VLSI工学 - Matsuzawa and Okada Laboratory

集積回路
１．VLSIとは？
松澤昭
2004年 9月
2004 9月
新大集積回路
1
集積回路
1. VLSIとは？
2．VLSIの設計から製造まで
3. ＭＯＳトランジスタとCMOS論理回路
4．メモリー回路
5. アナログCMOS回路
6. 回路・レイアウト設計
7. 論理設計とテスト
8. アナログ・デジタル混載集積回路
9. スケーリング則と低消費電力化設計
10．システムLSIとVLSIの今後
2004 9月
新大集積回路
2
まずはコンピュータを分解してみよう！
出力装置：
CRT
コンピュータ本体
出力装置：
スピーカー
入力装置：
キーボード
2004 9月
入力装置：
マウス
新大集積回路
3
ノートPC
出力装置：
LCD
入力装置：
タッチパッド
入力装置：
キーボード
2004 9月
コンピュータ本体
新大集積回路
4
マザーボード
2004 9月
新大集積回路
5
マザーボードの上には…
• 多数のLSI
（Large-Scale Integrated Circuit：大規模集積回路，チップ）
– プロセッサ（MPU：MicroProcessing Unit，マイクロプロ
セッサ）
– メモリ：SRAM（Static RAM），DRAM（Dynamic RAM），
ROM，…
– 各種ASIC（Application-Specific IC）：チップセット，…
– アナログ・デジタル混載LSI
• その他の電子部品
2004 9月
新大集積回路
6
パッケージ：Intel MMX Pentium
2004 9月
新大集積回路
7
パッケージの中身は？：
Pentium II Xeon Processor
Extended
Server Memory
Architecture
0.25u P6
Micro-architecture;
Dynamic Execution
400 MHz L2
Cache Bus,
Large Caches
N-Way
Multiprocessing
System
Management
Features
2004 9月
100 MHz Multi-transaction
System Bus
新大集積回路
8
パッケージの中身は？：
Pentium III Xeon Processor
2004 9月
新大集積回路
9
パッケージを開けると…：
Intel Pentium IIIチップ
• 0.18 micron 6-layer metal
CMOS process technology
• 28.1M transistors
• 106 mm die size
• 3-way superscalar out-oforder execution microarchitecture
• 256K Level 2 Cache
• 133 MHz IO bus
2004 9月
新大集積回路
10
VLSI とは？
• 大規模集積回路 Very Large Scale Integration
2
– 1cm 程度のシリコンチップ上に数十万から数千万トラ
ンジスタを集積
– 種々の回路を集積
• デジタル論理回路
– CPU、演算回路、デジタル信号処理回路、インタフェース回路
• メモリ回路
– RAM、ROM、フラッシュメモリ
• アナログ回路
– オペアンプ、A･D変換、D･A変換、PLL、入出力回路
• センサー
– CCD、フォトダイオード、ガスセンサ
2004 9月
新大集積回路
11
集積回路の分類
2004 9月
新大集積回路
12
身の回りのLSI利用製品
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
2004 9月
パソコン／ワークステーション／大型計算機／スーパーコンピュータ
ファミコン／ゲーム機／玩具
ワープロ／コピー機／プリンタ／電卓／携帯情報機器
携帯電話／留守番電話／ファックス
カメラ／ビデオ／オーディオ／テレビ
家電製品（洗濯機，炊飯器，掃除機．．．）
自動販売機／自動改札機／自動預金支払機／ロボット
自動車／電車／飛行機／船／スペースシャトル
役所，会社，駅，航空会社などのシステム，インターネット
電子マネー／電子投票／通信・エネルギーシステム
新大集積回路
13
半導体開発の歴史
年
分類
１９４７
１９５６
トランジスタの発明（ショックレイ他）
シリコントランジスタの開発
１９５８
１９５９
１９６８
集積回路の開発（キルビー）
プレーナ型 ICの開発（ノイス）
CM
OSICの開発（RCA社）
IC
１９７０
１９７１
１９７８
１９７８
１９８０
1KDRANの開発（Intel 社）
４ビットマイコン（i4004）
64KDRAMの開発
16 ビットマイコンの開発(i8086)
256KDR
AMの開発
LSI
１９８４
１９８６
１９８５
１９８７
1MDRAMの開発
4MDRAMの開発
32 ビットマイコンの開発（i386）
16MDR
AMの開発
VLSI
１９９０
１９９３
64MDR
AMの開発
256MDRAMの開発
ULSI
２０００頃
2004 9月
開発の歴史
トランジスタ
システム LSI
4GDRAMの開発
新大集積回路
14
微細加工技術の進歩
.6µ
.35µ
.25µ
.18µ
.13µ
.1µ
Line Width Shrinks
2004 9月
新大集積回路
15
LSI技術の黄金則：スケーリング則
スケーリング則はLSIの黄金則である
L
W
tox
Scaling
Device/Circuit parameter
Scaling Factor
Device dimensions L, W, Tox
1/S
Doping concentration
S
Voltage
1/S
Field
1
Current
1/S
Gate Delay
1/S
Power dissipation/device
1/S2
2004 9月
S 2
動作電圧も1/Sにする
微細化・低電圧化により、
・高密度化(低コスト）
・高速化
・低消費電力
が同時に達成される
新大集積回路
16
最初の集積回路
最初の集積回路はトランジスタ４個程度を集積した簡単なものであった。
Gordon E. Moore, ISSCC 2003.
