高性能FPGAベースのシステムでは、高帯域幅、低消費電力、最適なストレージ容量、最小限のリソース利用といった重要な要件を満たすために、適切なストレージインターフェースの選択が不可欠です。こうしたストレージニーズは、エッジデバイスにおけるリアルタイムデータロギングから、演算負荷の高いアプリケーションの高速化まで、多岐にわたります。
この記事では、NAND、SD 3.0、eMMC 5.1、SATA 3.0、NVMe という XNUMX つの主要なストレージ テクノロジーを包括的に比較し、FPGA アプリケーションに関連する指標に基づいてそのパフォーマンスと適合性を分析します。
iWaveでは、自社開発のFPGA IPコアと専門知識を活用することで、お客様のニーズに合わせた最適化された効率的なストレージIPソリューションを提供し、プロジェクト開発の加速と市場投入までの時間短縮を支援します。
リソースの活用
各ストレージインターフェースで消費されるFPGAロジックリソースは、プロトコルの複雑さとハードウェア要件によって大きく異なります。ここで考慮される主な要素は、ルックアップテーブル（LUT）、フリップフロップ（FF）、およびトランシーバーの使用です。
- NAND は最もリソース効率が高く、約 1100 個の LUT と約 700 個の FF を消費します。
- NVMe は最も要求が厳しく、5000 個を超える LUT と 7000 個以上の FF が必要です。
- SATA、eMMC、および SD 3.0 は中間範囲に該当し、SD と eMMC は SATA よりも多くのリソースを使用します。
- SATAとNVMeでは、物理層の実装にトランシーバーも必要となる。
現実世界のパフォーマンス
パフォーマンスは、インターフェイスへのアクセス方法が完全なファイル システム (ドライバー、OS レイヤーなどを含む) 経由であるか、直接のテスト ドライバー (ベアメタルまたは低レベルのファームウェア) 経由であるかによって大きく異なります。
ファイルシステムの場合:
テストドライバー付き:
実際のパフォーマンスは、システムおよびプロトコルのオーバーヘッド（ドライバー、プロトコルスタック、オペレーティングシステム、ファームウェア、CPU処理など）に大きく影響され、これらが総合的にネットスループットを低下させます。さらに、CPU速度、DDRメモリ帯域幅、キャッシュパフォーマンスといった要素も全体的な効率に影響を与えます。
さらに、プロトコルがデータ転送を禁止するデバイスのビジー期間によって示されるように、NAND のプログラミング時間は全体的なレイテンシに大きく影響します。
上記で述べたすべてのボトルネックを考慮しても、当社のストレージコアはデバイスのデータシートに記載されている性能指標に基づいてベンチマークテストを実施しており、これらの基準値からの大きな乖離はありません。
3. バリアントと互換性
各テクノロジーは特定の構成をサポートします。
4. 容量とフォームファクター
クライアントの声
FPGAアプリケーションに最適なストレージインターフェースを選択するには、パフォーマンス、電力効率、ロジックリソースの使用量、システムの複雑さを慎重にバランスさせる必要があります。以下は、特定のアプリケーションニーズに基づいた推奨事項です。
- リソースに制約のあるFPGA設計向け
NANDやSD 3.0といったインターフェースは、ロジックの使用を最小限に抑える必要がある低消費電力かつコスト重視のアプリケーションに最適です。これらのインターフェースは、データロギング、ブートローダー、基本的なファイルストレージに十分な性能を提供するため、エッジコンピューティング、産業オートメーション、軽量組み込みシステムに最適です。
- パフォーマンスの向上が求められる中規模組み込みシステム向け
eMMC 5.1は、スループット、消費電力、基板スペースのバランスが実用的です。最大2TBの容量をサポートし、CPU負荷も比較的低いため、高い持続的な読み書き速度が求められる家電製品、インフォテインメント機器、産業用HMIアプリケーションに最適な選択肢となっています。
- 高性能でデータ集約型のワークロード向け
SATA 3.0とNVMeは、優れたパフォーマンス機能を提供します。SATA 3.0は、安定した幅広いサポートを備えたインターフェースで、良好な帯域幅（約450MB/秒）を提供します。一方、PCIe Gen3/Gen4上のNVMeは、5000MB/秒を超える超高速データ転送速度を実現し、AIアクセラレーション、高解像度ビデオ処理、SSDベースのRAIDシステム、サーバークラスの組み込みプラットフォームに最適です。ただし、これらの技術は、複雑さが増し、FPGAロジックの使用が増加し、トランシーバーのサポートが必要になります。
結局のところ、最適なストレージインターフェースはアプリケーションによって異なります。設計者は、データレート要件、レイテンシ許容度、FPGAリソースの可用性、システムコスト、統合の容易さといった要素を比較検討する必要があります。
iWaveは25年以上にわたる組み込み設計の専門知識を活かし、FPGAアプリケーション向けにカスタマイズ可能なストレージIPコアを豊富に取り揃えています。当社のIPソリューションは、主要なFPGAプラットフォーム（AMD、Altera、Microchipなど）向けに最適化されており、永久ライセンスやプロジェクトベースライセンスなど、柔軟なライセンスモデルで提供することで、市場投入までの時間短縮とFPGAへのシームレスな統合を実現します。
