Chiptip、FPGA運用を革新する「vFPGA Orchestrator」を提供開始
Chiptip Technology株式会社は、FPGA（Field-Programmable Gate Array）のデータセンター規模での運用における課題を解決するプラットフォームソフトウェア「vFPGA Orchestrator™」の提供を開始しました。このソフトウェアは、FPGAをKubernetes（クバネティス）の管理下に置き、さらにホストCPUを介さずにネットワークへ直結させることで、FPGAクラウドの構築・運用を効率化します。
FPGA運用の二つの壁
FPGAをデータセンター規模で利用する際には、主に二つの課題が存在しました。
一つ目は「運用」の壁です。FPGAはクラウドの標準的な管理システムに対応していなかったため、回路の配布、稼働状態の監視、入れ替えといった仕組みを自前で構築・維持する必要がありました。これは台数が増えるほど大きな負担となります。
二つ目は「性能」の壁です。従来の構成では、FPGAがホストCPUを経由してデータをやり取りするため、FPGA自体の処理速度が速くても、CPUがボトルネックとなり性能を最大限に引き出せないという問題がありました。
Chiptip Technology株式会社は、これらの課題を解決するためにvFPGA Orchestratorを開発しました。
vFPGA Orchestratorとは
vFPGA Orchestratorは、FPGAをKubernetesの管理下で運用できるようにするソフトウェアです。
Kubernetesとは
Kubernetesは、データセンターにおいて「どの処理をどのサーバーに任せるか」を自動的に決定するソフトウェアです。数万台規模のサーバーを管理できる管制塔のような役割を担い、クラウド上のほとんどのソフトウェアがこの上で動作しています。台数の増減、エラー処理の再起動、新しいバージョンへのアップデートといった作業を、設備の規模に関わらず一貫した手順で行えるのが大きな利点です。
これまでKubernetesが扱える対象は、CPUとメモリを持つサーバー、およびその上で動作するコンテナ（アプリケーションを実行環境ごとパッケージ化したもの）に限定されていました。Chiptipは、FPGAをこのKubernetesが直接指示できる計算資源として扱えるように作り込みました。
vFPGAとは
vFPGAとは、Kubernetesから一つの計算資源として認識されるFPGAの単位です。Kubernetesがコンテナを配置するのと同じ操作で、vFPGAを確保し、そこに回路を載せたり入れ替えたりすることができます。これにより、FPGAがサーバーと同様に割り当てて増やせる計算資源として運用可能になります。
従来のFPGAクラウドが抱えていた二つの理由
FPGAをクラウドで提供するサービスは既に存在し、大規模なアプリケーションも動作していますが、サーバーを借りるような手軽さで利用されているとは言えませんでした。これには主に二つの理由があります。
理由1：クラウドの標準的な運用系に乗っていなかった
FPGAはKubernetesの管理対象ではなかったため、FPGA専用の管理システムを別途用意する必要がありました。これにより、運用側から見ると、慣れた手順が通用しない特別な設備が増えることになり、台数を増やすほど自前の仕組みを維持する手間が積み重なっていきました。
理由2：データパスがホストCPUに縛られていた
従来の構成では、FPGAはホストCPUを経由してデータを受け取っていました。FPGA自体がどれほど高速であっても、手前のCPUがボトルネックとなり、その性能を十分に発揮できないという制約がありました。この制約のため、FPGAによる高速化が採算に合うワークロードは限られていました。
Chiptipが取り組んだのは、デバイスの物理的な性能そのものではなく、この「運用系」と「データの届け方」という二点です。これらを解決することで、FPGAが特定の用途に限定された特殊な設備ではなく、クラウドの一般的な計算資源として利用されることを目指しています。
vFPGA Orchestratorで実現できること
vFPGA Orchestratorは、前述の課題を解決し、FPGAの利用範囲を大きく広げます。
クラウドと同じ運用系で動かせる
配置、監視、入れ替えといった一連の作業を、コンテナの運用と同じ手順とツールで行うことができます。これにより、FPGA専用の管理基盤を自社で開発・運用する必要がなくなります。
ホストを経由せず、ネットワークに直結する
Chiptipは、FPGAをネットワークへ直接接続する構成を「ネットワークFPGA」と呼んでいます。この構成により、CPUホップ分の遅延がなくなり、CPUが性能のボトルネックになることがなくなります。
この機能は、単に速度が向上するだけでなく、適用できるワークロードの範囲を拡大する効果があります。従来はCPUが供給できる範囲でしか効果が得られなかったため、FPGAを使う価値がある処理は限定的でした。ボトルネックが解消されることで、これまで採算が合わなかった処理もFPGAで引き受けられるようになります。また、ホスト側のサーバーを必要としないため、ノード単価が下がり、必要な台数だけ増やせる計算基盤を低コストで構築できます。
ASICプロトタイピング環境になる
