本初心者講座は、ルネサスエレクトロニクス社(以降、ルネサス)のArm® Cortex®-Aプロセッサ搭載マイクロプロセッサ RZファミリを初めて使うエンジニア向けの「Cortex-A|RZファミリ編」です。(注意:本講座では、マイクロプロセッサをプロセッサと称して説明いたします)
本初心者講座のゴールは次の3つです。
- マイコンとマイクロプロセッサ・RZファミリの違いを習得する。
- マイクロプロセッサ・RZファミリの機能と性能を理解する。
- マイクロプロセッサ・RZファミリの使い方を理解する。
本講座は次の5回シリーズの連載で構成されます。
第1回:RZ/Aシリーズから始めよう!
第2回:RZ(プロセッサ)とマイコンの違い
第3回:マイコンユーザーがRZファミリに移行する手法
第4回:マイコンとプロセッサの垣根を超える
第5回:RZファミリの紹介
今回は、第5回の「RZファミリの紹介」です。ここまでの講座ではRZ/Aシリーズについて詳しく解説しました。今回は、RZ/Aシリーズ以外のRZファミリの製品を紹介します。
課題
1. RZファミリとは何か?
ルネサスマイクロの頂点(The Zenith of Renesas micro)と言われるRZファミリとは、そもそも何なのでしょうか?
2. RZファミリの特長を学ぶ。
RZファミリの具体的製品とその特長を学習する。
3. RZファミリのアプリケーションを学ぶ。
RZファミリは、どのようなアプリケーションに最適かを学習する。
RZファミリとは
家電・産業機器・ビル管理・電力網・交通など人々の生活に関わるあらゆるもののインテリジェント化が進み、クラウドに接続される「スマート社会」が実現されています。マイコンには高性能・省電力制御に加え、ITネットワークとの連携やヒューマン・マシン・インタフェース(以降、HMI)など、従来のマイコンでは難しい高度な能力が求められています。
こうした時代の要求に対し、マイコンを知り尽くしたルネサスならではの組込みプロセッサとして、「マイコンのように使いやすい新世代プロセッサ」のRZファミリが誕生しました。新時代を築く組込みプロセッサとして、他に類を見ない特長を備え、ユーザーのアプリケーションに新たな価値をもたらします。
本シリーズの「第1回:RZ/Aシリーズから始めよう!」でも、述べましたが、RZファミリは大きく分けると5シリーズが提供されています。RZ/Vシリーズ、RZ/Gシリーズ、RZ/Aシリーズ、RZ/Tシリーズ、RZ/Nシリーズです。表1に示すように、それぞれのシリーズには、各々特長があり、動作周波数、周辺機能などで様々なアプリ―ケーションに使い分けることができます。
RZ/Aシリーズについては、本シリーズの第1回から第4回で詳しく解説してきましたので、今回はRZ/Aシリーズ以外のシリーズを紹介します。
RZ/Vシリーズ
最初は、RZ/Vシリーズです。コンセプトは「Vision AI MPU (AI Accelerator)」です。
特長
- 組込みVision AI アプリケーション向けプロセッサ。
- ルネサス独自のAIアクセラレータDRP-AIを搭載し、最大80TOPSを実現。
- 最大10TOPS/WのAI電力効率を実現。
- 幅広いアプリケーションにAI性能のスケーラビリティ。
主な製品群
- RZ/V2H:DRP-AI3アクセラレータと高性能リアルタイムプロセッサを搭載したクアッドコアビジョンAIプロセッサ。
- RZ/V2L:3Dグラフィックスエンジンと汎用性の高い周辺機能搭載。
- RZ/V2M:4K/30fps対応の高性能なイメージシグナルプロセッサ(ISP)を搭載。
- RZ/V2MA:DRP-AIに加えOpenCVアクセラレータを追加し、様々な画像処理装置の付加価値向上を実現するビジョンAI向け。
アプリケーション
産業用ビジョンシステム、監視カメラや画像検査を利用したセキュリティーゲート、Vision AI ゲートウェイなどのアプリケーションに最適のプロセッサです。図1~図5 にアプリケーションの例を示します。
仕様概要
- RZ/V2L:ルネサス独自のAIアクセラレータ「DRP-AI」と1.2GHz Dualコア Arm Cortex-A55 CPU、3Dグラフィックス、ビデオコーデックエンジン搭載。
