1 / 44

集積回路

集積回路. １０．システム LSI と VLSI の今後. 松澤　昭 2004 年 9 月. 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. 現代のエレクトロニクスと VLSI. デジタル情報家電の時代.

kenny
Download Presentation

集積回路

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 集積回路 １０．システムLSIとVLSIの今後 松澤　昭 2004年 9月 新大VLSI工学

  2. 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 新大VLSI工学

  3. 現代のエレクトロニクスとVLSI 新大VLSI工学

  4. デジタル情報家電の時代 デジカメ、カメラ付携帯電話、DVDレコーダー、デジタルTV、フラットディスプレーなどのデジタル情報家電機器が大成長。これらの機器には1～2個のシステムLSI (SoC)が使用されている。 新大VLSI工学

  5. デジタル情報家電機器の急伸 デジタル情報家電機器が急伸し、従来のアナログ機器を完全に置き換えた 新大VLSI工学

  6. 製品毎のマーケットサイズ 電子機器の最大の市場（台数）はPCではなく、携帯電話。 デジタル家電が急追。テレビもフラット化、デジタル化で市場創出。 M units M units Cell Phone (5%/year) Printer (10%/year) DVD (20%/year) DSC (21%/year) HDD (10%/year) Game (?) Note PC (11%/year) Color TV Navigation (22%/year) Desk Top PC (9%/year) DVC (12%/year) PDA (8%/year) Server (18%/year) Source: 2003 Japan Semiconductor almanac 新大VLSI工学

  7. デジタル情報家電と半導体 携帯電話を入れるとデジタル情報家電の生産金額はPCの国内生産を上回った。 このため、SoC, Flashメモリ, CCDなどの半導体売り上げは米国を抜いた。 日経エレクトロニクス　2003.10.27号 pp.129-130 新大VLSI工学

  8. デジタルHDTV用SoC デジタルHDTVにおいてもメディアプロセッサー+マイクロプロセッサーによる ワンチップSoCを用いて超高速画像処理が実現できる。 HDD SDRAM Flash Front End Tuner Tuner IEEE1394 RDRAM D-VHS DVC HDD 0.13um CMOS, 6Cu 35M Trs. CLK: 400MHz 新大VLSI工学

  9. DVD Recorderにみる部品削減効果 ・VLSIの進展により従来３チップ必要だったものが１チップに集積可能になった。 ・このためケース内部のボードは驚くほど簡単になっている。 ・これが性能向上とコストダウンに寄与している。 ２０００年モデル ２００３年モデル 新大VLSI工学

  10. Analog base Digital base PC 100 5％ 10％ Labor cost 15％ 10％ Softoware & patent 10％ 30％ 5％ 80 30％ Cost occupation （％） 5％ 30％ Components 40％ 60 40％ ＰＣと殆ど変わらなくなった 40 55％ 50％ 20 40％ Semiconductor 25％ 0 PC WideTV Internet TV Digital TV デジタル情報家電用機器のコスト構成 機器のデジタル化によりコスト構成はPCと殆ど同じになった。 半導体投入比率は倍増している。機器=半導体の時代になった。 新大VLSI工学

  11. セットと半導体の役割分担 半導体側がシステムに入り込んで開発するようになった。 システムＬＳＩ時代 従来 商品企画 商品企画 システム 設　計 システム 設　計 セット部門 回　路 設　計 回　路 設　計 半導体部門 レイアウト 設　計 レイアウト 設　計 新大VLSI工学

  12. 新たな半導体ビジネスの構図 従来の半導体技術オリエンティドなメーカーだけではなくアプリケーションオリエンティドなSoCを主体とするメーカーが出現する。 Conventional semiconductor makers　（semiconductor technology base ） DRAM Maker ASIC Maker CPU Maker Analog Maker CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog Not appeared yet PC CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog Future semiconductor makers （Application base） DVD System, Application CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog DTV 新大VLSI工学

  13. 主力半導体メーカー ・世界の半導体生産は約19兆円 ・インテルはダントツのトップ約3兆円(２位の3倍） ・日本メーカーはトップテンに３社 新大VLSI工学

