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ハードウェア記述言語(ハードウェアきじゅつげんご、英: hardware description language、HDL)は、デジタル回路、特に集積回路を設計するためのコンピュータ言語ないしドメイン固有言語(DSL)である。回路の設計、構成を記述する。処理を検証するための試験(テストベンチ)記述ができ、模擬実行(シミュレーション)できる開発環境もある。
プログラミング言語との類似性が見られる機能がある言語もあることから、プログラミング言語の一種などとする誤解が非常に多いが、間違いである。また、プログラマブルロジックコントローラの記述に用いられるラダー言語は別のものと扱われている。
ハードウェア記述言語は、ハードウェアの動作仕様を記述するのに使う、文字で記述するコンピュータ言語で、電子回路の経時的振舞いと空間的構造を表現する。プログラミング言語と比較すると、ハードウェア記述言語の構文(シンタックス)や意味(セマンティックス)は、ハードウェアの基本的属性である時間や並行性を記述するものであり、全く異なるものである。回路の接続関係(コンポーネントと等電位点の列挙)を記述する言語として、ネットリストがある。
ハードウェア記述言語の処理系には、記述にもとづきネットリストやプログラマブルロジックデバイスのコンフィグレーションを生成する合成系と、記述に直接もとづきシミュレーションを行うシミュレータがある。シミュレータによってハードウェア設計者は実装前にハードウェアの動作を確認できる。シミュレータには、シミュレーションのレベルとして、ディジタルな事象としてのみ扱うものと、アナログな事象まで詳細に扱うものがある。アナログまで扱うように最初から設計された言語もあれば、拡張として追加された言語もある。
C++のようなプログラミング言語に実装した内部DSL(internal/embedded DSL)として実装されているSystemCのようなハードウェア記述言語もある。
プログラミング言語と同様に様々な言語がある。現在は米国防総省が開発に携わったAdaの流れを汲むVHDL、ゲートウェイ・デザイン・オートメーション社(Gateway Design Automation)[1]が開発したVerilog HDLの標準化がまずIEEEで進み、その後IECの国際規格にもなり、広く普及している。
最初のハードウェア記述言語は、カーネギーメロン大学の「ISP」[2][3]、カイザースラウテルン大学の「KARL」である。この二つの言語は1977年にほぼ同時に開発された。ISP はよりプログラミング言語的で、設計上の入力と出力の関係を記述する方式であった。ISP は設計のシミュレーションには使えるが、回路を生成することはできなかった。KARL は大規模集積回路の回路配置が記述可能な機能も持っていた。回路配置の記述機能は関連する対話型グラフィカル言語 ABL にもあった。1980年代初期にABLを使ったVLSI設計エディタをトリノの通信研究センター CSELT で開発している。1980年代中ごろ、欧州連合の委員会が出資した国際コンソーシアムが KARL と ABL を中心としたVLSI設計フレームワークを実装した[4]。1983年、Data-I/O が ABEL を発表した。これはプログラム可能な論理回路を対象としたもので、主に有限状態機械の設計に使った。他に、日本で開発されたSFLがある。
最初の現代的意味でのハードウェア記述言語である Verilog は、1985年、ゲートウェイ・デザイン・オートメーション社が開発した。ケイデンス・デザイン・システムズがその権利を取得して Verilog-XL というシミュレータを開発し、これがその後約10年間で事実上の標準となった。1987年、アメリカ国防総省の要求で Ada 言語の流れを汲む VHDL を開発した。これらハードウェア記述言語とシミュレータによって、技術者はより抽象化されたレベルで設計が可能となり、回路規模も数百トランジスタから数千トランジスタへと拡大していった。
ハードウェア記述言語で記述されたプログラムから論理合成できるシステムが登場し、ハードウェア記述言語はデジタル設計の表舞台に立つようになった。合成ツールはハードウェア記述言語でRTLを記述したソースファイルをコンパイルし、製造可能な論理ゲートやトランジスタのネットリスト記述を生成する。当初のシステムでは、合成可能なRTLファイルを書くには熟練を要した。RTLで合成したネットリストは、従来の設計に比べるとサイズが大きく、性能も悪いことが多かった。熟練技術者による回路図による設計は、論理合成した同等の回路設計よりも常に優れていたが、論理合成の生産性の良さから、RTL合成が不得手としていた高速低電力な回路や非同期回路でもハードウェア記述言語が採用されていった。論理合成は、単にハードウェア記述言語をデジタル設計の中心に押し出しただけでなく、それ自体がデジタル回路設計のための画期的技術であった。回路図による設計とRTLによる設計は、プログラミング言語におけるアセンブリ言語による設計とC言語による設計の関係に似ている。
IEEEが VHDL と Verilog HDL を標準化したこともあり、VHDL と Verilog HDL は電子産業では事実上の標準となり、それら以外のハードウェア記述言語はあまり使われなくなっていった。しかし、VHDL と Verilog HDL には共通の弱点がある。どちらもアナログ回路やアナログとデジタルの混在した回路のシミュレーションが苦手であり、再帰的な論理構造を記述できない。そのような VHDL と Verilog HDL の弱点を克服するハードウェア記述言語もいくつか登場したが、VHDL や Verilog HDL を置換するには至っていない。
