コンピュータシステム(SY)領域 VLSI設計(VD)トラックの概要

LSI設計学講座 上級准教授 小平 行秀 (こひら ゆきひで)

kohira@u-aizu.ac.jp 居室:研究棟1階105-B

2017/4/18 1 コンピュータ理工学のすすめ

VDトラックの目的 コンピュータを中心として，携帯電話などの通信機器までの

動作原理を学び，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 集積回路設計 VLSI技術 CMOS技術 レイアウト設計 アナログ回路設計

2017/4/18 2 コンピュータ理工学のすすめ

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，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 ロボット，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

3 2017/4/18 コンピュータ理工学のすすめ

Intel Core i7 (@ITより)

(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

4 2017/4/18

外見 中 トランジスタ

(Intelより)

コンピュータ理工学のすすめ

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

5 2017/4/18

論理否定の真理値表 入力信号 出力信号

0 1

1 0

＋ ＋ ＋

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）

1 0

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

コンピュータ理工学のすすめ

半導体の歴史

6 2017/4/18

珪 石 器 時 代 （シリコンLSI）

Intel Core i7 トランジスタ数：14億個 22nm(10-9m)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(10-6m)のプロセス

現在のCPU

コンピュータ理工学のすすめ

CPU発展の歴史

7 2017/4/18

☆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」

x21

2∝ 2年で2倍の関数 20年で約1000倍

コンピュータ理工学のすすめ

微細なトランジスタの断面

8 2017/4/18

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

コンピュータ理工学のすすめ

微細なVLSIの配線

9 2017/4/18

トランジスタ

トランジスタを接続するための配線

コンピュータ理工学のすすめ

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）

10 2017/4/18

SDトラック

VDトラック

コンピュータ理工学のすすめ

VLSI設計を支える技術

11 2017/4/18

論理回路（ブール代数），VLSI設計技術

コンピュータ アーキテクチャ

組込みシステム

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

※ 赤字は，VDトラックの推奨科目

コンピュータ理工学のすすめ

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) 電子回路 (3年前期) 論理回路特論 (3年前期) VLSI設計技術 (3年前期) 電子回路特論 (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 VDとSDの違いを認識する必要はほとんどない

12 2017/4/18 コンピュータ理工学のすすめ

VD&SD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...）

13 2017/4/18

(矢野経済 研究所より)

コンピュータ理工学のすすめ

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

14 2017/4/18 コンピュータ理工学のすすめ

まとめ 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学生時代に勉強することは良いこと

15 2017/4/18 コンピュータ理工学のすすめ