2004 9月
新大集積回路
17
集積度の推移
・チップに集積されるトランジスタは数億個レベルになった
・３０年間で６桁上昇した
年率60%アップ, ３年で４倍
Gordon E. Moore, ISSCC 2003.
2004 9月
新大集積回路
18
トランジスタコストの推移
・トランジスタコストは30年間で6桁減少した。
Gordon E. Moore, ISSCC 2003.
2004 9月
新大集積回路
19
ゲート集積度ロードマップ
微細化によりゲート密度が確実に向上
1000
2入力NAND換算の
ゲート集積密度
300
ƒ
[ ƒ
Q
g
W
Ï “x @
[kG/ mm2]
‰
¼
º
@
‚ –
§ “x
¼‰

º
@
‚ ‘¬
N
Ts
Ti
To
H
F
100
30
10
3
1
0.1
0.3
1.0
vƒ
ƒ
ƒ
Zƒ
X
¢ ‘ã
@[ƒ
Ê ‚ ]
2004 9月
1-1-7
新大集積回路
20
動作速度の向上
微細化によりプロセッサの動作速度が向上
Operating frequency
21264
IBM
1GHz
Merced
High-end
700MHz
21264
21164
500MHz
400MHz
300MHz
US-3
PC
P7
R14000
P6MMX2
PPC604e
US-2
R12000
P6 P6
21164
PPC750
Embedded
R4400
Pentium MMX R10000
R10000 SA110
P6
V830R
R5000
SH4
US
SA110
V832
R4300
21164
NEC（研究）
200MHz 21064
R4400
Pentium
100MHz
V830 R4300
SH3
R4200
SH3
SuuperSparc
R3900
R3000 V810
SH2
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
(CY)
Year
2004 9月
新大集積回路
21
ゲート消費電力ロードマップ
ゲート当たりの消費電力は現在までは確実に減少
10
Á ”ï “d Í—

@[ƒ
Ê W/ MHz/ G]
3
2入力NAND換算の
ゲート消費電力
1
0.3
0.1
W
•
€ (VDD½¹ ° ØÝ¸ Þ)
’á Ø° ¸ (‘O
¢ ‘ã VDD)
’á Ø° ¸ (VDD,V‚”ˆÛ Ž
)
0.03
0.01
0.1
2004 9月
0.3
vƒ
ƒ
ƒ
Zƒ
X
¢ ‘ã
@Lg
@[ƒ
Ê ‚ ]
1-1-8
新大集積回路
1.0
22
現在のSoC用トランジスタ
現在のSoCの量産プロセスである0.13umルールのトランジスタ
原子レベルの制御が求められる。
CoSi2
SiN
ゲート
格
子
７
個
に
相
当
2nm
ゲート酸化膜
NSG
SiN
Oxide
0.1μm
5000倍
拡大
１．0nm
トランジスタの断面
2004 9月
Si
基板
新大集積回路
ゲート絶縁膜
23
現在の配線
現在はAlからCuに配線材料が変化している。
民生用SoCでも配線層数は６層以上が多く、配線間は柱のようなスタックトビアで接続されている。
2004 9月
新大集積回路
24
超微細MOSトランジスタ
ゲート長 6nmのMOSトランジスタも試作されているが、、、、
2004 9月
新大集積回路
25
消費電力の危機
プロセッサーの消費電力は100Wに達し、限界に直面している。
しかもリーク電流が急速な伸びを示している。
2004 9月
Gordon E. Moore, ISSCC 2003.
