コンピュータシステム(SY)領域 VLSI設計(VD)トラックの概要

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2014/5/2
VDトラックの目的
コンピュータを中心として携帯電話など通信機器までの動作
原理を学び，実際にそれらを実現していく大規模集積回路（
VLSI*）の設計に必要な基礎知識と回路技術を習得する
コンピュータシステム(SY)領域
VLSI設計(VD)トラックの概要
小平行秀
e-mail: [email protected]
居室: 105-B
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VLSIの用途
*VLSI: Very Large Scale Integrationの略．日本語では大規模集積回路
キーワード
レイアウト設計
アナログ回路設計
VLSI技術
CMOS技術
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集積回路
コンピュータ
CPU（中央演算ユニット），ネットワーク機器，など
Intel Core i7 (intelより)
コンピュータの中心で計算を行う電子回路
トランジスタと呼ばれる素子から構成
デジタル家電
タブレット，スマートフォン，携帯電話，デジタルテレビ，など
外見
自動車
カーナビ，エンジン制御，など
その他
医療機器，ロケット，など
生活の様々なシーンで使われている
需要が多い ⇒ 生産量が多い ⇒ 多くの技術者が必要
日本の主要産業の1つ
世界的には，年率2～3%の成長産業
(WSTS:世界半導体
市場統計より)
(Intelより)
中
トランジスタ
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トランジスタ
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半導体の歴史
1900年
集積回路の基本素子
1947年
電流を流すスイッチ
1958年
珪
石
1971年
器
時
2012年
代（シリコンLSI）
電圧を加えることによりゲートが開閉→コンピュータが動作
世界初のGeトランジスタ
（ベル研）
最初の集積回路
トランジスタを組み合わせることによって所望の機能を実現
最初のCPU
現在のCPU
（キルビー@TI）
CMOS回路による
論理否定のトランジスタ回路図
電源＋＋＋正の電荷
論理否定（出力は入力の反転）
論理否定の真理値表
入力信号
出力信号
0
1
1
0
ON
入力信号OFF
低電圧（0）
高電圧（1） OFF
ON
出力信号
1
0
コンデンサ
（電荷をためておくところ）
真空管
1個
トランジスタ
1個
Intel Core i7
トランジスタ数：数個 Intel 4004
トランジスタ数：2300個トランジスタ数：14億個
10μm(10-6m)のプロセス 22nm(10-9m)のプロセス
接地
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CPU発展の歴史
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最先端のトランジスタの断面
∝2
1
x
2
2年で2倍の関数
20年で約1000倍
x (year)
☆1965年、インテル共同設立者の Gordon Mooreの予測
「半導体チップに集積されるトランジスタの数は約2年ごとに倍増する」
第10回アナログVLSIシンポジウム資料（東工大松澤昭先生）より
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最先端のVLSIの配線
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微細技術の進歩
トランジスタを接続するための配線
ゲート長≒最小線幅
最小線幅 (μm=10-6m)
Intel CPUの場合
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1
∝2
1
− x
4
0.1
4年で1/2倍
回路素子の大きさは
4年で半分になる
0.01
1970 ‘75 ‘80
‘85 ‘90
‘95
2000‘05
西暦 (年)
トランジスタ
回路素子の微細化が進んでいる
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VLSIの設計フロー
微細化による影響
速度
遅
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CPU_CORE
SDトラック
遅延
大
設計仕様
コント
ロール
ユニット
汎用レジスタ
ユニット
（どのような機能のチップを作るか決める）
レジスタ他
アーキテクチャ設計
積算
除算
器
ALU他
VDトラック
速
ITRS 2005より
小
論理設計
（使う回路や接続関係を決める）
微細化
（回路の位置や配線を決める）レイアウト設計