ハードウェア記述言語の改善は長年に渡っている。Verilog HDL から派生した SystemVerilog では、様々な新機能がある。VHDL の最新版でも SystemVerilog の拡張と同等の機能を持たせるよう開発が進んでいる。今後も VHDL と Verilog HDL の改良は続くという予測がある。
デジタル回路設計は、ハードウェア記述言語による記述か回路図入力によって行っている。回路図入力では、大規模な記述の確認が困難であるため、ハードウェア記述言語の記述が増えている。
設計の最初期は、紙と鉛筆で要求仕様や高水準な構造(アーキテクチャ)図を描くことから始まる。この構造が妥当であるかどうか重要である。構造の妥当性を確認する上で、ハードウェア記述言語で記述する場合もある。ハードウェア記述言語による記述を行う工程は、設計者の熟練度や回路の性質に強く依存している。次の段階として MATLAB や C++ の数学的モデル記述のような、高水準の算法(アルゴリズム)を記述することもある。制御と判断構造は、流れ図(フローチャート)描画ソフトウェアや状態遷移図編集ソフト(エディタ)で試作(プロトタイピング)することも多い。この後、ハードウェア記述言語の記述に変換を行う。
ハードウェア記述言語では、「RTL」と呼ぶ抽象度でハードウェアを記述する。この抽象度では演算器やレジスタとその間の信号伝達を用いてハードウェアを記述する。また、多くのハードウェア記述言語では入れ子構造的に、ある回路の部分回路に分けて設計する。あるいは既にある回路記述を部分回路として利用することもできる。再利用によって設計の効率化が行える。
RTL は論理回路の表現としては抽象的であるため、このままではハードウェアにする事はできない。その代わり、この抽象度に適合したシミュレータを用いて、回路の論理的な動作を確認することができる。機能としては電気的特性などの再現は限られる。シミュレータを用いて、回路の妥当性検証や性能見積もりを行う。
この後ゲート水準と呼ぶ、論理回路を記述する抽象度の記述に展開することで、集積回路を実現する。この操作を論理合成と呼ぶ。論理合成を実行するための道具を論理合成ツール と呼ぶ。
ハードウェア記述言語の記述の抽象度(水準)
設計工程が次の段階に進むたびに、ハードウェア記述言語コードは常にコードレビューを行う。論理合成の前に、ハードウェア記述言語記述は一連の自動化された検査を受ける。この検査工程で、後の合成工程で解釈を間違う可能性のある曖昧な構文を検出したり、一般的なコーディング上の問題を検出する。
ここでよく用いるのが、STARC が作成した Verilog HDL スタイルガイド、VHDL スタイルガイドである。このコーディング規則に従うと、電子回路の知識がないプログラマが作成したコードの論理的な欠陥を少なくすることができる。スタイルガイドに適合しているかを検査するソフトウェアも存在している。
ハードウェア記述言語による設計は、論理合成工程で終了すると考える。合成ツールがハードウェア記述言語の記述をゲートのネットリストに変換すると、ネットリストが下工程に引き渡される。物理的なテクノロジ(FPGA、ASICゲートアレイ、ASIC標準セル)によっては、ハードウェア記述言語が下工程でも重要な役割を演じることもある。一般に工程が進んで設計が詳細化していくと、設計データベースには技術固有の情報が格納されるようになっていく。技術固有のデータが増えると汎用的なハードウェア記述言語による記述では格納しきれなくなる。
反復的な回路構造をハードウェア記述言語で記述するときに、Perlのようなスクリプト言語を使って自動生成することもある。Emacsなどのテキストエディタは、ハードウェア記述言語のソースコードについて自動字下げ(インデント)、既定用語(キーワード)の強調表示、各種宣言のマクロ拡張などの機能を提供しているものがある。
ハードウェア記述言語による設計の本質は、ハードウェア記述言語プログラムを模擬実行可能な点にある。模擬実行(シミュレーション)することで、設計のハードウェア記述言語プログラム(モデル)が設計検証に合格するようにできる。設計検証は、コード実装(ハードウェア記述言語プログラム)がその設計が意図した機能(仕様)に対して妥当かを検証する重要な一里塚(マイルストーン)である。模擬実行によって構造(アーキテクチャ)的な吟味もする。技術者は基本設計に対して複数の設計を実験的に書き、模擬実行でそれらの動きを比較することができる。以上のようなことから、ハードウェア記述言語による設計では模擬実行が重要である。
ハードウェア記述言語で書かれたモデルを模擬実行するには、テストベンチと呼ぶ模擬実行環境をまず記述する。テストベンチには少なくとも、モデルの実体(インスタンス)化したもの(デバイス・アンダー・テスト、DUT)、そのモデルの入出力のためのピンと信号の宣言、クロック波形が必要である。テストベンチのコードは事象(イベント)駆動型である。テストベンチが生成するリセット信号の実装のためのプログラム、インタフェース・トランザクション(ホストバスの読み書きなど)のモデルのためのプログラム、DUTの出力を監視するためのプログラムなどが必要となる。テストベンチを実行するソフトウェアをシミュレータと呼び、テストベンチないの全事象の参照元となる模擬信号(シミュレータ・クロック)を発生させる。イベントはテストベンチのプログラムが指示したときだけ発生するもの(テストベンチ内のコードでリセット信号を発生させるなど)と、およびそのようなイベントへの反応としてモデルが発生するものがある。最近のシミュレータはGUI化されており、虫取りの道具(デバッグツール)も良くなっている。利用者は任意の時点で模擬実行を中断/再開でき、停止点(ブレークポイント)を設定でき、モデルの階層を監視/変更できる。さらにプログラム実行環境に利用者がコンパイルしたライブラリをPLI/VHPIインタフェースを通してリンクできるシミュレータもある。リンクは環境依存であり、シミュレータと利用者ライブラリを、プログラム実行環境とは別にコンパイルし、リンクする。