  14. 日本メーカーの売り上げ 新大VLSI工学

  15. システムLSIの必要要件 • システムに必要な全ての機能の集積 • デジタル+メモリー+アナログ/ネットワーク • ソフトウエアの完備 • モデュール化技術 • 高性能、短TAT、低コスト、安定供給 • システムノウハウの集積 • 全体最適化（設計からデバイスまで） • 統合設計環境（性能と開発期間） • SiPなどを含む最適な集積技術 新大VLSI工学

  16. デジタル情報家電用SoCの分類 デジタル情報家電用SoCは３分野に分類できる。 ・超高速メディアプロセッサー系 ・ローパワー処理系 ・アナ・デジ混載系 超高速メディアプロセッサー系 ・デジタルTV ・超高速動作 ローパワー処理系 アナ・デジ混載系 ・携帯機器 ・低リーク/低電力 ・DVD, デジカメ ・アナログ混載 新大VLSI工学

  17. IC Card 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。 HDD SDRAM Flash Front End Tuner Tuner IEEE1394 RDRAM D-VHS DVC HDD AFE 0.13um CMOS, 6Cu 35M Trs. CLK: 400MHz 新大VLSI工学

  18. 10,000 Virtual Reality Video Audio 1000 100 Performance (GOPS) 10 Pentium III 1 0. 1 0.01 Real time 3D Graphics TV-Conference Voice Recognition HDTV Decoder HDTV Encoder MPEG-1 Decoder MPEG-1 Encoder MPEG-2 Decoder MPEG-2 Encoder Sound 3D Graphics FAX/Modem メディアプロセッサーの処理能力 メディアプロセッサーは汎用プロセッサーの１桁以上上の処理能力が求められる。 新大VLSI工学

  19. 応用システムに特化したアーキテクチャ Architecture optimization based on system analysis is a key. Dedicated parallel bus Short period interruption Cash optimization SoC for digital TV SRAM 8KB Ext. bus Cont. FLASH Instruction buss I-Cache 4way,8KB MCU (AM33) 121MHz Crossbar switch Data bus D-Cache 4way,4KB SDRAM Cont. SDRAM DMA cont. I/O bus Stream bus Video Transport Decoder Front End AV Decoder (Media PU) Audio STB peripheral I/O SDRAM 新大VLSI工学

  20. 100 EPG process( non AV replay) Data Instruction Occupation of external bus (%) MCU Inst. access 50 Crossbar switch MCU Data access 0 5 10 15 20 25 MCU I/O access 100 at AV replay DMA controller Occupation of external bus (%) DMA transport dec. 50 Bus-master Peripherals External Device Transport Decoder Main Memory (SDRAM) 0 MCP 5 10 15 20 25 Time (msec) 専用バス構造 通常のPC処理に比べてAV処理ではバスの占有率が高く、処理速度が上がらない。 そこで、クロスバースイッチから構成される専用バス構成にしている。 これにより処理速度は70%程度向上した。 新大VLSI工学

  21. ローパワー処理用SoC 携帯型デジタル情報家電機器には超低電力・低リークのSoCが求められる。 MPEG4 Codec MPEG4 Decoder 0.18um e-DRAM 31M Tr 90 mW@54MHz 1.5 GOPS:Simple@L1 12 GOPS: Simple@L3 6 GOPS: Core@L1 0.18um CMOS 11M Tr 11 mW@27/54MHz 15fps (Core@L1 decode) 30 fps (Simple@L3 decode) 15fps (Core@L1 decode) 新大VLSI工学

  22. 低電力化技術 低電力化のためには素子の微細化・低電圧化の他にクロックあたりの処理能力を上げるために並列処理技術、専用ハードウエア処理回路・クロックゲートなどのシステム・アーキテクチャ・回路技術が総動員される。 1.5 GOPS:Simple@L1 12 GOPS: Simple@L3 6 GOPS: Core@L1 ブロック図 VCE (Video Codec Engines) ハードウエア処理の効果 ME PAD CAD PNR COMP VLC VLD DCT IDCT HW Engine Software LM LM LM LM LM CAD 6.1% Programmable DSP PAD 26.5% DSP Core Inst.Mem DataMem HIF (Host I/F) COMP 6.8% Texture Decoding 63% Kcycles MIF (Memory I/F) 0 5 40 DRAM (2Mb) DRAM (2Mb) Main Sub Graph. WITH the Engines WITHOUT the Engines DRAM (16Mb) Filter Core@L1 Decoding 24% Mcycles 0 200 100 Video Output Video Input 新大VLSI工学