- RZ/V2MA:AIアクセラレータ「DRP-AI」に加え、AIに必要な画像処理も高速化するOpenCVアクセラレータを搭載し、組み込み機器におけるリアルタイムな物体認識を実現。
- RZ/V2M:ルネサス独自のAIアクセラレータ「DRP-AI」と4K対応イメージシグナルプロセッサ(ISP)を搭載。組み込み機器におけるリアルタイムな人・物体認識を実現するビジョンAI向け。
- RZ/V2H:DRP-AI3アクセラレータと高性能リアルタイムプロセッサを搭載したクアッドコアビジョンAI 対応。
ここで、特記すべき機能は10TOPS/Wを実現可能なルネサス独自のAIアクセラレータ「DRP(Dynamically Reconfigurable Processor)-AI」です。そこで、DRP-AIについて解説します。
DRP-AI
DRP-AIは、ローパワーと柔軟性を兼ね備えた AI 推論処理を高速に処理する AI アクセラレータです。柔軟性と処理性能は常にトレードオフの関係がありますが、DRP-AIは柔軟性と処理性能を両立させた「プログラム可能なハードウェア」です。
特長
- AI 推論専用ハードウエアアクセラレータ。
- HW(DRP-AI)と SW(DRP-AI トランスレータ)の 協調による高い電力効率を実現。
- DRP-AI トランスレータの継続的なアップデート により AI モデルの拡張が可能。
- 正規化やリサイズなど、AIに必要な前後処理をDRPで高速に処理可能。
DRP-AI は、AI-MAC と DRPにより構成されています。AI-MAC は内部スイッチでデータフローを最適化することにより、畳み込み層や全結合層の演算を効率的に処理します。DRP は画像の前処理や AI モデルの Pooling 層などの複雑な処理を、動的にハードウェアの構成を変更することで柔軟でかつ高速に処理します。
この2つのパーツを連携させることで、一貫した AI モデルを実行することができます。AI モデルの各処理は、DRP-AI TVMが自動的に AI-MAC と DRP に振り分けますので、ユーザーはハードウェアを意識することなく簡単に DRP-AI を使うことができます。
DRP-AI トランスレータは、多様な AI フレームワークに左右されない ONNX フォーマットをベースとした学習済モデルから、DRP-AI に最適化した実行ファイルを生成するツールです
ユーザーは ONNX 形式の AI モデルから DRP-AI のハードウェア構成を意識することなく自動的に最適化された AI モデルを DRP-AI に実装することが可能になります。そしてドライバーを通してコールするだけで簡単に高性能な AI モデルを実行できます。
RZ/V2H に搭載されているDRP-AI3は、非構造化プルーニング(剪定、枝刈り)をサポートするので、ノードとブランチの数を削減できます。さらにINT8の量子化にも対応し、モデル軽量化技術の枝刈りと併せ、トータルで10倍の電力性能(10TOPS/W)を実現可能です。
- INT8 量子化: 旧世代DRP-AI(FP16)に対し2倍の電力効率を実現。
- 枝刈り: 「枝刈り無し」と比べ最大5倍の電力効率により最大性能を実現。
RZ/Nシリーズ
RZ/Nシリーズにより、産業システム向け冗長ネットワーク技術やTSN、複数の産業ネットワークプロトコルを容易に実現することができます。また、ギガビットスイッチにより、ネットワークプロトコルに容易に接続が可能です。
その他、インダストリ4.0および産業向けIoT(Internet of Things) 用途に、リアルタイム通信をシームレスに提供することができ、PROFINET、 EtherNet/IP™、 EtherCAT®、 Modbus、 CC-Linkを含む主な産業通信プロトコルに対応が可能です。
特長
- 主要な産業イーサネットプロトコルをサポート。
- 様々なアプリケーションに対応できる、スケーラブルなデザイン。
- 大容量RAM内蔵で、BOM削減と省スペース化を実現。
- TSNとマルチプロプロトコル 産業イーサネット対応。
- ネットーワークコンパニオンチップとして既存システムに容易に接続可能。
主な製品群
RZ/Nシリーズは大きくRZ/N1とRZ/N2に分けられます。
(RZ/N1)
- RZ/N1D:5つのイーサネットポートと最新リダンダンシープロトコルに対応でPLCなど産業ネットワークのマスター機器に最適。