設計検証は、ソフトウェア開発工程で言えばソフトウェア試験(ソフトウェアテスト)と虫取り(デバッグ)の工程である。設計工程の中でも最も時間がかかる可能性がある。試験結果によっては大きな設計変更もありうるため、シミュレータ環境で最初に行う。ただし、厳密に定義したコーディング規約に基づいているかどうかの検査を先に行うことにより、試験作業を大幅に短縮することもできる。プログラムをハードウェアで検証する目的でPLD(プログラマブルロジックデバイス)、FPGAを使うこともある。ハードウェアを使ったプロトタイピングはシミュレーションよりも費用がかかるが、シミュレーションではわからない設計上の問題点が明らかになることもある。他のハードウェアとのインタフェースの確認はハードウェアによるプロトタイピングが最善の方法である。FPGAは、シミュレータより高速に動作するだけでなく、実際に並行実行するための時間的な問題について検出可能である。
歴史的に、設計検証は労力を要する工程であり、テストケースを書いてはシミュレーション実行するということをDUTに対して繰り返す。チップが大規模かつ複雑になるにつれて、設計検証も開発期間の大部分を占めるようになってきた。設計の生産性を向上させるべく、特性仕様言語が開発された。
形式的検証において、「プロパティ」とは、オブジェクトの期待される振る舞いや推定される振る舞いに関する事実を記した文である。理想的には、ハードウェア記述言語プログラムが与えられたとき、プロパティは形式的数学的手法で真偽を証明可能である。実際には、多くのプロパティは無限の解空間を占めるため、真偽を証明できない。しかし、前提や制約が与えられると解空間が狭められ、プロパティチェッカ・ツールで真偽を証明できるプロパティが増える。
表明は回路の動作をモデルとしたものではなく、むしろ設計者の意図を捉え、ハードウェア記述言語コード内に込めるものと言える。シミュレーション環境では、シミュレータは全ての指定された表明を評価し、表明に違反した箇所と違反の程度を報告する。合成環境では、表明違反があれば、合成が中断されることもある。表明に基づく検証はまだ始まったばかりの手法だが、ハードウェア記述言語による設計の必須な部分となると予測されている。
ハードウェア記述言語はプログラミング言語と似ているが、違うものである。(近年の並列・並行プログラミング言語を例外として)プログラミング言語は基本的には手続き的で、並行・並列性に対応する構文・意味は限定的であるものがほとんどである。一方ハードウェア記述言語は、複数の並列処理するコンポーネント(フリップフロップ、加算器など)をモデル化でき、各コンポーネントは自動的に互いに独立に実行する。入力を変化させると、変化をトリガとして自動的にシミュレータのプロセススタックを更新する。
プログラミング言語ではコンパイラにより機械語を生成し、ハードウェア記述言語ではシンセサイザ(合成系)でネットリストを生成する。後者もコンパイルと呼ぶものもあるが、目的と対象が異なる。プログラミング言語のコンパイラはソースコードをプロセッサ固有の機械語に変換し、そのプロセッサ上で実行可能な形式にする。ハードウェア記述言語のシンセサイザは、ソースコードから物理的に実装可能なゲートのネットリストを生成する。ネットリストには様々な形態があり、ゲート遅延情報を持つシミュレーション・ネットリスト、下工程用のハンドオフ・ネットリスト、汎用の標準ネットリストであるEDIFなどがある。なお、プログラミング言語におけるインタプリタは、ハードウェア記述言語ではシミュレータに相当する(性能上の理由などのために、シミュレーションを実行する実行可能プログラムを生成するタイプのシミュレータもある)。
ハードウェア記述言語には、プログラミング言語用のプリプロセッサを流用しているものもある。
ハードウェア記述言語の意味論には、厳密でないものもあり、記述がまずいとシミュレーションと合成結果のふるまいが異なることがある、というものもある。
以上で述べたように、基本的にはハードウェア記述言語はプログラミング言語と異なるものであるが、より高水準からの記述を求めたハードウェア記述言語があり、一方で並列・並行の記述を言語機能に持つプログラミング言語もあるため、共通する要素を持つものもそれぞれあらわれている。
電子システムがますます複雑化するにつれ、再構成処理(再構成可能コンピューティング)が増えていることと、どちらも設計できる技術者の必要性から、ハードウェア記述言語としてもプログラミング言語としても使える言語への要求が高まりつつある。
一例として SystemC があり、組み込みシステムのハードウェアを詳細の不明なアーキテクチャ上のブロック(入出力信号がモデル化されたブラックボックス)としてモデル化できる。SystemC の高度に抽象化したモデル記述は、初期のアーキテクチャ選定に適している。
当初、ハードウェア記述言語は大規模集積回路の模擬実行を目的に開発されたが、論理合成技術の開発によってハードウェア記述言語での記述からの論理回路生成の自動化ができるようになった。現在、RTLでの設計より更に高い抽象度でのハードウェア設計を可能とする高位合成技術の開発が進んでおり、メンター・グラフィックス社が提供する Catapult C Synthesis やシノプシス社のの Synphony C Compiler などに例を挙げられるような、いくつかのツールが市販されている。RTLの上位に位置するのは、振舞い(ビヘイビア・レベル)と呼び、ハードウェアの動作やアルゴリズムを記述する。特にこの振舞いの記述を対象とした高位合成を動作合成と呼ぶ。
