belong to the engineering department now, I got a Ph. D in the Physics Department of Tokyo University in 1985. My major subject is the computational physics. As an interest of the computational physics, I have been studying the electronic structure of solid states, the quantum spin system, and the neural network system through the numerical simulations on the conventional computers. However the efficiency for the calculation is not so well for such calculations even though we use the parallel computer. It is because that the algorithm is not always suitable for the present CPU and its surrounding environment. In order to avoid this situation, the contributions to make a special computer have been performed in the world however such contribution is too sophisticated to do physics. The new FPGA integrated circuit is very attractive to myself since the logics are very flexibly and dynamically designed. It is my motivation to start the research as a graduating thesis research.

In the research this year, we bought the Flex Design kit/CQ from CQ publish Inc. which consists of a MAX 7000 chip, the circuit board and a limited version of the Max-Plus software. Using the VHDL languages, the compiler and the synthesizer in the university, we can make some logics on the Flex Design kit. Extending the research to a reasonable size, we have made our own board which consists of the Max 7000 chip taken from the kit, SRAM and the interface to the ISA bus of a DOS/V computer. In order to configure the chip, we made a program by ourselves for down-loading the configuration file from PC to the chip via 5 bit signal lines. Making the down-load program, we get the document of the FPGA from the WWW site of the Altera company whose open atmosphere is very impressive. Using the remaining signal pins, we can communicating the PC with the FPGA and the SRAM with FPGA, successfully. Thus we have got a minimum technique to make a circuit and the physical background for considering the new logics.

In order to improve the environment for making VHDL programs, we bought the Peak-VHDL/FPGA compiler and the synthesizer in an academic prices. Thus if we plan to make a large circuit using larger the FLEX chips, we need a full version of Max Plus. However when we asked the price to a Japanese dealer for Max Plus, the price is far from our budget of a year. It is the reason why we apply the university programs. I think that what we are making is fruitful for many people to use the Altera chips. Thank you for your consideration.