集積回路工学第1 講義案内 集積回路工学研究室(MeRL) 北川章夫 集積回路工学第1・第2では LSI設計技術を学びます 集積回路工学は、(1) LSI(Large Scale Integration)製造技術と (2) LSI 設計技術の2つの分野で成り立っています。情報システム・生命情報 コースでは、主にLSI設計技術を扱い、そのうち集積回路工学第1では、 ・ レイアウト/トランジスタ～回路特性～システム性能 ・ テクノロジとシステム性能の関係（※） を理解することを目標とします。 LSI製造技術 集積回路工学第1（最小限の基礎知識のみ扱う） LSI設計技術 集積回路工学第1（実践的な設計技術入門） 集積回路工学第2（アルゴリズムに基づく回路設計） ディジタル電子回路（手動設計＋半導体メーカで試作） 集積回路設計及び演習（ディジタルシステムの自動設計） （いずれも実践的、具体的な設計技術を学びます） ※ 各種の半導体製造技術をテクノロジ(Technology)と呼びます 2 集積回路に搭載される回路 汎用LSI カスタムLSI マイクロプロセッサ マイクロプロセッサ メモリ メモリ 周辺回路（規格品） DSP ソフトウエア SoC (System on a Chip) マイクロプロセッサ メモリ ソフトウエア 信号処理回路 信号処理回路 DAC DAC ADC DIO OPA 汎用性のある部品 特定応用に必要な部品 DSP: Digital Signal Processor OPA: Operational Amp. DAC: Digital-to-Analog Converter ADC: Analog-to-Digital Converter DIO: Digital Input/Output （制御マイコン、ディジ タルオーディオ、画像 処理プロセッサなど） 1チップの応用システム （携帯電話、DTV、電子 マネーなど） 3 （参考）集積度による古い分類 名称 • • 素子数／チップ 対応するＤＲＡＭ容量 SSI (small scale IC) 102未満 MSI (medium scale IC) 102～103 LSI (large scale IC) 103～105 1k bit VLSI (very large scale IC) 105～107 256k bit ULSI (ultra large scale IC) 107以上 16M bit DRAMは記憶機能だけを持つ汎用集積回路 上記の定義は、厳密なものではない。103個／チップ程度以上の素 子数のものは、総称してLSIまたはVLSIと呼ばれる 4 電子回路と集積回路の違い 電子回路：設計は簡単だが自由度 や性能（速度・電力効率）が低い。 PCB(Printed Circuit Board) 集積回路：アルゴリズムの自由 度と動作速度が桁違いに高い。 集積回路 5mm 10cm 動作速度：数10MHzまで 配線本数：数100本程度 動作速度：数10GHz以上 配線本数：ほぼ無制限 システムの高性能化や新しい機 能が必要なとき集積回路にする5 洗練された設計手法 発振器とロ ジックで触 覚センサを 作ってみた 体系的 経験と勘 LSI PCB 独自LSI 通信機とラジオ は必要なスキル が全く違う SRAMでディスプレイ を作ってみた LSI設計はＰＣだけで実施でき、 講義で習った知識が通用する （大学生、主婦でも始められる） 市販部品 市販部品を使いこなすには何10年 もかけて常識を養うことが必要 6 LSI設計技術の主な分野 より複雑なLSIシステムを効率よく構築するために必要な知識 CAD（EDA）技術※ アナログ回路技術 RF（無線通信） 技術 ディジタル回路技 術（主にアルゴリ ズム開発） 組み込みソフト ウエア技術 ※ EDA: Electronic Design Automation, CAD: Computer Aided Design 7 集積回路技術の一般化への流れ 年代 時代の動き 1995年以前 日米の半導体メーカが汎用部品としてLSIを供給 1990年前後、日本の半導体メーカが世界のトップを占有 1996年頃 ファブレス企業の台頭 ファンダリ－サービス（製造サービス）が一般化 VDEC (VLSI Design and Education Center)設立 半導体関連ICT企業や一部の大学でVLSIを設計 2000年頃 日本の半導体メーカが力を失い始める 一般ICT企業や学生がLSI設計することが普及 少量多品種生産、IP（設計データ）の流通が進行 2010年頃 国内半導体産業の再編が進む 低価格の少量生産サービスが可能に LSIの応用範囲が爆発的に拡大 2014年以降 安価なIP（LSIの部品設計データ）の流通が進む 誰でもLSIを作れる時代に入る（設計の原理を学ぶことが重要） 8 LSI設計技術者の時代変化 1971以降 回路の専門家 1900年代 2010年代 半導体メーカで汎用部 システム・アーキテクト 品を設計するエンジニ 半導体メーカでスマー ソリューションデザイ ア トフォンや動画圧縮な ナー どのシステムＬＳＩ※を アプリケーションに合 開発するエンジニア わせて必要な機能をＬ ＳＩ化する（外注を含む） 一般の半導体ユーザ 専門性よりもより幅広い視野が要求されている ※ SoC(System on a Chip)と同じ意味で使われる。1チップでシステ ムを構成する大規模ＬＳＩ。 