この振舞い記述では、ハードウェアをプログラミング言語によるソフトウェアの記述と殆ど同様の考えで記述することになる。ここから、ハードウェアとソフトウェアを同時に、区別なく設計・合成する技術の研究開発も進んでいる。ハードウェア・ソフトウェア協調設計(コデザイン)は、ソフトウェア技術者がハードウェア記述言語プログラムを理解し、ハードウェア技術者がソフトウェアプログラムを理解することによって、加速していく可能性がある。
こうした高位合成技術、協調設計技術を総合してシステムレベル設計またはシステム設計技術と呼ぶ。これらの技術を用いて、ハードウェアとソフトウェアとを区別なく、ソフトウェアの記述と同等の抽象度で論理(デジタル)システム全体を記述することをシステムレベル設計と呼ぶこともある。
このようなシステムレベル設計に用いる言語として、C言語を拡張した SpecC、C++のテンプレートライブラリとして実現したSystemC、Verilog HDLを拡張したSystemVerilogなどがある。特に SpecC や SystemC など、C/C++をベースにした言語による設計をC言語設計と呼び、日本ではシステムレベル設計といえばC言語設計を指すこともある。
ハードウェア記述言語はデジタル回路を対象としているが、これを拡張してアナログ回路を記述できるようにする動きもある。主たる目的はアナログ回路、もしくはアナログ - デジタル混載回路のシミュレーションである。
これに該当する言語としてVerilog-AMSやVHDL AMSがある。
主に次の二つのハードウェア記述言語が業界で主流として使われている。
他に以下のようなハードウェア記述言語がある。
Lava is the molten rock expelled by a volcano during an eruption and the resulting rock after solidification and cooling. This molten rock is formed in the interior of some planets, including Earth, and some of their satellites. The source of the heat that liquefies the rock within the earth is geothermal energy. When first erupted from a volcanic vent, lava is a liquid at temperatures from 700 to 1,200 °C (1,292 to 2,192 °F). Up to 100,000 times as viscous as water, lava can flow great distances before cooling and solidifying because of its thixotropic and shear thinning properties.[1][2]
A lava flow is a moving outpouring of lava, which is created during a non-explosive effusive eruption. When it has stopped moving, lava solidifies to form igneous rock. The term lava flow is commonly shortened to lava. Explosive eruptions produce a mixture of volcanic ash and other fragments called tephra, rather than lava flows. The word "lava" comes from Italian, and is probably derived from the Latin word labes which means a fall or slide.[3][4] The first use in connection with extruded magma (molten rock below the Earth's surface) was apparently in a short account written by Francesco Serao on the eruption of Vesuvius between May 14 and June 4, 1737.[5] Serao described "a flow of fiery lava" as an analogy to the flow of water and mud down the flanks of the volcano following heavy rain.
In general, the composition of a lava determines its behavior more than the temperature of its eruption.
Igneous rocks, which form lava flows when erupted, can be classified into three chemical types; felsic, intermediate, and mafic (four if one includes the super-heated ultramafic). These classes are primarily chemical; however, the chemistry of lava also tends to correlate with the magma temperature, its viscosity and its mode of eruption.
