FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조

#한 줄 요약

“FPGA는 programable 논리 회로입니다.” SW 개발자에게는 “thread를 무한히 띄울 수 있는 board”로 보입니다. 단, 각 thread는 clock cycle 단위로 결정적입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

CPU 한 코어로는 못 따라가는 완전 병렬 작업, deterministic latency가 필요한 작업, custom protocol 처리에 FPGA가 답입니다. 카메라 8대 동시 전처리, 100 Gbps 패킷 처리, motor control의 PWM, DSP filter chain, custom bus bridge가 대표 사례입니다.

MCU/SoC에 FPGA를 붙이는 이유는 flexibility와 parallelism 둘 다. ASIC은 빠르지만 한 번 굽고 나면 못 바꿉니다. FPGA는 다시 굽기만 하면 회로 자체가 바뀝니다.

#핵심 구성 요소

FPGA fabric은 다음 블록으로 짜여 있습니다.

이 셋의 비율이 FPGA의 성격을 결정합니다. Xilinx Artix-7은 LUT 위주, Kintex는 DSP/BRAM 풍부, Zynq UltraScale+는 DSP+SoC 결합형입니다.

#LUT — 임의의 boolean

1
4-LUT: 4 input → 1 output
2
  truth table 16 entry = 16-bit SRAM
3

4
예: AND
5
  abcd  →  out
6
  ----     ---
7
  1111     1
8
  나머지   0

6-LUT(Xilinx 7-series 이상)는 6 input → 1 output, SRAM 64 bit. 임의의 조합 회로를 만들 수 있습니다.

1
// 이 한 줄이 1개 LUT
2
assign y = (a & b) | (~c & d);

#FF — 1-bit memory

1
always @(posedge clk) begin
2
    q <= d;
3
end

매 clock의 rising edge에 d 값을 q에 저장. 순차 회로의 기본.

#BRAM — 큰 메모리

1
Xilinx 7-series BRAM:
2
  36 Kbit per block (또는 두 개의 18 Kbit)
3
  configurable: 32K×1, 16K×2, 8K×4, 4K×9, 2K×18, 1K×36
4
  dual-port (각각 read/write)

1
// 1 BRAM = 4096×8 SRAM 또는 2048×16 SRAM
2
reg [7:0] mem [0:4095];
3
always @(posedge clk) begin
4
    if (we) mem[addr] <= din;
5
    dout <= mem[addr];
6
end

작은 buffer는 LUT를 distributed RAM으로 쓰고, 큰 buffer는 BRAM에 자동 매핑됩니다.

#DSP slice — multiply-accumulate

1
Xilinx DSP48E1:
2
  25-bit × 18-bit = 43-bit multiply
3
  + 48-bit accumulator
4
  pre-adder, ALU, pattern detector 내장

MAC 한 cycle에 한 번. FIR filter, matrix multiply, FFT, neural network이 DSP slice를 가득 채워 사용합니다.

1
// → DSP slice 1개
2
always @(posedge clk) begin
3
    acc <= acc + a * b;
4
end

#Clock Region — 시간의 단위

Xilinx 7-series의 clock region은 다음 성질을 갖습니다.

• 크기는 대략 50 CLB 폭 × 50 CLB 높이입니다.
• region마다 자체 clock buffer(BUFR, BUFH)를 갖습니다.
• 하나의 region 안에서는 clock skew가 같습니다.

FPGA는 전체에 하나의 clock을 깔지 않고 region 단위로 나눕니다. 큰 design은 여러 clock domain을 갖고, 도메인 사이는 clock domain crossing (CDC) 처리가 필수.

1
// 잘못된 CDC — metastability
2
always @(posedge clk_a) data_a <= source;
3
always @(posedge clk_b) data_b <= data_a;  // ← 위험
4

5
// 올바른 — 2-FF synchronizer
6
always @(posedge clk_b) begin
7
    data_b_sync1 <= data_a;
8
    data_b_sync2 <= data_b_sync1;
9
end

#IO Bank

• 한 IO bank는 하나의 VCCIO 전압(1.8V / 2.5V / 3.3V)을 공유합니다.
• 같은 bank에 속한 핀들은 같은 logic level standard를 따릅니다.
• 고를 수 있는 standard는 LVCMOS, LVDS, SSTL, HSTL, LVPECL 등으로 다양합니다.

PCB 설계 시 어느 핀이 어느 bank에 속하는지를 알아야 합니다. 한 bank에 3.3V CMOS와 1.8V DDR 신호를 섞을 수 없습니다.

#Routing — Switch matrix

FPGA의 대부분의 영역은 logic이 아닌 routing입니다. Switch matrix가 LUT 출력을 다른 LUT 입력에 연결합니다. Place & Route 단계에서 routing이 잘 안 되면 timing 위반 또는 resource 부족이 발생합니다.

