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集積回路

集積回路. １． VLSI とは？. 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. まずはコンピュータを分解してみよう！. 出力装置： CRT. コンピュータ本体. 出力装置： スピーカー.

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  1. 集積回路 １．VLSIとは？ 松澤　昭 2004年 9月 新大　集積回路

  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　集積回路

  3. まずはコンピュータを分解してみよう！ 出力装置： CRT コンピュータ本体 出力装置： スピーカー 入力装置： キーボード 入力装置： マウス 新大　集積回路

  4. ノートPC 出力装置： LCD 入力装置： タッチパッド 入力装置： キーボード コンピュータ本体 新大　集積回路

  5. マザーボード 新大　集積回路

  6. マザーボードの上には… • 多数のLSI（Large-Scale Integrated Circuit：大規模集積回路，チップ） • プロセッサ（MPU：MicroProcessing Unit，マイクロプロセッサ） • メモリ：SRAM（Static RAM），DRAM（Dynamic RAM），ROM，… • 各種ASIC（Application-Specific IC）：チップセット，… • アナログ・デジタル混載LSI • その他の電子部品 新大　集積回路

  7. パッケージ：Intel MMX Pentium 新大　集積回路

  8. パッケージの中身は？：PentiumII Xeon Processor Extended Server Memory Architecture 0.25u P6 Micro-architecture; Dynamic Execution 400 MHz L2 Cache Bus, Large Caches N-Way Multiprocessing System Management Features 100 MHz Multi-transaction System Bus 新大　集積回路

  9. パッケージの中身は？：PentiumIII Xeon Processor 新大　集積回路

  10. パッケージを開けると…：Intel Pentium IIIチップ • 0.18 micron 6-layer metal CMOS process technology • 28.1M transistors • 106 mm die size • 3-way superscalar out-of-order execution micro-architecture • 256K Level 2 Cache • 133 MHz IO bus 新大　集積回路

  11. VLSI とは？ • 大規模集積回路　Very Large Scale Integration • 1cm2程度のシリコンチップ上に数十万から数千万トランジスタを集積 • 種々の回路を集積 • デジタル論理回路 • CPU、演算回路、デジタル信号処理回路、インタフェース回路 • メモリ回路 • RAM、ROM、フラッシュメモリ • アナログ回路 • オペアンプ、A･D変換、D･A変換、PLL、入出力回路 • センサー • CCD、フォトダイオード、ガスセンサ 新大　集積回路

  12. 集積回路の分類 新大　集積回路

  13. 身の回りのLSI利用製品 • パソコン／ワークステーション／大型計算機／スーパーコンピュータ • ファミコン／ゲーム機／玩具 • ワープロ／コピー機／プリンタ／電卓／携帯情報機器 • 携帯電話／留守番電話／ファックス • カメラ／ビデオ／オーディオ／テレビ • 家電製品（洗濯機，炊飯器，掃除機．．．） • 自動販売機／自動改札機／自動預金支払機／ロボット • 自動車／電車／飛行機／船／スペースシャトル • 役所，会社，駅，航空会社などのシステム，インターネット • 電子マネー／電子投票／通信・エネルギーシステム 新大　集積回路

  14. 半導体開発の歴史 新大　集積回路

  15. 微細加工技術の進歩 .6µ .35µ .25µ .18µ .13µ .1µ Line Width Shrinks 新大　集積回路

  16. L W tox LSI技術の黄金則：スケーリング則 スケーリング則はLSIの黄金則である Scaling 動作電圧も1/Sにする 微細化・低電圧化により、 ・高密度化(低コスト） ・高速化 ・低消費電力 が同時に達成される 新大　集積回路

  17. 最初の集積回路 最初の集積回路はトランジスタ４個程度を集積した簡単なものであった。 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大　集積回路

  18. 集積度の推移 ・チップに集積されるトランジスタは数億個レベルになった ・３０年間で６桁上昇した 年率60%アップ, ３年で４倍 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大　集積回路

  19. トランジスタコストの推移 ・トランジスタコストは30年間で6桁減少した。 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大　集積回路

  20. ゲート集積度ロードマップ 微細化によりゲート密度が確実に向上 2入力NAND換算の ゲート集積密度 1-1-7 新大　集積回路

  21. 動作速度の向上 微細化によりプロセッサの動作速度が向上 21264 IBM 1GHz 2 times/3years Merced High-end 700MHz US-3 PC P7 21264 21164 500MHz R14000 21164 P6MMX2 PPC604e 400MHz NEC（研究） US-2 P6 R12000 300MHz P6 Operating frequency 21164 PPC750 Embedded R4400 Pentium MMX R10000 21064 SA110 R10000 200MHz P6 V830R R4400 R5000 SH4 US SA110 V832 R4300 2 times/ 2 years Pentium SH3 R4300 V830 100MHz R4200 SH3 SuuperSparc R3900 R3000 V810 SH2 1996 1997 1994 1995 1998 1999 2000 2001 2002 (CY) Year 新大　集積回路