  23. LSI構成と消費電力 LSIの構成の違いにより同一の処理能力でも消費電力は３桁違う。 汎用プロセッサーが最も電力を消費する。 DSP Dedicated LSI MPU Clock (MHz) 25 450 50 16 Parallelism 2 96 0.9 0.8 2.4 GOPS 12 Pd (mW) 7000 110 138 7800 5 Pd (mW)/GOPS 3 order’s difference Courtesy, Prof. Brodersen, UCB 新大VLSI工学

  24. MPU/MCUにおける処理能力と消費電力 同じ処理能力でも情報家電系のプロセッサーは汎用プロセッサー に比べ１桁程度消費電力が小さい 新大VLSI工学

  25. デジカメ用 SoC デジカメ用 SoC デジカメ用 SoC デジカメ用 SoC DTV用 SoC DTV用 SoC DTV用 SoC DTV用 SoC DVD用 SoC DVD用 SoC DVD用 SoC DVD用 SoC 携帯電話用 SoC 携帯電話用 SoC 携帯電話用 SoC 携帯電話用 SoC デジタル情報家電用SoCの開発方向 分野共通のメディア処理の台頭、開発コスト・TATの短縮などの理由から、 SoC品種は統一される方向に向かう。汎用CPUに近い技術が要求される。 ・分野毎SoC ・統一メディアプロセッサー ・ソフトウエア処理化の促進（様々な用途に対応） ・ダウンローダブル（出荷後の仕様変更可能） ・動的再構成回路の使用（様々な用途に対応） ・SiPにより多様なメモリーサイズと高速化に対応 ・分野毎・製品毎のSoC デジカメ用 SoC SoCの構成 今後の方向 アナログ DTV用 SoC 統一 メディア プロセッサー 動的再構成 回路 DVD用 SoC メモリー（SiP) 携帯電話用 SoC 新大VLSI工学

  26. 12 Mon 12 Mon 12 Mon 6 Mon 6 Mon 3 Mon Combo Combo 16x DVD ROM Sales (A.U) 12x DVD ROM 8x DVD ROM 2nd G 2.6G RAM 6x DVD ROM 4.7G RAM 2.6G RAM First DVD ROM ‘97 ‘00 Time 開発期間の短縮 デジタル情報家電機器の開発サイクルは短い。 →短期間で確実な開発が求められる。 新大VLSI工学

  27. SoC開発における様々な技術分野の力の結集 デジタル情報家電機器向けSoCの開発はシステムから工場までの最適化が必要である。 Mixed signal Clocking Power routing Cell height HP Analog HP I/O Mixed signal Large system’s verification SoC Design Cell Lib. System Reliability High Idd Low Ioff EMI sim Cross-talk sim Mixed signal sim 技術ロードマップ の作成 Device EDA Test Low-k Cu STI Analog Process Iddq test Wafer burn-in Mixed signal Package Fab High yield Quick ramp-up Analog control POE Low inductance Future demands, issues, and solutions 新大VLSI工学

  28. SoCの開発プラットホーム SoCはシステム・ソフトウエアから回路・デバイスまでの開発プラットホームが必要 SoCs for Digital TVs SoCs for DVDs SoCs for DSC SoCs for Mobil SoC Software Platform For Digital TVs For DVDs For DSCs For Mibile Development System SD I/F AM MCU Media Processor ARM MPEG-2 IP IEEE 1394 Blue- tooth Functional IP cores USB MPEG-4 IEEE 802.11 OFDM Mixed Signal e-Flash Semiconductor Technologies e-DRAM Device Process Functional Devices Low power Technology High speed High freq. 新大VLSI工学