vFPGA Orchestratorは、自社ASIC（特定用途向け集積回路）開発の前段階における検証環境としても活用できます。回路が設計通りに動作するかを確認するだけでなく、vFPGA Orchestrator上で実サービスとして動かすことで、利用者に実際に使ってもらいながら、どの機能が本当に必要とされるかを市場の反応から確かめることが可能です。ASICは一度製造すると後から修正が困難であるため、仕様を確定する前に市場の答えを知ることは、数年と多額の投資を成功させる上で非常に重要です。
ASICへ移行しても運用系が切れない
FPGAでの実証を経てASICへ移行した後も、同じプラットフォームを継続して使用できます。Kubernetesによる運用システムは移行前後で変わらないため、FPGA運用で培ったノウハウをそのまま引き継ぐことができます。これにより、基盤となるハードウェアが変わっても運用が途切れることはありません。
これらの仕組みは、EmotionXが自社の秘密計算サービスのために構築したFPGAクラウドを、将来的に第三者にも開放することを可能にします。自社サービスのために導入した設備が、そのまま外部に提供できる計算資源となる可能性を秘めています。
vFPGA Orchestratorの基礎となる技術については、Chiptip Technology株式会社が特許を取得しています（特許第7611613号「情報処理システム、情報処理装置、サーバ装置、プログラム、リコンフィギャラブルデバイス、又は方法」）。
最初の適用先が秘密計算である理由
vFPGA Orchestratorを最初に採用したのは、キオクシアの研究開発成果を基に設立されたディープテック企業、EmotionX株式会社です。EmotionXは、完全準同型暗号（FHE）を中核とし、預けたデータの内容が事業者にも見えない暗号計算インフラの実現を目指しています。この技術を実用的な速度で動作させるため、FPGAによる高速化を進めており、その計算基盤の運用にvFPGA Orchestratorが活用されています。
EmotionXは、FPGAで開発した回路をASIC化してさらなる性能向上を目指す研究開発を進める一方で、ソフトウェア・アプリケーションを含めた社会実装を最優先に考えています。開発した回路を大規模なFPGA基盤上で商用化したいというニーズに対し、vFPGA Orchestratorが応えました。
完全準同型暗号（FHE）は、平文での計算と比較して計算量が桁違いに多くなる特性があり、専用回路による高速化が実用化の前提条件となる領域です。このことから、秘密計算はvFPGA Orchestratorのような基盤にとって最も厳しい条件の相手と言えます。そこで確立された技術は、他の用途でも十分に通用すると考えられます。
vFPGA Orchestratorの仕組みには秘密計算に固有の要素はありません。開発したハードウェア技術を、ASICの製造にかかる数年と数十億〜数百億円の費用を待たずに市場に投入したいというニーズは、暗号処理、5G/6Gの通信設備、耐量子暗号（PQC）、ネットワークセキュリティ機器など、多くの分野に共通しています。
半導体開発の二つの壁とChiptipの目指すもの
ASIC開発のコストは、微細化の進展に伴い膨大になり続けており、最先端プロセスでは一つの製品あたり1000億円規模に達することもあります。また、設計開始から完成までに数年を要する時間の壁も存在し、その間にクラウドの世界は何度も変化します。
これらのコストと時間の壁により、半導体開発は資金力のある巨大企業のみが挑戦できる領域となっていました。新しい発想を持つスタートアップは、アイデアの優劣ではなく資金の量で機会を失うことがありました。Chiptipは、書き換え可能なハードウェアとクラウドの運用技術を組み合わせることで、この現状を変えようとしています。
今後の展望
Chiptipは今後、データセンター規模でのFPGA運用に向けてvFPGA Orchestratorの実証を進めていきます。同じFPGA群を複数の用途で使い回すことで、設備が稼働していない時間を減らし、計算一回あたりのコストを低減することを目指します。
代表コメント
Chiptip Technology株式会社 代表取締役CEOの福田エリック氏は、「チップ開発は、これまで限られた企業の特権でした。私たちはそれを変えます。暗号を解かずに計算するという、社会的な意義が大きく、しかも計算量の面で極めて厳しい技術に正面から取り組むEmotionXと協業できることを、大変光栄に思います。資金力の限られるスタートアップでも、書き換えられるハードウェアとクラウドの運用技術を組み合わせれば、世界を変えるハードウェアに挑める。その可能性を、実際に動くプロダクトとして示せたことに大きな手応えを感じています。秘密計算は出発点です。専用のハードウェアが必要なのに、ASICを作る時間も資金もない。この悩みはあらゆる計算分野に共通しています。どれだけ資金を持っているかではなく、どれだけ面白いアイデアを持っているかで勝負が決まる。そういう世界を、データセンター規模で実現していきます。」と述べています。