微細化が進むと
トランジスタ(≒Gate)の遅延が小さくなる
配線の遅延が大きくなる
VLSI技術に応じて，最適な
VLSIを設計するための技
術を研究することが重要
製造
（回路が正常に動くか調べる）
製品テスト
+
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VLSIの性能評価とその改善
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VLSIシステムを支える技術
機能
チップ内のトランジスタ数を多くする
速度
クロックの周波数を高くする
回路内の遅延を下げる
電源の電圧を上げる
消費電力
電源の電圧を下げる
チップ内のトランジスタ数を少なくする
使わないところに電力を供給しない
価格
チップのサイズを小さくする
VLSI設計は，様々なパラ
メータを変更することで，回
路の性能を良くする
チップ内のトランジスタ数を少なくする
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システムは“組み込み型”が主流に
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VLSI設計を支える技術
SDトラック
組み込みシステム
(Embedded system)：
特定の機能を実現する目的で
コンピュータを組み込んでいる特
定目的のシステム
VLSIシス
テム全体
の設計
システム設計（DVDプレーヤ、携帯電話など）
コンピュータ
アーキテクチャ
機能レベル
ソフトウエア工学
論理回路（ブール代数），VLSI設計学
【具体例】携帯電話，カーナビ，
DVDプレーヤ，デジタルカメラ，
テレビ，ロボット，工作機械など．
【特徴】非常に数と種類が多く，
かつソフト／ハード両面の見識
が必要
エンジニアが大幅に不足！
VDトラック
電子回路（LCR，トランジスタレベル）
個々の
VLSIの
設計
携帯電話の組み込みシステム
ルネサステクノロジーより
http://japan.renesas.com/
半導体デバイス
（CMOS、バイポーラ）
電磁気学
物理レベル
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VDトラック推奨科目
フーリエ解析
コンピュータ理工学実験
複素関数論
半導体デバイス
通信ネットワークⅠ
電子回路
論理回路特論
電子回路特論
VLSI設計技術
ディジタル通信システム
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VDトラック：卒業後の進路
(2年前期)
(2年前期)
(2年後期)
(2年後期)
(2年後期)
(3年前期)
(3年前期)
(3年後期)
(3年後期)
(3年後期)
ハードをベースに製品開発を行うメーカ全般
LSIを中心としてアナログ／デジタル両面からのハード
ウェア設計技術が要求される
ただし、この分野の採用は大学院修士（2年間）が主流
（全国的に理工系の大学院進学率は60%を越えている）
・事業分野の例
ＬＳＩ設計開発（CPU，通信用LSI，画像処理LSI...）
民生機器（携帯電話，家電製品，ＰＣ，電子楽器...）
自動車および関連産業（カーナビ，安全装置...）
産業機器（ロボット，製造装置...）
ゲーム業界（ＴＶゲーム機器...）
医療機器（ＭＲＩ・CT装置...）
※ 赤字は，SDトラックと共通の推奨科目
(矢野経済
研究所より)
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VD&SDトラックのメリット
日本の大学では，VLSIを設計して実際のチップを試作する
ことができる
ただし，設計・製造には時間が掛かるので，大学院修士課程までか
かる
会津大学では，Cadence社と契約をしているため，企業でも
利用されている集積回路設計ツールも利用できる
会津大学では，集積回路設計ツールや，民生機器で利用さ
れているFPGA(製造後に書き換え可能な回路)を使った演習
が多い
就職後，即戦力になれる
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最後に
プログラムの性能をとことん向上しようとする場合は，ハード
ウェアのことを知らないといけない
多くのハード系の研究室でも，プログラミングは必要(だろう)
ハード系の研究室に入っても，ハード系の企業に就職するわ
けではない
逆に，ハード系の勉強を大学時代にしなければ，ハード系の
企業に入れない(ハード系のハードルは高い)
ハードウェアを勉強するには，時間・お金・環境が必要
これからは，ハードウェアの時代！
(クリス・アンダーソン“Makers”を参照)
自分が作りたいものをハードウェアで簡単に作れる
コンピュータの世界を飛び出し，より実生活で役立つ
⇒ ハードウェアについて大学時代に勉強することは良いこと

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