Felsic (or silicic) lavas such as rhyolite and dacite typically form lava spines, lava domes or "coulees" (which are thick, short lavas) and are associated with pyroclastic (fragmental) deposits. Most silicic lava flows are extremely viscous, and typically fragment as they extrude, producing blocky autobreccias. The high viscosity and strength are the result of their chemistry, which is high in silica, aluminium, potassium, sodium, and calcium, forming a polymerized liquid rich in feldspar and quartz, and thus has a higher viscosity than other magma types. Felsic magmas can erupt at temperatures as low as 650 to 750 °C. Unusually hot (>950 °C) rhyolite lavas, however, may flow for distances of many tens of kilometres, such as in the Snake River Plain of the northwestern United States.
Intermediate or andesitic lavas are lower in aluminium and silica, and usually somewhat richer in magnesium and iron. Intermediate lavas form andesite domes and block lavas, and may occur on steep composite volcanoes, such as in the Andes. Poorer in aluminium and silica than felsic lavas, and also commonly hotter (in the range of 750 to 950 °C), they tend to be less viscous. Greater temperatures tend to destroy polymerized bonds within the magma, promoting more fluid behaviour and also a greater tendency to form phenocrysts. Higher iron and magnesium tends to manifest as a darker groundmass, and also occasionally amphibole or pyroxene phenocrysts.
Mafic or basaltic lavas are typified by their high ferromagnesian content, and generally erupt at temperatures in excess of 950 °C. Basaltic magma is high in iron and magnesium, and has relatively lower aluminium and silica, which taken together reduces the degree of polymerization within the melt. Owing to the higher temperatures, viscosities can be relatively low, although still thousands of times higher than water. The low degree of polymerization and high temperature favors chemical diffusion, so it is common to see large, well-formed phenocrysts within mafic lavas. Basalt lavas tend to produce low-profile shield volcanoes or "flood basalt fields", because the fluidal lava flows for long distances from the vent. The thickness of a basalt lava, particularly on a low slope, may be much greater than the thickness of the moving lava flow at any one time, because basalt lavas may "inflate" by supply of lava beneath a solidified crust. Most basalt lavas are of ʻAʻā or pāhoehoe types, rather than block lavas. Underwater they can form "pillow lavas", which are rather similar to entrail-type pahoehoe lavas on land.