新大集積回路
26
現在のVLSI, SoCの位置付け
• 現在の殆どの電子機器は１個もしくは数個のVLSI,
SoCで実現される。
• 従来のような単機能のデバイス集積から、アナログ
やRFを含んだシステム集積が可能となった。
• 微細化により集積度、動作速度が向上し、単位回路
あたりの消費電力、コストが減少した。
• VLSIを理解することが現在の電子システム理解に
とって最も重要である。
2004 9月
新大集積回路
27
ＶＬＳＩの技術体系
VLSIは多くの分野の技術を必要とする
2004 9月
システム技術
情報処理技術
回路技術
テスト・評価技術
デバイス技術
EDA技術
プロセス技術
実装技術
新大集積回路
28
Intel MPUの歴史
(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm)
• 4004 (1971年)
–
–
–
–
–
2004 9月
動作周波数：108KHz
バス巾：4ビット
プロセス技術：10um
トランジスタ数：2300
メモリ：640バイト
新大集積回路
29
Intel MPUの歴史
(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm)
• Pentium II (1997年)
– 動作周波数：233～300MHz
– バス巾：64ビット
– プロセス技術：0.35um
– トランジスタ数：750万
– メモリ：64Tバイト
• Pentium II (1998年)
– 動作周波数：450MHz
– プロセス技術：0.25um
– トランジスタ数：750万
2004 9月
新大集積回路
30
Intel MPUの歴史
(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm)
• Pentium III (1999年)
– 動作周波数：450～
600MHz
– プロセス技術：0.25um
– トランジスタ数：950万
• Pentium III (2000年)
– 動作周波数：500MHz
～1GHz
– プロセス技術：0.18um
– トランジスタ数：2800万
2004 9月
新大集積回路
31
プロセス技術の今後の進歩
2004 9月
新大集積回路
32
集積度の推移とシステムＬＳＩの誕生
0.8μm
1B
ト
ラ
ン 100M
ジ
ス
タ
数
10M
0.5μm
0.35μm
0.25μm
0.13μm
0.18μm
汎用DRAM
ムーアの法則
256MB
「半導体の性能と集積は
１８ヶ月で２倍になる」
混載DRAM
256MB
システムLSI
64MB
64MB
16MB
論理ＬＳＩ（ASIC)
MPU
4MB
1M
88
90
92
94
96
98
00
02
04
年
出典：電気四学会
2004 9月
新大集積回路
33
超高速メディアプロセッサー型SoC
メディアプロセッサー+マイクロプロセッサーによるSoCを用いてデジタルHDTV
などの超高速画像処理ができる。
Front End
HDD
Flash
SDRAM
Tuner
Tuner
RDRAM
D-VHS
IEEE1394
DVC
HDD
AFE
IC
Card
2004 9月
新大集積回路
0.13um CMOS, 6Cu
35M Trs.
CLK: 400MHz
34
情報化革命
2000年代社会や人類文明を変える道具
社会基盤
行政：行政サービスの基盤（情報流通，徴税，許認可，認証）
経済：電子商取引（紙幣の代替，信用の創造）
司法：訴訟体制（集団訴訟，国際訴訟），新しい法体系
通信：モバイル化
交通／エネルギ／都市基盤
新しい産業形態
ネットビジネス（.com)
マスコミ，放送産業，情報産業
新しいライフスタイルと社会構造
価値観の転換，新しい社会階層
2004 9月
新大集積回路
35
半導体売り上げの推移
・世界の半導体売り上げは76年から94年まで順調に伸び、２０兆円規模に成長した。
Gordon E. Moore, ISSCC 2003.
2004 9月
新大集積回路
36
半導体の市場規模
10億ドル
400
3.6
350
41.74
29.14 31.77
8.09
36.82
18.92
9.62
13.92 18.89 14.1
3.96
-8.44
-8.61
300
前年比（％）
2000/5の予測
-13.5
273
239
250
204
200
42
144
150
102
100
77
50
51
55
60
15
10
14
7
10
15
8
11
18
11
25
21
19
20
0
14
24
20
34
19
29
28
47
132 137 126
28 29
29
43 46
41
30
28
30
40
34
32
29
26
149
32
201
177
64
50
33
米州
77
69
アジア・
パシフィック
57
47
51
43
50
47
43
49
37
61
54
45
40
欧州
60
70
日本
57
65
年
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
←
予
測
→
出典： WSTS（World Semiconductor Trade Statistics） 2001/5
2004 9月
新大集積回路
１章
37
電子産業と半導体産業の位置付け
・日本の電子産業は全産業分野においてGDPトップの産業である。
・半導体産業はいまだに高い成長率を有している。
2004 9月
新大集積回路
38
半導体の市場シェア
％
50
SRC IMEC
40
米州
SEMATECH
STARC,Selete,ASET
日本
米州
30
アジア・
パシフィック
欧州
日本
20
欧州
10
アジア・パシフィック
競争力は
製造技術から
製品技術へ
0