  22. ゲート消費電力ロードマップ ゲート当たりの消費電力は現在までは確実に減少 2入力NAND換算の ゲート消費電力 1-1-8 新大　集積回路

  23. 　現在のSoC用トランジスタ 現在のSoCの量産プロセスである0.13umルールのトランジスタ 原子レベルの制御が求められる。 CoSi2 SiN ゲート 格子７個に相当 2nm ゲート酸化膜 NSG SiN Oxide 5000倍 拡大　 0.1μm １．0nm Si 基板 トランジスタの断面 ゲート絶縁膜　 新大　集積回路

  24. 現在の配線 現在はAlからCuに配線材料が変化している。 民生用SoCでも配線層数は６層以上が多く、配線間は柱のようなスタックトビアで接続されている。 新大　集積回路

  25. 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　集積回路

  26. 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　集積回路

  27. 現在のVLSI, SoCの位置付け • 現在の殆どの電子機器は１個もしくは数個のVLSI, SoCで実現される。 • 従来のような単機能のデバイス集積から、アナログやRFを含んだシステム集積が可能となった。 • 微細化により集積度、動作速度が向上し、単位回路あたりの消費電力、コストが減少した。 • VLSIを理解することが現在の電子システム理解にとって最も重要である。 新大　集積回路

  28. ＶＬＳＩの技術体系 VLSIは多くの分野の技術を必要とする システム技術 情報処理技術 回路技術 テスト・評価技術 デバイス技術 EDA技術 プロセス技術 実装技術 新大　集積回路

  29. Intel MPUの歴史(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm) • 4004 (1971年) • 動作周波数：108KHz • バス巾：4ビット • プロセス技術：10um • トランジスタ数：2300 • メモリ：640バイト 新大　集積回路

  30. Intel MPUの歴史(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm) • Pentium II (1997年) • 動作周波数：233～300MHz • バス巾：64ビット • プロセス技術：0.35um • トランジスタ数：750万 • メモリ：64Tバイト • Pentium II (1998年) • 動作周波数：450MHz • プロセス技術：0.25um • トランジスタ数：750万 新大　集積回路

  31. Intel MPUの歴史(http://www.intel.com/intel/museum/25anniv/hof/hof_main.htm) • Pentium III (1999年) • 動作周波数：450～600MHz • プロセス技術：0.25um • トランジスタ数：950万 • Pentium III (2000年) • 動作周波数：500MHz～1GHz • プロセス技術：0.18um • トランジスタ数：2800万 新大　集積回路

  32. プロセス技術の今後の進歩 新大　集積回路

  33. 集積度の推移とシステムＬＳＩの誕生 ムーアの法則 「半導体の性能と集積は１８ヶ月で２倍になる」 0.13μm 0.8μm 0.5μm 0.35μm 0.25μm 0.18μm 1B 汎用DRAM トランジスタ数 混載DRAM 256MB 256MB 100M システムLSI 64MB 64MB 16MB 論理ＬＳＩ（ASIC) MPU 10M 4MB 1M 88 90 92 94 96 98 00 02 04 年 出典：電気四学会 新大　集積回路

  34. 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 0.13um CMOS, 6Cu 35M Trs. CLK: 400MHz AFE 新大　集積回路

  35. 情報化革命 2000年代　社会や人類文明を変える道具 社会基盤 　　　　　行政：行政サービスの基盤（情報流通，徴税，許認可，認証） 　　　　　経済：電子商取引（紙幣の代替，信用の創造） 　　　　　司法：訴訟体制（集団訴訟，国際訴訟），新しい法体系 　　　　　通信：モバイル化 　　　　　交通／エネルギ／都市基盤 　　　新しい産業形態 　　　　　ネットビジネス（.com) 　　　　　マスコミ，放送産業，情報産業 　　　新しいライフスタイルと社会構造 　　　　　価値観の転換，新しい社会階層 新大　集積回路

  36. 半導体売り上げの推移 ・世界の半導体売り上げは76年から94年まで順調に伸び、２０兆円規模に成長した。 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大　集積回路

  37. 2000/5の予測 10億ドル 半導体の市場規模 前年比（％） 欧　州 米　州 アジア・ パシフィック 日　本 年 ←　予　測　→ 出典： WSTS（World Semiconductor Trade Statistics） 2001/5 １章 新大　集積回路

  38. 電子産業と半導体産業の位置付け ・日本の電子産業は全産業分野においてGDPトップの産業である。 ・半導体産業はいまだに高い成長率を有している。 新大　集積回路