  29. デジタルTV用システムデザインキット ソフトウェア開発支援環境を含むトータルソリューションを半導体から提供 ﾘﾌｧﾚﾝｽ ﾎﾞｰﾄﾞ 外部拡張ｻﾌﾞｶｰﾄﾞ (IEEE1394 LSI) 展開ｻﾌﾞﾎﾞｰﾄﾞ IC ｶｰﾄﾞ 外部拡張ｻﾌﾞｶｰﾄﾞ （V.34 modem etc.） HD-MCP ｻﾌﾞｶｰﾄﾞ ｼﾘｱﾙ x 3 SDRAM 2MB (AVﾃﾞｺｰﾄﾞ) 外部拡張ｺﾈｸﾀ CS/BS用 ﾁｭｰﾅｶｰﾄﾞ STB ｼｽﾃﾑ LSI 周辺 ASIC 地上波用 ﾁｭｰﾅｰｶｰﾄﾞ ・Flash/SRAM ﾒﾓﾘ slot 最大 32MB ・ROM ﾃﾞﾊﾞｯｶﾞ I/F ・JTAG ﾃﾞﾊﾞｯｶﾞ I/F ・Trace ﾕﾆｯﾄ I/F SDRAM 8MB (CPU＆TDDS) CATV用 ﾁｭｰﾅｰｶｰﾄﾞ ｻﾎﾟｰﾄﾂｰﾙ I/F （ｿﾌﾄ開発用) Flashﾒﾓﾘ slot 最大 8MB フロントパネル IR入力・Key入力 ・7-Seg LED 4 桁 ・DIP-SW 16個 ﾘﾌｧﾚﾝｽﾌｧｰﾑｳｪｱ MPEG (HD版） Lib 簡易ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ（ﾃﾞﾓｿﾌﾄｳｪｱ） EPG XML/HTML ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝのｶｽﾀﾏｲｽﾞ化 選局 Lib MPEG (SD版） Lib Graphic (SD版） Lib Graphic (HD版） Lib ﾁｭｰﾅｰ （地上波) D/D PiE-ｶｰﾈﾙ ﾁｭｰﾅｰ （CS/BS) D/D ﾘﾓｺﾝ D/D Audio D/D TDDS D/D Video (SD版） D/D Video (HD版） D/D 展開ﾌｧｰﾑｳｪｱ ﾁｭｰﾅｰ （CATV) D/D VLSI工学

  30. 今後のデジタル情報家電 殆どの機能は携帯電話に集積されていく ﾃﾞｰﾀ端末 電話･ﾌｧｸｼﾐﾘ 電卓･電子手帳 ﾜｰﾄﾞﾌﾟﾛｾｯｻｰ ﾊﾟｰｿﾅﾙｺﾝﾋﾟｭｰﾀｰ ﾜｰｸｽﾃｰｼｮﾝ 映像機器 音声機器 PDA=携帯電話 ｼｽﾃﾑ機能実装のすべて(畑田賢造 / 工業調査会,98)より 新大VLSI工学

  31. 携帯電話システム 現代の携帯電話は画像処理回路やデジカメ機能まで集積している。 新大VLSI工学

  32. 今後の集積技術の方向性 不揮発性メモリーの大容量化への爆発的増加（１年で２倍） 微細化（３年で２倍）では追いつかない →　平面集積から立体集積への進展が必要 従来：　平面集積 今後：　立体集積 素子数 素子数 集積度: 集積度: 面積 体積 新大VLSI工学

  33. 3次元集積技術 機能集積の加速はムーアの法則をしのぐ。３次元集積が必要である。 Chip On Chip　技術を用いた CPU・メモリー間の高速・大容量接続 メモリーの積層集積 携帯電話では限られた面積に大量のメモリーを集積する必要がある。 また不揮発メモリーだけでなくSRAM, DRAMなど各種メモリーの組み合わさったシステムになるため混載では難しい。 高密度化・多層化は加速されるものと思われる。 30um 径、60umピッチのCoC 接続点の電気特性は1mmの配線長と同等 160Gb/s @123MHz T. Ezaki, et al., ISSCC 2004, pp.140 新大VLSI工学