'82 '83 '84 '85 '86 '87 '88 '89 '90 '91 '92 '93 '94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04
年
← 予測 →
出典： WSTS（World Semiconductor Trade Statistics） 2001/5
SRC：Semiconductor Research Corporation
STARC：Semiconductor Technology Academic Research Center
IMEC：Interuniversity MicroElectronics Center
Selete：Semiconductor Leading Edge Technologies
SEMATECH：Semiconductor Manufacturing Technology ASET：Association of Super-Advanced Electronics Technologies
2004 9月
新大集積回路
１章
39
情報技術と社会
社会システム
＊政治，経済，文化
＊社会基盤，交通／通信システム
＊市民生活，商工業，農業
情報ネット
ワーク技術
集積回路
技術
ソフトウェア
技術
基盤情報技術
2004 9月
新大集積回路
40
Wafer, Chip and Transistor
• ８インチ・ウェーハー
• MOSトランジスタ
チップ
2004 9月
新大集積回路
41
CMOSの製造プロセス
p well
n well
n MOS
p MOS
シリコン基板
３．拡散層の形成
１．ウエルの生成
Poly silicon
SiO2
２．ポリシリコンゲート生成
2004 9月
新大集積回路
４．金属配線層の形成
42
LSIの製造手順
直径 5 or 8inch（200mm）
マスク
輪切り
厚さ約0.5mm（500μm）
シリコン
単結晶
フォトリソグラフィ
等のプロセス
鏡面ウエハ
カット
完成ウエハ
完成LSI
2004 9月
新大集積回路
２章
43
ＶＬＳＩ設計フロー
機能設計
論理合成
所望の動作を実現する為のＨＤＬを論理合成ソフト
ＬＳＩの機能を機能図又はにより論理図に変換
ＨＤＬで記述し検証
論理設計
マスク設計プロセス
論理が正しいことを論理図をもとに標準セル
シミュレーションで ROM/RAM等の部品を
確認
配置・配線
テスト
出来上がったチップの
動作の検証
タイミング図
ck
(1 k H z)
k eyck
(2 5 H z)
r e s e t_
sw
res
0
res
1
re
s
機能図によるＬＳＩの機能設計
module KeyScan(CLOCK,RESET,SIN,SCAN,VAL)
input
CLOCK,RESET
input
[3:0]
SIN;
output
[3:0]
SCAN,VAL;
reg
clk,rst;
論理図と論理シミュレーション
自動配置配
線
VDD
always @(posedge clk or psedge rst) begin
if(rst)
r_scan <= 4'd0;
else
case(Init)
1'b1:r_scan <= 4'd8; // Cobstant: r_scan[3:0]
1'b0:
case( Scanning )
1'b1:r_scan <= { r_scan[3] , r_scan[2] , r_scan
[1] }
1'b0:r_scan <= r_scan;
default: r_scan <= 4'bx;
endcase
default: r_scan <= 4'bx;
endcase
end
ハードウェア記述言語（ＨＤＬ）
によるＬＳＩの機能設計
2004 9月
レチクル（ガラス原板）
VSS
MN3456
標準セル
１チップ自動レイアウト
新大集積回路
44
システムＬＳＩとは
１章
2004 9月
出典：特許庁
新大集積回路
45
システムＬＳＩを支える技術
•設計の自動化（ＥＤＡ）
設計技術
•設計資産の活用（ＩＰ）
•検証技術
システムＬＳＩ
•微細加工技術
プロセス技術
•多層配線技術
•混載技術
•実装技術
１章
2004 9月
新大集積回路
46
システムLSIの構成
ソフトウェア
（プログラム／データ）
システム
LSI
イメージ
センサー
アナログ回路
2004 9月
ROM
プロセッサ
新大集積回路
データ
RAM
通信インタ
フェース回路
47
DVD用システムLSI
DVDのような複雑なシステムもワンチップSoCで全システムが集積される。
光ディスク
光ヘッド
第1世代
１６Ｍ
ＳＤＲＡＭ
赤色
レ－ザ
ヘッド
アンプ
ドライバ
アナログ
フロント
エンド
プリ
アンプ
サ－ボ
ＤＳＰ
サ－ボＤＳＰ
2004 9月
第３世代
受光素子
赤色レ－ザ
ユニット
リ－ド
チャネル
第２世代
４Ｍ
ＤＲＡＭ
ＥＣＣ
ワンチップ
復調
訂正
ＣＤ
ＤＥＭ
シスコン
ＭＣＵ
ＡＶ
ワンチップＭＰＥＧ２
ビデオ
コピ－
ガ－ド
第４世代
ビデオ出力
ＡＣ－３出力
ＡＣ-３
オ-ディオ
ステレオ出力
操作・表示
シスコンＭＣＵ
新大集積回路
48
アナ・デジ混載SoC：DVDの完全ワンチップ化
高性能アナログを含むDVDの全機能を0.13um技術を用いてワンチップに集積した。
0.13um, Cu 6Layer, 24MTr
Okamoto, et al., ISSCC 2003
2004 9月
新大集積回路
49
半導体産業とシステムLSI
システムLSIは半導体の主力製品となる．
500
売り上げ10億ドル
400
300
半導体全体
200
システムLSI
100
0
'96
'98
'00
'02
'04
年
半導体市場に占めるシステムLSIの売り上げの予測
(出典，半導体産業研究所)
2004 9月
新大集積回路
50

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