- RZ/N1S:大容量の内蔵RAMにより周辺部品の削減が可能なため小型PLCやHMIに最適。Renesas R-INエンジン搭載でゲートウェイやセンサーハブなど適応可能
- RZ/N1L:産業イーサネット通信用アクセラレータ(R-INエンジン)搭載、リアルタイム性が求められる産業ネットワークの通信部に最適。EtherCATとSercosⅢのスレーブ専用H/Wにより幅広いプロトコルの対応が可能。
(RZ/N2)
- RZ/N2L:TSNに対応した3ポートのGbit Etherスイッチ、EtherCATスレーブコントローラ、ホストI/Fなどを搭載。
RZ/N1
RZ/N1は、シングル~トリプルコア製品のRZ/N1D、RZ/N1S、RZ/N1Lです。コア構成の異なる製品で、様々なアプリケーションの異なる要求仕様をサポートします。
また、主要な産業イーサネットプロトコルをサポートしていますので、1つのデバイスで多様な通信プロトコルに対応した製品を実現できます。
RZ/N1のアプリケーション
RZ/N1を使用した産業ネットワークアプリケーション例を図12に示します。
また、マルチMACは、異なる2つの機能を並行して実現し、さらに2つの異なるネットワーク通信が可能です。マルチポート は、モニタリング目的で、ミラーリングにも利用できます。(図13)
さらに、図14のように、3つのポートをEtherCAT通信に使える為、EtherCAT / EtherCAT Pのブリッジにも使用できます。BECKHOFF製のHW IPが内蔵されており、他のEtherCATデバイスとの通信品質が保証されています。これにより予期しない通信トラブルを回避できます。
その他にも、大容量SRAMを内蔵することによりBOMとスペース削減が可能です。
RZ/N1SとRZ/N1Lには6MBのSRAMが内蔵されており、外付けメモリが必要ありません。これにより、BOMを削減し、PCBサイズを小さくすることができます。さらに、複雑な外部メモリとの接続設計を行う必要がありません。
RZ/N1S-196ピンとRZ/N1Lはピンコンパチ。ネットワーク専用設計から、ネットワーク+アプリケーション制御を追加した設計へ容易に移行できるようになっています。
RZ/N2
RZ/N2Lは、産業機器や装置に、ネットワーク機能を容易に付加できる産業イーサネット通信用プロセッサです。
「TSN」という時刻同期とスケジューリングの機能を持つネットワーク技術に対応する3ポートのGbit Ether Netスイッチや、EtherCATスレーブコントローラを搭載しており、EtherCAT、PROFINET RT/IRT、 EtherNet/IP™、 OPC UAなどの主要な産業イーサネット通信プロトコルに対応できます。イーサネットサブシステムの例を図16に示します。
また、RZ/N2Lは、外部のアプリケーション用ホストCPUとの接続用にホストインタフェースを搭載しており、既存のアプリケーションソフトウェアを大幅に変更することなく産業イーサネットに対応することが可能です。
RZ/Nシリーズの仕様概要
- RZ/N2L:400MHz Cortex-R52、密結合メモリ 256KB、システムRAM 1.5MB、TSNに対応した3ポートのGbit Etherスイッチ、EtherCATスレーブコントローラ、ホストI/Fなどを搭載。
- RZ/N1D:500MHz Cortex-A7 x2、125MHz Cortex-M3、システムRAM 2MB、産業イーサネット通信用アクセラレータ(R-INエンジン)、5ポートのイーサスイッチ、EtherCATスレーブコントローラなどを搭載。
- RZ/N1S:500MHz Cortex-A7、125MHz Cortex-M3、システムRAM 6MB、産業イーサネット通信用アクセラレータ(R-INエンジン)、3ポートのイーサスイッチ、EtherCATスレーブコントローラなどを搭載。
- RZ/N1L:125MHz Cortex-M3、システムRAM 6MB、産業イーサネット通信用アクセラレータ(R-INエンジン)、2ポートのイーサスイッチ、EtherCATスレーブコントローラなどを搭載。
RZ/Tシリーズ
リアルタイム制御 & 産業ネットワーク用 プロセッサとして、RZ/Tシリーズがあります。
特長
- オートメーション市場向け高性能システム、産業イーサネット通信含め、高性能・高速リアルタイム制御に対応。