Ultramafic lavas such as komatiite and highly magnesian magmas that form boninite take the composition and temperatures of eruptions to the extreme. Komatiites contain over 18% magnesium oxide, and are thought to have erupted at temperatures of 1600 °C. At this temperature there is no polymerization of the mineral compounds, creating a highly mobile liquid with viscosity as low as that of water.[citation needed] Most if not all ultramafic lavas are no younger than the Proterozoic, with a few ultramafic magmas known from the Phanerozoic. No modern komatiite lavas are known, as the Earth's mantle has cooled too much to produce highly magnesian magmas.
The viscosity of lava is important because it determines how the lava will behave. Lavas with high viscosity are rhyolite, dacite, andesite and trachyte, with cooled basaltic lava also quite viscous; those with low viscosities are freshly erupted basalt, carbonatite and occasionally andesite.
Highly viscous lava shows the following behaviors:
Highly viscous lavas do not usually flow as liquid, and usually form explosive fragmental ash or tephra deposits. However, a degassed viscous lava or one which erupts somewhat hotter than usual may form a lava flow.
Lava with low viscosity shows the following behaviors:
Lavas also may contain many other components, sometimes including solid crystals of various minerals, fragments of exotic rocks known as xenoliths and fragments of previously solidified lava.
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The physical behavior of lava creates the physical forms of a lava flow or volcano. More fluid basaltic lava flows tend to form flat sheet-like bodies, whereas viscous rhyolite lava flows forms knobbly, blocky masses of rock.
General features of volcanology can be used to classify volcanic edifices and provide information on the eruptions which formed the lava flow, even if the sequence of lavas have been buried or metamorphosed.
The ideal lava flow will have a brecciated top, either as pillow lava development, autobreccia and rubble typical of ʻaʻā and viscous flows, or a vesicular or frothy carapace such as scoria or pumice. The top of the lava will tend to be glassy, having been flash frozen in contact with the air or water.
The centre of a lava flow is commonly massive and crystalline, flow banded or layered, with microscopic groundmass crystals. The more viscous lava forms tend to show sheeted flow features, and blocks or breccia entrained within the sticky lava. The crystal size at the centre of a lava will in general be greater than at the margins, as the crystals have more time to grow.
The base of a lava flow may show evidence of hydrothermal activity if the lava flowed across moist or wet substrates. The lower part of the lava may have vesicles, perhaps filled with minerals (amygdules). The substrate upon which the lava has flowed may show signs of scouring, it may be broken or disturbed by the boiling of trapped water, and in the case of soil profiles, may be baked into a brick-red terracotta.
Discriminating between an intrusive sill and a lava flow in ancient rock sequences can be difficult. However, some sills do not usually have brecciated margins, and may show a weak metamorphic aureole on both the upper and lower surface, whereas a lava will only bake the substrate beneath it. However, it is often difficult in practice to identify these metamorphic phenomenon because they are usually weak and restricted in size. Peperitic sills, intruded into wet sedimentary rocks, commonly do not bake upper margins and have upper and lower autobreccias, closely similar to lavas.
ʻAʻā (also spelled aa, aʻa, ʻaʻa, and a-aa; /ˈɑː.ɑː/ or /ˈɑːʔɑː/, from Hawaiian [ʔəˈʔaː][6] meaning "stony rough lava", but also to "burn" or "blaze") is one of three basic types of flow lava. ʻAʻā is basaltic lava characterized by a rough or rubbly surface composed of broken lava blocks called clinker. The Hawaiian word was introduced as a technical term in geology by Clarence Dutton.[7]
The loose, broken, and sharp, spiny surface of an ʻaʻā flow makes hiking difficult and slow. The clinkery surface actually covers a massive dense core, which is the most active part of the flow. As pasty lava in the core travels downslope, the clinkers are carried along at the surface. At the leading edge of an ʻaʻā flow, however, these cooled fragments tumble down the steep front and are buried by the advancing flow. This produces a layer of lava fragments both at the bottom and top of an ʻaʻā flow.
