拓海先生、最近のチーム会議で「VerilogをAIで自動生成する」と聞いて驚いたのですが、そもそもVerilogって何なんでしょうか。ウチの現場で本当に役立つんですか。
素晴らしい着眼点ですね！Verilogはハードウェア記述言語で、電子回路の設計図のようなものです。要するに人が回路の設計を書く代わりにAIがコードを書く、という技術ですから、設計ミスの減少や迅速なプロトタイピングに役立つんですよ。
なるほど。しかし現場では文法エラーや動かない回路が怖いです。AIが書いたものをどうやってチェックするんですか。投資対効果が見えないと決められません。
大丈夫、一緒にやれば必ずできますよ。要点は三つです。第一に文法チェック（syntax checker）で基本的な誤りを潰す。第二にシミュレーション（simulator）で期待どおり動くか検証する。第三に波形を遡って原因を辿る仕組みで機能的な不具合を特定する。これらをAIエージェントが協調して行うのが今回の核心です。
AIエージェントが協力する、ですか。それは要するに複数の専門家が分担して設計をチェックするようなものと考えればよいですか。
その通りです！まさに専門分野ごとの担当者が共同で最終的な設計を作るイメージです。ここではそれぞれのAIが役割を持ち、計画立案、コード生成、文法修正、シミュレーション、波形の追跡という仕事を分担します。
計画立案というのは具体的にどういうものですか。現場エンジニアが書く設計書をAIがそのまま真似するだけではないのでしょうか。
良い質問です。ここではTask and Circuit Relation Graph（TCRG）という手法で、要求仕様からモジュールごとのサブタスクとその信号関係を図にして計画を作ります。つまり設計書を読み解き、実際の作業ステップに落とし込むプロジェクトマネージャーのような役割です。
信号の追跡というのも気になります。実際に不具合が出たときに、どこをどう直せばよいか分かるんでしょうか。
はい。Abstract Syntax Tree（AST）ベースのWaveform Tracing Tool（AST-WT）という方法で、シミュレーションで期待と違う波形が出た信号をAST構造上で遡ります。これは不具合の根本原因をソースレベルで特定する探偵のような作業で、修正箇所の候補をAIが示せるのです。
それは現場ではかなり使えそうです。ただ、導入コストや教育の手間が心配でして。投資対効果の考え方を教えていただけますか。
良い視点です。要点を三つに整理します。一つ目は時間削減効果、二つ目は設計ミス低減による再設計コストの削減、三つ目はエンジニアの付加価値向上です。短期的にはPoC（概念実証）で主要モジュールを対象に効果を測ると、導入リスクを低く抑えられますよ。
分かりました。これって要するに、AIに任せる部分を段階的に増やして効果を見ながら投資を決めるのが得策、ということですね。
その通りですよ。段階的導入でROIを見える化し、成功体験を作るのが現実的な進め方です。最初は手戻りが少ないテストベンチや小さなサブモジュールから始めるのがおすすめです。
分かりました。では最後に私の言葉で確認します。要は、AIが計画を立て、コードを書き、文法と動作をチェックして、波形を遡って原因を示す。段階的に導入して効果を測りながら投資を判断する、という理解でよろしいですね。
素晴らしいまとめです！まさにそのとおりですよ。大丈夫、一緒に進めれば必ずできますよ。
1. 概要と位置づけ
結論から述べると、本研究はハードウェア記述言語であるVerilog自動生成の実用性を大きく前進させた点が最も重要である。Verilogはデジタル回路の設計を記述する言語であり、Syn-tax（文法）レベルだけでなく、実機に近いシミュレーションでの機能的正しさまでをAIで担保できるようにした点が革新的である。本稿は複数のAIエージェントに役割を分担させ、計画立案からコード生成、文法チェック、シミュレーション、波形追跡までを自律的に回す仕組みを提案する。これは単にコードを書くだけの生成ではなく、設計工程の一部を自動化してエラー検出と修正まで行える点で、従来のアプローチよりも運用上の価値が高い。特に中小の組込み系・半導体設計部門にとって、設計ミス削減と開発期間短縮という観点で採用の検討に値する。
