PLA(ピーエルエー)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

PLAはProgrammable Logic Array（プログラマブル・ロジック・アレイ）の略称であり、その名の通り、ユーザーがプログラム可能な論理回路を内蔵した集積回路の一つである。特定の機能を持つカスタムロジック回路を、汎用のデジタルICで構成する代わりに、一つのチップ上にまとめて実現するために開発された。これにより、システム設計者は、必要な論理機能をハードウェアで柔軟に定義し、実装することが可能になった。初期のプログラマブル・ロジック・デバイス（PLD）の一種であり、デジタル回路設計において、設計の柔軟性と開発期間の短縮に大きく貢献した技術である。マイクロプロセッサのような汎用的なチップとは異なり、PLAは特定の組み合わせ論理回路や順序論理回路の機能をユーザーが自由に「書き込む」ことができる点が特徴である。

PLAは、本質的にブール代数に基づいた任意の組み合わせ論理関数を実現するために設計されている。その基本的な構造は、主に二つの大規模なアレイ（配列）から構成される。一つは「ANDアレイ」、もう一つは「ORアレイ」と呼ばれる。

ANDアレイは、入力信号とその反転信号（NOTゲートを通したもの）を受け取り、それらの論理積（AND演算）を生成する。この論理積の結果は「積項（Product Term）」と呼ばれる。ANDアレイ内部では、入力ラインと積項ラインの交差点に、ヒューズやアンチヒューズといったプログラム可能な接続点が存在する。設計者は、この接続点を選択的に「オン」または「オフ」にすることで、どの入力信号がどの積項の生成に関与するかを定義できる。例えば、A、B、Cという入力がある場合、ANDアレイはA AND B、NOT A AND C、B AND Cといった任意の積項を生成するようにプログラムできる。このANDアレイは「プログラマブルANDアレイ」とも呼ばれる。

次に、ORアレイはANDアレイによって生成された複数の積項を受け取り、それらの論理和（OR演算）を生成する。この論理和の結果が、PLAの最終的な出力となる。ORアレイもまた、積項ラインと出力ラインの交差点にプログラム可能な接続点を持つ。これにより、設計者はどの積項を組み合わせることで、特定の出力が生成されるかを自由に定義できる。例えば、前述の積項を用いて、(A AND B) OR (NOT A AND C) のような複雑な論理関数を形成することが可能である。このORアレイは「プログラマブルORアレイ」とも呼ばれる。

PLAの最大の特徴は、このANDアレイとORアレイの両方がプログラム可能である点にある。これにより、非常に広範囲な論理関数を柔軟に実装できる。このAND-ORの二層構造は、ブール代数における「積和標準形」（Sum of Products, SOP）と呼ばれる任意の論理関数を表現するための基本的な形式を直接的にハードウェアで実現している。

PLAがシステム設計において提供する利点は多岐にわたる。まず、複数の標準的な論理ゲートICを組み合わせて複雑な回路を構成する代わりに、単一のPLAチップでその機能を代替できるため、部品点数を削減し、基板面積を縮小できる。これにより、システムの信頼性が向上し、製造コストも削減される。また、設計変更が生じた場合でも、配線を物理的に変更するのではなく、PLAのプログラミングデータ（コンフィギュレーションデータ）を書き換えるだけで対応できるため、開発期間の大幅な短縮につながる。特に、プロトタイプの開発や少量のカスタム製品の生産において、その柔軟性が重宝された。

しかし、PLAにもいくつかの制約があった。初期のPLAは、プログラム可能な接続点の数が限られていたため、非常に大規模で複雑な回路の実装には不向きだった。また、ANDアレイとORアレイの両方がプログラム可能であるために、チップの面積効率があまり良くなく、信号の伝搬遅延も大きくなる傾向があった。一度プログラムされると、その構成は固定される「ワンタイム・プログラマブル（OTP）」な製品も多く、再利用性には限りがあった。

歴史的に見ると、PLAはプログラマブル・ロジック・デバイス（PLD）の初期の形態として登場し、その後、PAL（Programmable Array Logic）へと進化する。PALはANDアレイのみがプログラム可能で、ORアレイは固定であるという違いがあり、PLAよりも構造が単純で高速化、低コスト化が図られた。さらにその後、PLAやPALの概念を発展させ、より大規模で複雑な回路を実装可能にしたCPLD（Complex PLD）やFPGA（Field-Programmable Gate Array）といったデバイスが登場し、今日のデジタル回路設計の主流となっている。現代では、個別のPLAチップが単体で広く使われることは少なくなったが、そのAND-ORアレイの概念は、CPLDやFPGA内部のロジックブロックの基本的な構成要素として受け継がれており、デジタル回路設計の基礎知識として非常に重要である。システムエンジニアを目指す上で、PLAの原理を理解することは、現代のプログラマブルデバイスがどのように動作しているか、その根幹を理解するための第一歩となる。