- RZ/TシリーズとRZ/Nシリーズは、共通のソフトウェア環境を使用することで、スケーラブルな製品展開が可能。
- EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP™などのマルチプロトコル産業イーサネットや次世代TSNに対応。
- エンコーダインタフェースを搭載しており、各種エンコーダプロトコルに対応可能。
主な製品群
- RZ/T1:産業設備のリアルタイム制御とネットワーク化をワンチップで実現。
- RZ/T2M:ACサーボなどの産業機器に求められる高速処理や高リアルタイム応答性、産業イーサネット対応、機能安全などを実現する最上位リアルタイム制御向け。
- RZ/T2L:高速かつ高精度にリアルタイム制御が可能、EtherCAT通信に対応。
アプリケーション
最初の例はACサーボシステムです。RZ/T1とRZ/T2は、どちらも、ACサーボシステムに求められる高速処理や高リアルタイム応答性、産業イーサネット対応、機能安全などを実現することができます。
図19にRZ/T1を使った産業イーサネット対応のACサーボシステム構成例を示します。多くのACサーボシステムは産業イーサネット対応のため外付けの専用ASSPを使用するため、プロトコル毎にASSPや回路の変更が必要です。RZ/T1はEtherCAT、EtherNet/IP、PROFINETなどの複数のプロトコルに柔軟に対応するので、外付け専用ASSPを排し、基板面積削減・システムコスト低減することができます。
次は、ACサーボシステムのアブソリュートエンコーダの例です。多くのACサーボシステムではアブソリュートエンコーダに対応する際ASICやFPGAで構成されるため、複数のプロトコルが存在し、さらにプロトコル自体も進化するため対応が困難になります。しかし、RZ/T1とRZ/T2は、どちらも、リアルタイム制御とネットワーク化に柔軟に対応できます。図20にRZ/T1を使った例を示します。RZ/T1を使うと、コンフィグレーションデータの差し替えで多様なエンコーダプロトコルに対応可能なため、従来必要だったASICやFPGAを使わずに、システムの共通化・コスト低減を図ることができます。
RZ/T2は、モータ制御に最適化されたアーキテクチャで、かつ、CPUコア、TCMサイズ、TFU、PWMタイマの動作周波数などがRZ/T1から改良されているので、高速かつ高精度のモータ制御を実現できます。
さらに、先に記述したRZ/N2Lと同じH/Wアーキテクチャなので、互換性のあるシステム構成の構築が可能です。
RZ/T2を使ったマルチプロトコルエンコーダI/Fの例を図22に示します。RZ/T2では、各エンコーダプロトコルに対応したIPを搭載(RZ/T2LのFA-CODERは、SCIで実装)していますので、従来必要だったASICやFPGAは不要なります。
仕様概要
- RZ/T2M:800MHz Cortex-R52 x2 、密結合メモリ 576KB、共有RAM 2MB、TSNに対応した3ポートのGbit Etherスイッチなどを搭載。
- RZ/T1:600MHz Cortex-R4、150MHz Cortex-M3、密結合メモリ 544KB、拡張RAM1MB、産業イーサネット通信用アクセラレータ(R-INエンジン)などを搭載。
- RZ/T2L:800MHz Cortex-R52、密結合メモリ 576KB、内蔵RAM 1MB(with ECC)、EtherCATスレーブコントローラ、三角関数演算アクセラレータなどを搭載。
RZ/Gシリーズ(Linuxベースプロセッサ)
RZ/Gシリーズは、高度なグラフィックス、ビデオエンジン、高速インタフェースを備えたマルチコアのスケーラブルなプラットフォームです。このシリーズには1.0GHz RISC-V CPUコア(Andes AX45MP Single)、Gbit Ether Net2chを搭載したRZ/Fiveグループを含みます。
HMIアプリケーションの産業オートメーション、ビルディングオートメーションやIoTアプリケーションのセキュアホームゲートウェイ、産業ゲートウェイなどに最適です。
RZ/Gシリーズは、次の5つのグループに分けられます。
- RZ/G3S グループ
- RZ/G2H、M、N、E グループ
- RZ/G2L、LC、UL グループ