基礎的な位置づけとして、本研究は自動コード生成の研究領域とハードウェア検証ツール群を融合させた点で異なる。従来は大規模言語モデル（Large Language Model, LLM）を用いて記述文からコードを生成する試みがあったが、機能的誤りの修正や波形レベルでの追跡は十分ではなかった。本研究はTask and Circuit Relation Graph（TCRG）で計画を立て、ASTベースのWaveform Tracing Toolで波形の根因をソース構造から遡る実装を行っている。そのため、単なるコード補助ツールではなく、設計から検証までの統合ワークフローを目指している点が位置づけの肝である。
実務的な意味合いでは、設計品質の向上と人的ミスの低減が期待できる。設計者の経験によらない自動化は、属人化リスクを軽減し、設計レビューの効率化をもたらす。さらに、AIによる計画生成は設計作業を小さなタスクに分解するため、設計プロセスの可視化にも寄与する。これらは経営判断に直接結びつく効果であり、投資対効果の評価がしやすくなる利点を持つ。
最後に、現場導入に当たっては段階的なPoC（概念実証）を推奨する。全体を一度に自動化するよりも、テストベンチや小さなモジュールで効果を確認し、成功事例を積み上げることが実務上現実的である。これにより教育コストと運用リスクを抑えながら、導入効果を明確にできる。
2. 先行研究との差別化ポイント
本研究が先行研究と最も異なるのは、複数のAIエージェントによる協働フローの実装である。これまでは単一モデルが仕様文からコードを生成するアプローチが主流であったが、単体では文法的な修正や動作の保証が弱いという課題があった。本研究は計画担当、コード生成担当、文法チェック担当、シミュレーション担当、波形追跡担当という役割分担を定義し、各エージェントが連携することで精度と信頼性を高めている点で差別化される。
TCRG（Task and Circuit Relation Graph）という計画手法も差別化要素である。これは設計仕様からタスクと回路要素の関係をグラフとして抽出し、実施すべきサブタスクを明示するものである。先行研究の単純な逐次生成に比べ、作業の順序や依存関係を意識して計画を生成するため、生成されるコードの整合性が向上する利点がある。プロジェクト管理の観点で言えば、AIが小さな作業単位まで落とし込むことで進捗管理や責任分担が明確になる。
さらにAST（Abstract Syntax Tree、抽象構文木）を用いた波形追跡（AST-WT）も独自性が高い。シミュレーションで得られた期待と異なる波形を、生成コードの構文構造に遡って原因信号を抽出する手法は、従来の波形比較だけでは見落とされがちな根本原因特定に強みを発揮する。これによりAIは単なる修正候補の提示に留まらず、修正根拠を伴ったフィードバックを生成できる。
以上により、本研究は生成精度と修正能力の両立、そして設計プロセスの可視化を同時に達成している点で、既存研究との差別化が明確である。これらは特に実務導入時の信頼性評価に直結する強みである。
3. 中核となる技術的要素
本システムの中核は三つの技術要素である。第一にTask and Circuit Relation Graph（TCRG）で、これは要件記述からモジュールごとのタスクと信号関係を抽出する計画生成器である。TCRGは設計作業を細分化し、依存関係に基づく実行順序を決める点でプロジェクトマネジメント的役割を果たす。第二に複数AIエージェントの協調アーキテクチャである。各エージェントは生成・修正・検証という異なる機能を持ち、Thought-Action-Observationのサイクルで情報をやり取りしながら最終成果物を改善する。
第三の要素がAST（Abstract Syntax Tree、抽象構文木）ベースのWaveform Tracing Tool（AST-WT）である。これは生成されたVerilogモジュールのASTを抽出し、シミュレーションの不一致信号からAST上を遡って関連する右辺値（RVALUE）信号を特定する。RVALUEとは代入の右辺に現れる信号値であり、波形の生成源を辿る上で重要なキーである。この仕組みにより、問題のあるコード箇所をソース構造的に示せる。
具体的な実装技術としては、Pyverilogなどの解析ライブラリでASTを扱い、シミュレータから得た波形（VCD: Value Change Dump）を参照して対応づけを行う。AIは動的にバックトレースレベルを決定し、必要な深さまでASTを遡って原因信号を抽出する。これにより、単なる表面的な出力比較を超えた根本原因分析が可能となる。