#Soft Processor

LUT/FF로 CPU 자체를 만들 수 있습니다.

1
Xilinx MicroBlaze    : 32-bit RISC, ~1000 LUT
2
Intel Nios II        : 32-bit RISC
3
RISC-V soft core     : VexRiscv, PicoRV32, NEORV32

Hard SoC(Zynq, Cyclone V SoC)는 ARM이 실리콘으로 박혀 있어 빠르지만, soft processor는 FPGA 자원만 있으면 어디서나 만듭니다.

#Typical FPGA 자원 비교

Hobbyist 보드 (Tang Nano 9K, Arty A7 등)는 30~100달러 범위입니다.

#개발 흐름

1. Verilog/VHDL 또는 HLS C++
2. Synthesis: HDL → netlist (LUT/FF로 매핑)
3. Place & Route: netlist → physical placement
4. Timing analysis: setup/hold time 검증
5. Bitstream 생성: .bit / .sof
6. Programming: JTAG으로 FPGA에 load

Synthesis는 software의 compile에 해당. P&R은 physical layout까지 결정. Build 한 번에 분~수 시간이 걸립니다.

#작은 예시 — LED 점멸

1
module blink(
2
    input  wire clk,    // 100 MHz
3
    output wire led
4
);
5
    reg [25:0] cnt = 0;
6
    always @(posedge clk) cnt <= cnt + 1;
7
    assign led = cnt[25];     // ~1.5 Hz
8
endmodule

이 한 모듈을 합성하면 26 FF + 1 carry chain + 1 LUT 정도 사용. FPGA 자원의 0.001%도 안 씁니다.

#CPU와의 차이

100 MHz FPGA의 한 cycle에 1000개 MAC을 동시에 실행할 수 있다면 throughput은 100 GMAC/s. 같은 일을 1 GHz CPU로 하려면 100배 더 빠른 cycle이 필요합니다.

#SoC FPGA — Hard core + Fabric

Zynq UltraScale+, Intel Stratix 10 SoC, Microchip PolarFire SoC는 ARM 또는 RISC-V가 실리콘에 박혀 있고 fabric이 옆에 붙어 있습니다.

1
[ARM Cortex-A53 quad]  ← Linux 도는 곳
2
   ↕  AXI bus
3
[FPGA fabric]          ← custom logic

CPU에서 Linux 돌리면서 fabric은 video pipeline 처리. 가장 흔한 임베디드 가속기 구조입니다.

#자주 보는 함정

Clock domain crossing 누락

1
always @(posedge clk_b)
2
    out <= signal_from_clk_a;   /* metastability 위험 */

CDC는 항상 2-FF synchronizer 또는 async FIFO.

합성 결과 != HDL 의도

1
reg [7:0] x;
2
always @(*) x = x + 1;   /* combinational loop — synthesizer 거부 */

Combinational loop, latch (intended가 아닌), unintended initialization. Synthesis warning을 항상 읽기.

Timing 위반 무시

1
WARNING: Slack -2.3 ns

Slack 음수는 setup time 위반. 그대로 굽고 돌리면 간헐적 동작 불량. P&R을 다시, 또는 pipeline 추가.

Reset deassert race

1
always @(posedge clk or negedge rst_n)
2
    if (!rst_n) q <= 0;
3
    else q <= d;

Asynchronous reset의 deassert가 clock edge에 가까우면 metastability. Reset synchronizer 사용.

Pin assignment 누락

Pinout이 XDC/SDC 파일에 없으면 P&R이 임의로 배치합니다. 보드에 맞는 핀에 묶이지 않으면 전혀 다른 신호가 나옵니다.

#정리

• FPGA = LUT + FF + BRAM + DSP + IOB + routing.
• 모든 회로가 동시에 동작. CPU의 sequential과 본질이 다릅니다.
• 100 MHz × 1000 MAC = 100 GMAC/s 같은 완전 병렬 처리.
• Clock region이 시간의 단위. CDC는 항상 synchronizer.
• BRAM이 on-chip buffer, DSP가 MAC, LUT/FF가 조합/순차 회로.
• SoC FPGA는 ARM/RISC-V hard core + fabric을 묶은 형태.
• Synthesis → P&R → bitstream의 분~시간 단위 빌드.
• Timing slack 음수는 절대 안 됨. 합성 warning을 항상 읽기.

다음 편은 Vivado 사용법입니다.

#관련 항목

• 11-02: Vivado 사용법
• 11-04: AXI 인터페이스
• 11-05: PS-PL 통신
• 11-14: Intel Quartus 사용법