RTL設計の全体像

1. この記事で学べること

RTL（Register Transfer Level）設計とは何か
RTLが担う役割と、LSI/FPGA 開発フローにおける位置づけ
クロック、レジスタ、組み合わせ回路といった基本概念
実務での利用シーン（仕様化、設計、検証、合成との関係）
初学者がつまずきやすいポイントと注意点
関連する専門用語の体系的な整理

2. 概要（全体像）

RTL設計（Register Transfer Level 設計）は、デジタル回路の動作を「クロックに同期したレジスタ間のデータ転送」として記述する設計手法です。
Verilog HDL や VHDL といったハードウェア記述言語（HDL）を用いて、回路の構造と動作を抽象化しつつ、論理合成可能なレベルで表現することが特徴です。

LSI/FPGA の設計フローでは、RTLは次のような「中心的な中間成果物」として機能します。

上流：アーキテクチャ設計・仕様書
中流：RTL設計・RTL検証
下流：論理合成 → 物理設計 → テープアウト

つまり RTL は、仕様と実装をつなぐ“橋渡し”であり、設計品質・性能・消費電力を大きく左右する重要な工程です。

3. なぜ重要なのか（背景・目的）

背景

半導体の高性能化・低消費電力化が進む中で、回路規模は増大し、設計の抽象度を上げる必要が生じました。RTLは、ゲートレベルほど詳細すぎず、アルゴリズム記述ほど抽象的すぎない絶妙なレベルとして確立されました。

目的

論理合成可能な形で回路を記述すること
仕様を正確に実装へ落とし込むこと
検証しやすい構造を作ること
性能（タイミング）、面積、消費電力の見通しを立てること

4. 基本概念の整理

クロック（Clock）

定義：回路の動作タイミングを決める基準信号。
例：100 MHz のクロック → 10 ns ごとに回路が状態更新。
実務での意味：

パイプライン段数、レイテンシ、スループットを決定
タイミング制約（SDC）と密接に関係

レジスタ（Register）

定義：クロックに同期してデータを保持する順序回路。
例：always @(posedge clk) で記述されるフリップフロップ。
実務での意味：

データの境界（タイミングパスの始点/終点）を形成
パイプライン化や遅延調整の基本要素

組み合わせ回路（Combinational Logic）

定義：入力が決まれば出力が一意に決まる回路。
例：加算器、比較器、MUX。
実務での意味：

レジスタ間の処理を担う
過剰な組み合わせ遅延はタイミング違反の原因

RTL（Register Transfer Level）

定義：レジスタ間のデータ転送と組み合わせ処理を記述する抽象レベル。
例：

always @(posedge clk) begin
    acc <= acc + in_data;
end

実務での意味：

合成可能な HDL コードとして実装される
検証（シミュレーション）と合成の両方で解釈される中心的成果物

HDL（Hardware Description Language）

定義：ハードウェアの構造・動作を記述する言語。
例：Verilog、SystemVerilog、VHDL。
実務での意味：

RTL設計の主要な表現手段
検証環境（SystemVerilog/UVM）とも連携

5. 実務での具体的な利用シーン

仕様書からの機能分解

入力・出力・状態遷移・演算内容を整理
ブロック図やステートマシンを作成

RTLコーディング

クロックドメインの整理
レジスタ配置（パイプライン設計）
合成可能な記述ルールの遵守

RTLシミュレーション（機能検証）

テストベンチを用いて動作確認
波形解析によるデバッグ

論理合成との連携

RTLの記述が面積・タイミングに直結
SDC 制約と整合性を取る必要

6. 誤解しやすい点・注意点

HDLで書けばすべてハードウェアになるわけではない
→ 合成可能記述と非合成記述の区別が重要
シミュレーションで動いても、実チップで動くとは限らない
→ タイミング、CDC、初期値、非同期リセットなどの考慮が必要
抽象度が高すぎると合成結果が予測不能になる
→ 実装を意識した RTL 記述が求められる
レジスタ挿入は性能と面積のトレードオフ
→ パイプライン設計はアーキテクチャと密接に関係

7. RTL設計フロー

flowchart LR A[仕様書 / アーキテクチャ] --> B[RTL設計] B --> C[RTL検証] C --> D[論理合成] D --> E[物理設計] E --> F[テープアウト] %% コメント: RTLは設計フローの中心に位置し、上流と下流をつなぐ

8. 関連する専門用語の整理

用語	定義	実務での意味
RTL	レジスタ間のデータ転送を記述する抽象レベル	合成可能な設計の中心成果物
HDL	ハードウェア記述言語	RTL実装・検証の基盤
クロック	回路動作の基準信号	タイミング設計の根幹
レジスタ	データを保持する順序回路	パイプライン境界の形成
組み合わせ回路	入力で出力が決まる回路	レジスタ間の処理を担当
論理合成	RTLをゲートレベルに変換	面積・性能・消費電力に直結