要するに、計画生成の精度、担当エージェントの協調、ASTベースの波形追跡という三要素が統合されることで、単独のコード生成よりも実務的に使える成果を出せるようになっているのだ。
4. 有効性の検証方法と成果
検証はVerilogEval-Human v2ベンチマークを用いて行われており、ここで提案手法は94.2%の文法・機能両面での成功率を示したと報告されている。これは従来手法に比べて33.9ポイントの改善であり、単なる数値の向上に留まらず、実動作に近い環境での有効性を示している。検証では自動生成→文法チェック→シミュレーション→波形追跡というフローを繰り返し、AIが自律的に修正を行う様子を観察した。
ベンチマークは設計課題ごとに期待波形が定められており、出力波形が一致するかどうかで機能的成功を判定する。ここでAST-WTの導入により、機能的な失敗からの復旧が容易になり、修正ループの回数が減少したことが報告されている。さらに、TCRGベースの計画は生成コードの一貫性を高め、モジュール間の信号整合性の問題を事前に低減する効果があった。
実験は定量的評価に加え、アブレーション研究（要素除去実験）も行われ、各コンポーネントの寄与が明確に示された。AST-WTを外すと機能成功率が顕著に下がり、TCRGを外すと計画品質と生成の安定性が悪化する傾向が観察された。これにより各要素の有効性が相互に補強し合う構造であることが確認された。
以上の結果から、本手法は研究ベンチマーク上で高い実用性を示しており、現場適用に向けた第一歩として十分に説得力のある成果を示している。だが、実運用では設計規模や特殊なIPの扱いなど追加の課題が存在するため、次節で議論する。
5. 研究を巡る議論と課題
本研究は高い成功率を示す一方で、いくつかの議論点と課題が残る。第一にデータセットや設計ドメインの偏りである。ベンチマークは代表的な課題を含むが、現実の製品設計には企業固有のコーディング規約や専用IPがあるため、それらを扱うための学習データとフィードバックループが必要である。第二にAIの説明責任である。AIが修正候補を提示しても、最終的な承認は人間が行う必要があり、修正理由の明示とトレーサビリティが求められる。
第三に安全性と信頼性の確保である。特にハードウェア設計では小さなミスが重大な不具合につながるため、AI出力に対する厳格な検証プロセスの整備が必須である。ここでASTベースの波形追跡は有効だが、すべてのケースで根因を一意に特定できるとは限らない。複雑なクロックドメインや非同期回路では解析が難しく、追加の専門家ルールが必要となる。
第四に運用コストと教育である。導入時にツールの設定やPoCの実行、運用ルールの策定が必要であり、これをどう効率化するかが課題である。小さな効果試験を素早く回し、成功事例を示すことで社内合意を得ることが現実的な戦略である。最後に法務や知財の問題がある。自動生成コードの帰属や外部モデル利用時のライセンス管理も検討課題である。
6. 今後の調査・学習の方向性
今後は実装領域の拡大と運用面の整備が重要である。まずは企業固有のIPやコーディング規約を取り込むためのファインチューニングやオンプレミス環境でのモデル運用を検討すべきである。これにより汎用ベンチマークで示された成功率を実務上の成功に近づけることができる。次に、AST-WTの精度向上と非同期回路、クロック境界をまたぐ解析能力の強化が必要である。
また、ユーザーインターフェースの工夫も重要である。AIの出力がどのように決定されたかをエンジニアが理解できる形で提示し、承認ワークフローに組み込むことが導入成功の鍵である。教育面では、設計者がAIの提案を批判的に評価できるスキルを育てること、そしてPoCの回し方を社内に定着させることが求められる。最後に学術的には、マルチエージェント間の通信効率と計画最適化のアルゴリズム改善が今後の研究課題である。
会議で使えるフレーズ集
「この提案の本質は、AIが設計を自動生成するだけでなく、文法と動作を検証して修正まで行える点にあります。」
「まずは小さなモジュールでPoCを行い、時間削減と再設計削減の効果を定量的に示しましょう。」
「導入判断は段階的に行い、成功指標をROIで定義して合意を取るのが現実的です。」
引用元