Accretionary lava balls as large as 3 metres (10 feet) are common on ʻaʻā flows. ʻAʻā is usually of higher viscosity than pāhoehoe. Pāhoehoe can turn into ʻaʻā if it becomes turbulent from meeting impediments or steep slopes.
The sharp, angled texture makes ʻaʻā a strong radar reflector, and can easily be seen from an orbiting satellite (bright on Magellan pictures).
ʻAʻā lavas typically erupt at temperatures of 1000 to 1100 °C.
Pāhoehoe (/pəˈhoʊ.iːˈhoʊ.iː/; from Hawaiian [paːˈhoweˈhowe],[8] meaning "smooth, unbroken lava"), also spelled pahoehoe, is basaltic lava that has a smooth, billowy, undulating, or ropy surface. These surface features are due to the movement of very fluid lava under a congealing surface crust. The Hawaiian word was introduced as a technical term in geology by Clarence Dutton.[7]
A pāhoehoe flow typically advances as a series of small lobes and toes that continually break out from a cooled crust. It also forms lava tubes where the minimal heat loss maintains low viscosity. The surface texture of pāhoehoe flows varies widely, displaying all kinds of bizarre shapes often referred to as lava sculpture. With increasing distance from the source, pāhoehoe flows may change into ʻaʻā flows in response to heat loss and consequent increase in viscosity. Pahoehoe lavas typically have a temperature of 1100 to 1200 °C.
The rounded texture makes pāhoehoe a poor radar reflector, and is difficult to see from an orbiting satellite (dark on Magellan picture).
Block lava flows are typical of andesitic lavas from stratovolcanoes. They behave in a similar manner to ʻaʻā flows but their more viscous nature causes the surface to be covered in smooth-sided angular fragments (blocks) of solidified lava instead of clinkers. Like in ʻaʻā flows, the molten interior of the flow, which is kept insulated by the solidified blocky surface, overrides the rubble that falls off the flow front. They also move much more slowly downhill and are thicker in depth than ʻaʻā flows.
Lava domes and coulées are associated with felsic lava flows ranging from dacite to rhyolite. The very viscous nature of these lava cause them to not flow far from the vent, causing the lava to form a lava dome at the vent. When a dome forms on an inclined surface its can flow in short thick flows called coulées (dome flow). These flows often only travel a few kilometers from the vent.
Pillow lava is the lava structure typically formed when lava emerges from an underwater volcanic vent or subglacial volcano or a lava flow enters the ocean. However, pillow lava can also form when lava is erupted beneath thick glacial ice. The viscous lava gains a solid crust on contact with the water, and this crust cracks and oozes additional large blobs or "pillows" as more lava emerges from the advancing flow. Since water covers the majority of Earth's surface and most volcanoes are situated near or under bodies of water, pillow lava is very common.
Because it is formed from viscous molten rock, lava flows and eruptions create distinctive formations, landforms and topographical features from the macroscopic to the microscopic.
Volcanoes are the primary landforms built by repeated eruptions of lava and ash over time. They range in shape from shield volcanoes with broad, shallow slopes formed from predominantly effusive eruptions of relatively fluid basaltic lava flows, to steeply-sided stratovolcanoes (also known as composite volcanoes) made of alternating layers of ash and more viscous lava flows typical of intermediate and felsic lavas.
A caldera, which is a large subsidence crater, can form in a stratovolcano, if the magma chamber is partially or wholly emptied by large explosive eruptions; the summit cone no longer supports itself and thus collapses in on itself afterwards. Such features may include volcanic crater lakes and lava domes after the event. However, calderas can also form by non-explosive means such as gradual magma subsidence. This is typical of many shield volcanoes.
Cinder cones and spatter cones are small-scale features formed by lava accumulation around a small vent on a volcanic edifice. Cinder cones are formed from tephra or ash and tuff which is thrown from an explosive vent. Spatter cones are formed by accumulation of molten volcanic slag and cinders ejected in a more liquid form.
Another Hawaiian English term derived from the Hawaiian language, a kīpuka denotes an elevated area such as a hill, ridge or old lava dome inside or downslope from an area of active volcanism. New lava flows will cover the surrounding land, isolating the kīpuka so that it appears as a (usually) forested island in a barren lava flow.