EmotionX株式会社 代表取締役CEOの吉水康人氏は、「従来、FPGAはプロトタイプのための計算基盤でした。専用半導体の開発が微細化とともに高度化するなか、FPGAが商用の計算基盤としても担える領域は広がっています。FPGAで実用のサービスを立ち上げ、必要に応じて専用半導体へ進む——その両方を同じ運用の上で回せる未来を、Chiptipとともに描いてきました。ホイッスルをひと吹きすれば、FPGAが一斉に動き出す。Chiptipのロゴが表すとおりのvFPGA Orchestratorによって、FPGA計算機の台数に応じて暗号計算の性能を伸ばせるようになりました。今後、データセンターにFPGA計算基盤を拡張し、計算ニーズに合わせて先端半導体の設計開発を進めていきます。また、FPGA計算資源を他者に多目的に開放し、有用に利活用していただくことも検討します。」とコメントしています。
FPGAクラウドの構築・運用をご検討中の方へ
Chiptipは、FPGAクラウドを構築・運用する事業者向けにvFPGA Orchestratorを提供しています。以下の項目に該当する方は、お問い合わせをご検討ください。
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FPGAを数十台以上の規模で運用しており、管理システムの自社開発に負担を感じている
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ホストCPUがボトルネックとなり、FPGAの性能を十分に引き出せていない
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ASIC開発を検討しており、その前段階で実サービスとして要件を確認したい
技術情報
https://chiptip.tech/technologies/
お問い合わせ
https://chiptip.tech/contact/
info@chiptip.tech
用語解説
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Kubernetes（クバネティス）: クラウドのデータセンターで、どの処理をどのサーバーに任せるかを自動的に決めるソフトウェア。世界中のクラウド事業者が標準的に利用しています。
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コンテナ: アプリケーションを実行環境ごとパッケージ化し、どのサーバーでも同じように動作するようにしたものです。Kubernetesが管理する基本的な単位となります。
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vFPGA: Kubernetesから一つの計算資源として扱えるようにしたFPGAの単位です。コンテナを配置するのと同じ操作で確保し、回路を載せ替えることができます。
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秘密計算: データを暗号化したまま計算する技術です。データを預けた側にもその中身が見えないように処理を進めます。今回EmotionXが利用しているのは、完全準同型暗号（FHE）と呼ばれる方式です。
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完全準同型暗号（FHE）: 秘密計算を実現する方式の一つで、暗号化されたデータを復号せずに、四則演算を含む任意の演算を行うことができます。演算の種類に制限がないことから「完全」と呼ばれています。平文での計算に比べて計算量が桁違いに大きいため、実用化には専用ハードウェアによる高速化が前提となります。
会社概要
Chiptip Technology株式会社
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所在地: 東京都港区六本木7丁目3番2号 ラポール乃木坂305号
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代表者: 代表取締役CEO 福田エリック
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事業内容: FPGAクラウドを構築・運用するためのプラットフォームソフトウェア「vFPGA Orchestrator」の開発・提供。半導体開発を民主化し、予算の大きさではなくアイデアの大きさが未来のコンピューティングを切り拓く世界を目指しています。
EmotionX株式会社
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所在地: 東京都港区芝浦3丁目1-21 田町ステーションタワーS
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代表者: 代表取締役CEO 吉水康人
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事業内容: キオクシアからカーブアウトして設立されたスタートアップ企業です。完全準同型暗号（FHE）の高速処理技術を核に、準同型暗号計算のクラウド基盤と専用ハードウェアを開発し、防衛・宇宙・金融・ライフサイエンス・半導体など幅広い領域で、安全かつ効率的なデータ活用の実現を目指しています。
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