  39. ％ SRC IMEC SEMATECH STARC,Selete,ASET 米　州 日　本 米　州 アジア・ パシフィック 欧　州 日　本 欧　州 競争力は 製造技術から 製品技術へ アジア・パシフィック 年 ← 予　測 → 半導体の市場シェア 出典： WSTS（World Semiconductor Trade Statistics） 2001/5 SRC：Semiconductor Research Corporation STARC：Semiconductor Technology Academic Research Center IMEC：Interuniversity MicroElectronics Center Selete：Semiconductor Leading Edge Technologies SEMATECH：Semiconductor Manufacturing Technology ASET：Association of Super-Advanced Electronics Technologies １章 新大　集積回路

  40. 情報技術と社会 　　　　社会システム 　＊政治，経済，文化 　＊社会基盤，交通／通信システム 　＊市民生活，商工業，農業 情報ネット ワーク技術 ソフトウェア 技術 集積回路 技術 基　盤　情　報　技　術 新大　集積回路

  41. ８インチ・ウェーハー MOSトランジスタ Wafer, Chip and Transistor チップ 新大　集積回路

  42. CMOSの製造プロセス p well n well n MOS p MOS シリコン基板 ３．拡散層の形成 １．ウエルの生成 Poly silicon SiO2 ４．金属配線層の形成 ２．ポリシリコンゲート生成 新大　集積回路

  43. 直径 5 or 8inch（200mm） 輪切り 厚さ約0.5mm（500μm） シリコン 単結晶 鏡面ウエハ カット LSIの製造手順 マスク フォトリソグラフィ 等のプロセス 完成ウエハ 完成LSI ２章 新大　集積回路

  44. タイミング図 ck (1kHz) keyck (25Hz) reset_ sw res res re 論理図と論理シミュレーション レチクル（ガラス原板） module KeyScan(CLOCK,RESET,SIN,SCAN,VAL) input CLOCK,RESET input [3:0] SIN; 自動配置配 線 output [3:0] SCAN,VAL; VDD reg clk,rst; always @(posedge clk or psedge rst) begin if(rst) r_scan <= 4'd0; VSS else case(Init) 1'b1:r_scan <= 4'd8; // Cobstant: r_scan[3:0] 1'b0: case( Scanning ) 1'b1:r_scan <= { r_scan[3] , r_scan[2] , r_scan [1] } 1'b0:r_scan <= r_scan; default: r_scan <= 4'bx; endcase MN3456 default: r_scan <= 4'bx; endcase end １チップ自動レイアウト 標準セル ＶＬＳＩ設計フロー 機能設計 論理合成 論理設計 マスク設計 プロセス テスト 所望の動作を実現する為の ＨＤＬを論理合成ソフト 論理が正しいことを 論理図をもとに標準セル 出来上がったチップの ＬＳＩの機能を機能図又は により論理図に変換 シミュレーションで ROM/RAM等の部品を 動作の検証 ＨＤＬで記述し検証 確認 配置・配線 0 1 s 機能図によるＬＳＩの機能設計 ハードウェア記述言語（ＨＤＬ） によるＬＳＩの機能設計 新大　集積回路

  45. システムＬＳＩとは 出典：特許庁 １章 新大　集積回路

  46. システムＬＳＩを支える技術 • 設計の自動化（ＥＤＡ） • 設計資産の活用（ＩＰ） • 検証技術 設計技術 システムＬＳＩ • 微細加工技術 • 多層配線技術 • 混載技術 • 実装技術 プロセス技術 １章 新大　集積回路

  47. システムLSIの構成 ソフトウェア （プログラム／データ） データ システム LSI RAM ROM イメージ センサー プロセッサ 通信インタ フェース回路 アナログ回路 新大　集積回路

  48. 光ディスク 光ヘッド 　１６Ｍ 赤色 ＳＤＲＡＭ レ－ザ 受光素子 ヘッド ドライバ 赤色レ－ザ アンプ ＡＶ 　　ユニット ワンチップ ビデオ出力 ＭＰＥＧ２ 　ビデオ ＥＣＣ アナログ コピ－ ワンチップ フロント リ－ド ガ－ド エンド チャネル 復調 ＡＣ－３出力 プリ 訂正 ＡＣ-３ アンプ ＣＤ ステレオ出力 オ-ディオ ＤＥＭ シスコン サ－ボ 操作・表示 ＭＣＵ ＤＳＰ サ－ボＤＳＰ シスコンＭＣＵ DVD用システムLSI DVDのような複雑なシステムもワンチップSoCで全システムが集積される。 第1世代 第２世代 第３世代 第４世代 　４Ｍ ＤＲＡＭ 新大　集積回路

  49. アナ・デジ混載SoC：DVDの完全ワンチップ化　 高性能アナログを含むDVDの全機能を0.13um技術を用いてワンチップに集積した。 0.13um, Cu 6Layer, 24MTr Okamoto, et al., ISSCC 2003 新大　集積回路

  50. 半導体産業とシステムLSI システムLSIは半導体の主力製品となる． 売り上げ10億ドル 年 半導体市場に占めるシステムLSIの売り上げの予測 (出典，半導体産業研究所) 新大　集積回路

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