- RZ/FIVE グループ
- RZ/G1グループ
特長
- HMIシステム向けの機能を集約、それによる高機能化を実現。
- ピン互換性により基板設計の効率を向上、またソフトウェア互換性により開発効率を向上。
- 高い信頼性、 産業機器への対応可能。
- RZ/Fives グループは、Open Instruction Set Architecture(ISA) RISC-Vを採用。Arm、RISC-V間の移行を容易に実現可能。
主な製品群
- RZ/G3:64ビットArmコア、HMIアプリに加え、IoTエッジデバイスをターゲットに、低消費電力、高速インタフェース、セキュリティ機能を強化。
- RZ/G2:64ビットArmコア、高度なグラフィック機能と広帯域幅メモリインタフェース、64ビットマルチコアアーキテクチャ搭載。ユーザーのHMIシステム構築を強化・サポート。
- RZ/Five:64ビット1.0GHz RISC-V CPUコア(Andes AX45MP Single)、ギガビットイーサネット2chなどを搭載。
- RZ/G1:32ビットArmコア、 1GHz以上のArm Cortex-Aコア、3Dグラフィックスエンジン、フルハイビジョン(HD)ビデオエンジン、セキュアIP、およびPCIe、SATA、Gbit Etherなどの高速インタフェース、および産業分野の組み込み機器に必要なその他の周辺機能搭載
RZ/G3S グループ
RZ/G3グループは、IoTゲートウェイ機器向けに開発された64ビットプロセッサです。
最大の特長は、5G世代の無線モジュールとの高速接続を可能にするPCI Expressを搭載していることです。PCI Express Gen2に対応し5G世代の無線インフラでの通信を可能にします。
2つめの特長はスタンバイ時の低消費電力とLinuxの高速復帰です。独立した電源ドメインを使用して3つの電力モードで消費電力を最適化し、Linux アプリケーションを高速起動する為の DDR セルフリフレッシュをサポートしています。
さらに、改ざん検出などの強化されたセキュリティ機能を搭載しています。uWクラスの待機電力でRTC機能と改ざん検知を実現しました。そして、SecureBoot/TrustZone/SecureDebugをサポートしアプリケーションソフトを保護します。
これらの機能は、ホーム ゲートウェイ、スマート メーター、追跡デバイスなどの IoT アプリケーションに最適です。
RZ/G2H、M、N、E グループ
このグループの最大の特長は、HMIシステムの高機能化を実現したことです。Armv8-A 64bit CPUと強力なグラフィックエンジン、さらにフルHD対応の表示出力、カメラ入力、高速通信(ギガビット イーサ、PCIe、USB3.0)を搭載し、高い「コスト /性能バランス」を実現しています。
さらに、RZ/G2H、 G2M、 G2Nには、ピン互換性があり、同一基板上でのデバイス変更が容易で、DRAM I/Fを含む設計、検証負荷の大きな基板設計を効率化できます。このように、ピン互換性により製品展開の開発負荷を低減し、開発期間を短縮できるのも大きな特長です。
もうひとつの特長として、「高い信頼性、 産業機器への対応」が挙げられます。ミッションクリティカルなシステムに欠かせない、メモリの誤り検出・訂正(ECC)機能を搭載し、ソフトエラーを軽減または解消します。具体的には「ECC機能付き L1 and L2 cache」、「ECC機能付きDRAMインタフェース」、 「Gbit イーサネット、2ch CAN-FD」などです。
RZ/G2L、G2LC、G2UL グループ
このグループの最大の特長はHMIシステム向けの機能を集約したことです。産業機器向けのHMIシステムに求められる機能を1チップに集約しました。Cortex-A55を採用し、CPU性能をCortex-A53に比べて20%向上しました。そして、フルHD表示対応の出力、カメラ入力、Gbit Ether 2ch、CAN-FD 2chなどを搭載しています。
2つめの特長は、必要な周辺機能を搭載することでBOMコストを低減できることです。サブCPU に Cortex-M33を搭載し、周辺機能として12bit A-Dコンバータも搭載しています。さらに、RZ/G2L、 G2LC、G2UL向けに最適化された電源ICによりシンプルな電源システムを実現できます。これらは、BOMコストの削減だけでなく、部品点数の削減による調達リスクを低減することで開発、生産をサポートします。
