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

62014/5/2

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）

122014/5/2

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

152014/5/2

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

162014/5/2

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

192014/5/2

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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