プロトコル処理のハード化で10GビットEthernet通信のボトルネック問題を解決 ―― 組み込みネット新春インタビュー(5) アークス
Tech Village「組み込みネット」では，新春特別企画として，「2013年，組み込み技術の展望」をお届けします．本企画は，2013年の技術動向や産業動向を紹介する目的で，組み込み関連企業などにインタビューを行いました．第5回は，プロトコル処理をハードウェア化し，10GビットEthernetシステムの開発に携わった，アークスの吉岡 幸治氏（写真1）に，同社の製品開発の経緯について伺いました．（Tech Village編集部）
写真1 アークス 取締役 開発部長の吉岡 幸治氏
―― 今回，開発した製品の概要を教えてください．
吉岡氏：アークスでは，産業用機器向けの通信インターフェース・ボードを開発する際にギガビットEthernetや10GビットEthernetのプロトコル処理（TCP/IP，UDP/IP）をハード・ワイヤード論理で実装しました．現在，画像検査装置や監視カメラなどでは，カメラからパソコンやサーバへ画像データを転送する際に，数Gbpsの高速通信が必要とされています．
例えば，Ethernetのプロトコル処理をCPUとソフトウェアで実装すると，データ転送の実効速度は理論値の3～4割程度に低下し，さらにCPUに大きな負荷が掛かって他のアプリケーション処理の実行を妨げます．
そこで，EthernetのPHYやMACはもちろんのこと，TCPやUDP，IPのプロトコル処理もハードウェア化することに取り組みました．この手法により，実効速度を理論値の9割程度まで引き上げられます．例えばギガビットEthernetの場合は約900Mbps，10GビットEthernetの場合は約9Gbpsの伝送速度で通信できます．
―― どのようなユーザにメリットがあるのでしょうか？
吉岡氏：引き合いがあるのは，画像処理を行う検査装置や監視カメラなどを製造しているカメラ・メーカからです．カメラのフロントエンドの通信部分に使えないかということで，検討していただいています．また，医療機器メーカも画像を取り扱うことが多いので，興味を持っていただいています．
画像データの高速通信を実現するためにCamera Linkなどの専用規格がありますが，通信距離は短く，専用ケーブルなどの配線にコストが掛かります．一方，このハードウェア化されたEthernetを使えば，既存のEthernetケーブルをそのまま利用しつつ，長距離の通信が可能となります．Camera LinkやHDMIのケーブルを延長する際のエクステンダ（距離延長装置）としての利用も可能です．
―― 販売する通信インターフェース・ボードの詳細を教えてください．
吉岡氏：三つの通信インターフェース・ボード「Axpcie6030」，「Axfmc6020」，「Axfmc6010」を開発しました．ハードウェア化したプロトコル処理は，FPGA上の回路ブロックとして実現しています．
一つ目のAxpcie6030は，10GビットEthernet通信用のPCI Expressボードです（写真2）．伝送媒体は光ファイバとなります．通信ポートは二つあり，コネクタはSFP+（Small Form-Factor Pluggable Plus）です．パソコン側のバス・インターフェースはPCI Express Gen2で，パソコンのスロットに接続して使います．ボード上に1GバイトのDDR3メモリを搭載しています．複数のカメラを稼動させ，ボード上のDDR3メモリを共有メモリとして使用することを想定しています．例えば，Ethernetネットワークで結ばれた10台のカメラを接続し，データをまとめてパソコンに転送します．FPGAには，米国Xilinx社のKintex-7 XC7K325Tを使用しています．また，Windows 7やLinux 3.0に対応したデバイス・ドライバを提供しています．
写真2 Axpcie6030の外観（111.15mm×167.65mm）
二つ目のAxfmc6020は，10GビットEthernet通信用のサブボードで，ベース・ボードに接続して使用します（写真3）．伝送媒体は光ファイバです．通信ポートは一つだけで，コネクタはSFP+です．このボードの先に，カメラやセンサが接続されるような使い方を想定しています．FPGAは，Xilinx社のKintex-7 XC7K160Tを使用しています．
写真3 Axfmc6020の外観（69 mm×76.5mm）
三つ目のAxfmc6010は，現在，通信として一番普及しているギガビットEthernetのサブボードです（写真4）．通信ポートは二つあり，コネクタはRJ45です．このサブボードも，Axfmc6020と同じようにボードの先に，カメラやセンサが接続されることを想定しています．FPGAは，Xilinx社のSpartan-6 XC6SLX45を使用しています．このボードだけは，PHYチップが外付けとなっています．
写真4 Axfmc6010の外観（69mm×76.5mm）
さらに，このハードウェア化したプロトコル処理機能だけを切り出した，40mm×40mmの通信モジュールも開発しています．
―― プロトコル処理をハードウェア化しようとしたきっかけは？
吉岡氏：現在，ブレード・ボードなどが利用されている，エンタープライズ系の世界では，キャッシュ・サーバなどの，通信におけるプロトコル処理をハードウェア化して，プロセッサの負荷を下げているそうです．このことを聞いて，産業用のネットワークにも応用できるのではないかと思いました．
画像の転送の場合，TCP（Transmission Control Protocol）よりも再送処理を省いたUDP（User Datagram Protocol）を要求される場合があります．その一方で，再送処理を行うTCPを望むケースもあります．当社では，両方のプロトコルをサポートしていきます．なお，回路規模については，TCPの方がやや大きくなります．
―― 実効速度が理論値の9割，というのはすごいですね．
吉岡氏：ギガビットEthernetの実効速度は理論値の3～4割，標準300Mbps～400Mbpsくらいです．これに対して，ギガビットEthernetのプロトコル処理をハードウェア化したボードを送信側と受信側の両方（カメラとパソコン）に搭載した場合，約900Mbpsとなります．また，送信側と受信側の一方だけに今回のボードを採用した場合でも700Mbps～800Mbpsくらいの速度で転送できます．
Ethernetはオープンな規格ですが，プロトコル処理をハード・ワイヤード論理として実装し，システムに組み込むには，時間が掛かります．この方法を日本で産業用ボード・コンピュータに適用したのは当社だけではないかと思います．
―― 今後，どのように発展させていくのでしょうか．
吉岡氏：本来，プロセッサは，複雑な判定処理を行うためのものと考えています．ですから，通信のようなシンプルな繰り返し処理はハードウェア化して，プロセッサから切り離した方が効率的だと考えています．さらに，FPGAを利用しているので，JPEGなどのデータ圧縮や簡単な画像の前処理などについては，ハードウェア化する提案を行っていきたいと考えています．
●この記事に関するお問い合わせ先
 | (株)ARKUS(アークス) http://www.arkus.co.jp/ TEL 086-250-9110 FAX 086-805-3322 〒700-0971 岡山市北区野田3-20-8 |