一方、これらの製品は、ソフトウェア互換性およびピン互換性があるため、開発効率を向上し、基板設計の効率も向上します。
RZ/Five グループ
「RZ/Five」は、64ビットRISC-Vアーキテクチャを採用したエントリークラスの汎用Linux プロセッサです。RISC-Vアーキテクチャについては、 APS Academy RISC-V編を参照してください。
簡単に説明すると、オープンソースアーキテクチャで、だれでも自由に使用できるCPU IP技術です。複数IPベンダー(Andes、SiFive、IMG、T-HEADなど)によってサポートされています。
RZファミリにRISC-Vを採用することで、「SMARCモジュールベースの開発環境」や「パッケージピンの互換性をサポート」などのArmとRISC-Vの相互移行ソリューションが提供されます。
最大の特長は、Open Instruction Set Architecture(ISA) RISC-Vを採用した汎用プロセッサであることです。ISC-V ISA は、先に述べたように誰でも使用でき、複数の IP ベンダーによってサポートされるため、プロセッサの長期使用のリスクを軽減できます。
RISC-V に加え、IoTエッジ機器向け汎用プロセッサとしてGbit Ether Net 2ch、 CAN-FD 2ch、 USB2.0 2ch、A-Dコンバータ 2chを搭載しています。
そして、RZファミリの一員としてRISC-Vを採用することで、Arm、RISC-V間の移行を容易に実現できます。BSP (Board Support Package)はルネサスから提供され、Linux上のソフト開発は同一の開発環境、開発手順で行うことが可能です。
RZ/G1 グループ
高性能32ビットRZ/G1プロセッサは、1GHz以上のArm Cortex-Aコア、3Dグラフィックスエンジン、フルハイビジョン(HD)ビデオエンジン、セキュアIP、およびPCIe、SATA、Gbit Etherなどの高速インタフェース、および産業分野の組み込み機器に必要なその他の周辺機能が搭載されています。
アプリケーション
図33にRZ/G3Sを使ったセキュリティのアプリケーション例を示します。
図34には、2画面表示出力 (4K + HD)、カメラ入力など高速メモリLPDDR4、高速通信I/F(PCIe、 USB3.0、 Gbit Ether)への対応HMIシステム向けのアプリケーション例を示します。対象プロセッサは、RZ/G2H、M、Nです。
図35は、ゲートウェイ・システムのアプリケーション例です。対象製品はRZ/G2L、LC、ULとRZ/Fiveです。
仕様概要
- RZ/G3:1.1GHz SingleコアArm Cortex-A55 CPU、250MHz DualコアArm Cortex-M33 CPU搭載、低消費電力モードとPCIe対応の汎用プロセッサ。
- RZ/G2:1.2GHz DualコアArm Cortex-A55 CPU、200MHz SingleコアArm Cortex-M33 CPUなどを搭載。3Dグラフィックス、ビデオコーデックエンジン搭載の汎用プロセッサ。
- RZ/Five:1.0GHz RISC-V CPUコア(Andes AX45MP Single)、Gbit Ether Net2chなどを搭載の汎用プロセッサ。
- RZ/G1:クアッドコアCortex-A15(1.4 GHz)およびクアッドコアCortex-A7(780 MHz)CPUや1.5GHz(Arm Cortex-A15)デュアルコアCPUなどを搭載。3Dグラフィックスエンジン、フルハイビジョン(HD)ビデオエンジン、セキュアIPなどを搭載の汎用プロセッサ。
「第5回:RZファミリの紹介」は、以上です。RZファミリの具体的な製品と、その特長および最適なアプリケーションが分かったと思います。
これで「ルネサスRZファミリ入門講座」は終わりです。最初の課題であった「マイコンとマイクロプロセッサ・RZファミリの違いを習得する。」、「マイクロプロセッサ・RZファミリの機能と性能を理解する。」、「マイクロプロセッサ・RZファミリの使い方を理解する。」を習得することができたと思います。