  34. 各種３次元集積技術 資料提供：　ASET盆子原氏 新大VLSI工学

  35. デバイス・プロセス技術 • 微細MOSトランジスタの開発 • リーク電流課題 • 新たなトランジスタ構造 • 様々な微細化限界 • VLSIの新たな発展 • RF-TAGチップ • 有機VLSI • DNA検査チップ • 視覚障害者用ビジョンチップ 新大VLSI工学

  36. 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。 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大VLSI工学

  37. 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、、、、 新大VLSI工学

  38. 様々な限界 集積回路技術はすでに様々な限界に直面している。 10 2 10 1 1.2 ～1.5V Analog limit MPU Lg 10 0 Min. V supply 0.6V Error Rate limit (Digital) 10 -1 Electric energy vs. Thermal energy Junction depth Size (mm), Voltage(V) 10 -2 10 nm Wave length of electron 3 nm Direct-tunneling limit in SiO2 Gate oxide thickness 10 -3 0.3 nm Distance between Si atoms 10 -4 10 -5 Year 1970 1990 2010 2030 2050 新大VLSI工学

  39. 超高速動作の課題 ・　配線遅延時間が短縮される目処は殆どなさそうである。 ・　リピーターの面積・消費電力が急増し、許容限界を超える。 ・　メモリー間のデータ転送時間が70%程度となりCPU単体の速度向上効果が少ない →　今後クロック周波数増加による高速化は飽和する 　　　並列化やメモリーインターフェースの見直しで処理能力向上の方向へ ITRS 2001 Edition, pp. 261. 日経マイクロデバイス：　2003年8月号, pp.26 新大VLSI工学

  40. シリコンに貫通穴を開けて接続する 新大VLSI工学

  41. 9 0 8 0 米国企業 7 0 論 6 0 文 5 0 日本企業 数 4 0 3 0 2 0 米国大学 日本・大学 1 0 0 00 02 04 7 8 8 0 8 2 8 4 8 6 88 9 0 9 2 9 4 9 6 9 8 年 ＩＳＳＣＣ論文数推移 ・VLSI開発に関する世界最大の学会 ISSCCでの発表件数 ・米国の大学は日本企業並みの発表件数。日本の大学はまだ少ない。 新大VLSI工学

  42. VLSI研究・開発における産学連携 ＶＬＳＩ開発の産学連携は国家、企業ともに力を入れている。 2. VDEC 1. STARC 電機メーカー１０社の大学でのVLSI研究への支援組織 VLSIに関する研究テーマに数1000万円単位の補助を行っている。 大学でのVLSI研究に関する文科省の支援プログラム VLSIの設計・試作・評価が格安の費用でできるようになっている。 東大が本部、東工大は拠点校。 出資会社 １０社 出資・運営支援 クライアント 大学 研究計画 研究提案 半導体理工学 研究センター Ａ Ｂ Ｃ ・ 研究委託 共同研究 研究成果 研究成果 STARC 現状：１２社 新規募集予定 成果有償開示 第三者 新大VLSI工学

  43. ユビキタスネット：RF-TAG 微細化一辺倒ではなく、VLSI技術を用いて新たな機能や新たな市場を作り出そうという試みが始まった。 このような「ゴマ粒チップ」が全ての物に入りネットワークを形成しようとしている 0.4mm角, 厚さ0.1mmの小さなチップではあるが、2.4GHzの電波を用いてデータ通信が可能。動作電力も電波を整流して作り出す。お札に入れることも可能。 RF-TAGチップ リーダー・ライター データ RF・アナログ 回路 MCU RF クロック アンテナ アンテナ 整流 電源回路 メモリ 日経エレクトロニクス 2002. 2. 25, pp. 132 新大VLSI工学

  44. VLSIの新たな発展 柔らかい有機トランジスタを用いたVLSI, ＤＮＡ検査チップ、生体埋めこみの視覚障害者用のビジョンチップなど、VLSIの新たな発展が模索され始めている。 日経マイクロデバイス　2004年１月号 新大VLSI工学

More Related