9 LSI設計技術に必要な知識 概要知識でよいが避けて通れない 学部の間に学んでおくことを推奨 半導体デバイス 論理回路 プロセス技術 コンピュータ・アーキテクチャ 集積回路工学では扱わないが学 んでおくことが必要 アルゴリズム 信号処理 回路設計フロー CADツールの原理・使用法 HDL（ハードウエア記述言語） 身に付けると競争力を持てるため、大学院以上で学ぼう 組み込みソフトウエア （リアルタイムOS,マイコンなど） HDL: Hardware Description Language 高位設計（SystemCなど） アナログ・RF回路 10 集積回路（ロジックの場合）の設計階層 設計段階 設計内容の例 主な記述方法 システムレベル （H/W+S/Wの全体） 動作レベルのアルゴリズム S/W, H/W分割（アーキテクチャ） プロトコル 組込みソフトウエア デバイスドライバ（OS) 高級言語（C/C++など） アセンブリ言語 SystemC, SpecC（H/WとS/Wの両 方の動作を記述） サブシステムレベル （CPU, メモリ, 演算器な ど） 動作レベルのアルゴリズム 論理レベルのアルゴリズム ソフトウエアインターフェース フローチャート、状態遷移図 Register Transfer Level-HDL 論理回路図、トランジスタ回路図 ゲートレベル 論理機能 論理回路図、真理値表、状態遷移 図、構造記述HDL トランジスタレベル 基本論理回路 超高速動作を要する機能 トランジスタ回路図 SPICEネットリスト 物理レベル（レイアウト） セルライブラリ、回路ブロック レイアウト図、GDS-II 黄色部分は、集積回路工学第1の範囲に含まれる階層。 緑色部分は、S/WとH/Wを合わせた階層。白色部分（接続部）は3年生後期以降に学ぶ。 11 LSI設計技術教育の流れ 電子情報工学専攻 大学院 組込みシステム特論 [松田] ４年前期 システム Soc設計基礎論 [深山] ミクストシグナルＬＳＩ工学 [北川] 集積回路設計及び演習 [深山] ディジタル・ サブシステム ディジタル・ サブシステム ３年後期 集積回路工学第2[秋田] 集積回路工学第2[松田] ３年前期 ゲート 集積回路工学第1[北川] 集積回路工学第1[松田] ゲート 情報システムコース・ 生命情報コース 電気電子コース アナ/デジ混載 ディジタル電子回路[北川] 情報システムコース・ 生命情報コース・ 電気電子コース 12 LSI関連科目の階層 抽象的 学期 科目 修士1年 組み込みシステム特論 組み込みソフトウエア リアルタイムOS ミクストシグナルLSI工学 CMOSアナログ回路 RF回路 SoC設計基礎論 高位言語設計 動画像処理 4年前期 集積回路設計および演習 HDLによるCPUと周辺回路設計 HDLシミュレーション 3年後期 集積回路工学第2 サブシステム設計（ディジタル/アナログ） ディジタル電子回路 具体的 内容 設計実習 3年前期 集積回路工学第1 論理設計、トランジスタ回路設計 レイアウト設計 2年後期 電子回路第2及び演習 回路シミュレーション 内容は年によって変わることがあります CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor RF: Radio Frequency（無線通信回路） 13 本科目の具体的内容と目標 • 主な内容 – CMOS論理回路のトランジスタ/ゲートレベル設計方法 • 自動設計手法を利用する場合は、トランジスタ回路を扱う必要は ない。しかし、トランジスタ回路を知らないとCADツールの設定や エラー内容は理解出来ない。 – CMOS論理回路の動作速度、消費電力の見積り方法 • 主な目標 – CMOS基本論理ゲート（組み合わせ回路と順序回路）の具体的な構 成法を理解する – 集積回路の設計フローとCADツールの関係について理解する – CMOS基本ゲート回路のチップ上へのレイアウト手順を理解する – CMOS集積回路の性能見積もりができるようになる – 半導体技術ロードマップを理解する 14 教科書・参考書 • 教科書 – 榎本忠儀著「ナノCMOS集積回路」(培風館) ISBN978-4-563-067762 – 講義資料の印刷物は配布しないので、事前にダウンロードしておく か講義中にノートPC等で参照すること – ダウンロードページ • http://jaco.ec.t.kanazawa-u.ac.jp/edu/ → 「集積回路工学第1をク リック」 – ノートPCではメモが取りにくいため、講義資料は予めプリントしてお くか、ペン入力機器を用意しておくことを推奨 • 参考書・参考URI – ICガイドブック-2012年版（よくわかる半導体）, 社団法人電子情報技 術産業協会編 • 数年に1度発行される。用語解説や技術動向の解説が優れている • 具体的応用例が多数取り上げられており、殆どの技術がLSI技術の上に成立し ていることが理解できるだろう（産業の米とも呼ばれる） 15 成績評価法・履修条件等 • 成績評価 – 実習レポート＋宿題レポート＋期末試験（持込可）により評価する – 実習レポート(30%), 宿題(30%), 期末テスト(40%)の配点比率とし、合計 点数が60％以上で合格とする – 無断で実習レポートや宿題を期限に遅れて提出した場合は、0点とする • 部活動、病気など、本人の責任でないことを第３者が証明できる場合は、提出遅れでも 正規の提出として扱う • 遅れても提出はすること。提出しなかった場合は放棄評価とする • レポートの提出先： [email protected] • 原則として、再試験および保留評価は行わない – 長期入院など、特別な事情がある場合は相談してください • 不可抗力により期末試験を受けられなかった人には、追試験を実施 する • その他 – プリントを配布するが、プリントだけでは復習が困難なので、スピードの速い講義 を聴きながらメモを取る訓練をすること – プリントのバグ発見者には、期末テストにバグ発見点をプラス • 変換ミスやタイプミス 5点 （カタカナや句読点表記などの揺らぎは加点しない） • 内容に関するミス 10点 16 質問方法 • なるべく講義時間中に質問してください – 講義後は、時間がないので簡単な質問しか受け付けられません • 込み入った質問についてはオフィースアワーを利用してく ださい – 講義実施日の5時限目に教員室(2B713)で質問を受け付けます。 （但し、出張中、来客中は除く） • SNSでも質問を受け付けます – アドレス： https://www.facebook.com/akio.kitagawa.77 • 質問をしなくて分からないのは自分の責任です 17
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