Lava domes are formed by the extrusion of viscous felsic magma. They can form prominent rounded protuberances, such as at Valles Caldera. As a volcano extrudes silicic lava, it can form an inflation dome, gradually building up a large, pillow-like structure which cracks, fissures, and may release cooled chunks of rock and rubble. The top and side margins of an inflating lava dome tend to be covered in fragments of rock, breccia and ash.
Examples of lava dome eruptions include the Novarupta dome, and successive lava domes of Mount St Helens.
Lava tubes are formed when a flow of relatively fluid lava cools on the upper surface sufficiently to form a crust. Beneath this crust, which being made of rock is an excellent insulator, the lava can continue to flow as a liquid. When this flow occurs over a prolonged period of time the lava conduit can form a tunnel-like aperture or lava tube, which can conduct molten rock many kilometres from the vent without cooling appreciably. Often these lava tubes drain out once the supply of fresh lava has stopped, leaving a considerable length of open tunnel within the lava flow.
Lava tubes are known from the modern day eruptions of Kīlauea, and significant, extensive and open lava tubes of Tertiary age are known from North Queensland, Australia, some extending for 15 kilometres.
A lava fountain is a volcanic phenomenon in which lava is forcefully but non-explosively ejected from a crater, vent, or fissure. The highest lava fountains recorded were during the 1999 eruption of Mount Etna in Italy, which reached heights of 2,000 m (6,562 ft).[9] However, lava fountains observed during Mount Vesuvius' 1779 eruption are believed to have reached at least 3,000 m (9,843 ft).[9][10] Lava fountains may occur as a series of short pulses, or a continuous jet of lava. They are commonly associated with Hawaiian eruptions.
Rarely, a volcanic cone may fill with lava but not erupt. Lava which pools within the caldera is known as a lava lake. Lava lakes do not usually persist for long, either draining back into the magma chamber once pressure is relieved (usually by venting of gases through the caldera), or by draining via eruption of lava flows or pyroclastic explosion.
There are only a few sites in the world where permanent lakes of lava exist. These include:
Lava deltas form wherever sub-aerial flows of lava enter standing bodies of water. The lava cools and breaks up as it encounters the water, with the resulting fragments filling in the seabed topography such that the sub-aerial flow can move further offshore. Lava deltas are generally associated with large-scale, effusive type basaltic volcanism.
Some lavas of unusual composition have erupted onto the surface of the Earth. These include:
The term "lava" can also be used to refer to molten "ice mixtures" in eruptions on the icy satellites of the Solar System's gas giants.[15] See cryovolcanism.
Lava flows are enormously destructive to property in their path. However, casualties are rare since flows are usually slow enough for people to escape, though this is dependent on the viscosity of the lava. Nevertheless injuries and deaths have occurred, either because people had their escape route cut off, because they got too close to the flow[16] or, more rarely, if the lava flow front travels too quickly. This notably happened during the eruption of Nyiragongo in Zaire (now Democratic Republic of the Congo). On the night of 10 January 1977 a crater wall was breached and a fluid lava lake drained out in under an hour. The resulting flow sped down the steep slopes at up to 100 km/h, and overwhelmed several villages while residents were asleep. As a result of this disaster, the mountain was designated a Decade Volcano in 1991.[17]
Deaths attributed to volcanoes frequently have a different cause, for example volcanic ejecta, pyroclastic flow from a collapsing lava dome, lahars, poisonous gases that travel ahead of lava, or explosions caused when the flow comes into contact with water.[16] A particularly dangerous area is called a lava bench. This very young ground will typically break-off and fall into the sea.
Areas of recent lava flows continue to represent a hazard long after the lava has cooled. Where young flows have created new lands, land is more unstable and can break-off into the sea. Flows often have deep cracks, and any fall against fresh lava is similar to falling against broken glass. Rugged hiking boots, long pants, and gloves are recommended when crossing lava flows. Special care should be taken whenever entering an isolated kipuka cut off by a lava flow. Wildlife, especially wild boar, can become trapped and concentrated within a kipuka. The chances of encountering boars in a Hawaiian kipuka is particularly high. Making a lot of noise is recommended and back away slowly if one holds ground.
Tephra is volcanic ash, lapilli, volcanic bombs or volcanic blocks.
Lava ropes at Krafla, June 2007
Lava at Krafla
The hardened lava flow off of Lava Butte
Outcrop of a Pillow Lava, Italy
Columnar lava in Iceland
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