Post on 21-Mar-2020
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: kohira@u-aizu.ac.jp
居室: 105-B
2014/5/2 1
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
*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
2014/5/2 2
VLSIの用途
� 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
� 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
� 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
32014/5/2
Intel Core i7 (intelより)
(WSTS:世界半導体
市場統計より)
集積回路
� 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
42014/5/2
外見 中 トランジスタ
(Intelより)
トランジスタ
� 集積回路の基本素子
� 電流を流すスイッチ
� 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
� 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
52014/5/2
論理否定の真理値表
入力信号 出力信号
01
10
+++
入力信号 出力信号
コンデンサ
(電荷をためておくところ)
低電圧(0)
電源
接地
高電圧(1)
10
論理否定(出力は入力の反転)
CMOS回路による
論理否定のトランジスタ回路図
正の電荷
ON
OFF
OFF
ON
半導体の歴史
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珪 石 器 時 代 (シリコンLSI)
Intel Core i7トランジスタ数:14億個
22nm(10-9
m)のプロセス
真空管
1個
トランジスタ
1個
トランジスタ数:数個
1900年 2012年1947年
世界初のGeトランジスタ
(ベル研)
1958年
最初の集積回路
(キルビー@TI)
1971年
最初のCPU
Intel 4004トランジスタ数:2300個
10μm(10-6
m)のプロセス
現在のCPU
CPU発展の歴史
72014/5/2
x2
1
2∝
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」
2年で2倍の関数
20年で約1000倍
最先端のトランジスタの断面
82014/5/2
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
最先端のVLSIの配線
92014/5/2
トランジスタ
トランジスタを接続するための配線
回路素子の微細化が進んでいる
10
1
0.1
1970 ‘75 ‘80 ‘85 ‘90 ‘95 2000‘05
最小
線幅
(μ
m=10
-6
m)
西暦 (年)
x4
1
2−
∝4年で1/2倍
Intel CPUの場合
0.01
微細技術の進歩
102014/5/2
回路素子の大きさは
4年で半分になる
ゲート長≒最小線幅
微細化による影響
112014/5/2
ITRS 2005より
微細化
遅延
大
小
速度
遅
速
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
VLSIの設計フロー
設計仕様
アーキテクチャ設計
論理設計
レイアウト設計
製造
製品テスト
コント
ロール
ユニット
積算
除算
器
汎用レジスタ
ユニット
レジスタ他
ALU他
CPU_CORE
+
(どのような機能のチップを作るか決める)
(使う回路や接続関係を決める)
(回路の位置や配線を決める)
(回路が正常に動くか調べる)
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SDトラック
VDトラック
VLSIの性能評価とその改善
� 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
� チップ内のトランジスタ数を少なくする
132014/5/2
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
VLSIシステムを支える技術
142014/5/2
システムは“組み込み型”が主流に
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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/
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
【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!
VLSI設計を支える技術
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論理回路(ブール代数),VLSI設計学
コンピュータ
アーキテクチャ
システム設計(DVDプレーヤ、携帯電話など)
半導体デバイス
(CMOS、バイポーラ)
電磁気学
電子回路(LCR,トランジスタレベル)
ソフトウエア工学
機能レベル
物理レベル
SDトラック
VDトラック
VLSIシス
テム全体
の設計
個々の
VLSIの設計
VDトラック推奨科目
� フーリエ解析 (2年前期)� コンピュータ理工学実験 (2年前期)� 複素関数論 (2年後期)� 半導体デバイス (2年後期)� 通信ネットワークⅠ (2年後期)� 電子回路 (3年前期)� 論理回路特論 (3年前期)� 電子回路特論 (3年後期)� VLSI設計技術 (3年後期)� ディジタル通信システム (3年後期)
※赤字は,SDトラックと共通の推奨科目
172014/5/2
VDトラック:卒業後の進路
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...)
182014/5/2
(矢野経済
研究所より)
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
202014/5/2