石の上にも10年 10years on Silicon

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1 ものづくりと設計工学 ー半導体と集積回路ー 小林和淑電子システム工学部門スライドのPDF 版は より 授業 ものづくりと設計工学 1

2 話の内容 半導体 トランジスタ 集積回路とは どこでもネットワーク 省エネルギー スマホの中身 ナノスケールの巨大さ レポート 2

3 身近な半導体 半導体技術の進歩のおかげで世の中は飛躍的に便利になった 組み込み機器 (Embedded Systems): 日本の強い分野 3

4 集積回路の用途 デジカメ タブレット スマホ 携帯電話 デジタルテレビ 白物家電 自動車 電気で動くもののほとんどに集積回路が搭載 ロボット

5 半導体とは? 導体 絶縁体 半導体 5

6 トランジスタ (transistor) トランジスタは新しく作られた造語 trans + resistor トランジスタを使う回路は,Solid-State Circuit:( 固体回路 ) と呼ばれる それまでは? 半導体 ( 主にシリコン,Si) の上に作られる 半導体 : 導電率 ( 抵抗率 ) を変化させることができる Si は資源が豊富 SiO2 が安定な絶縁体だから 6

7 集積回路 : Integrated Circuit 半導体 ( 主にシリコン ) の上に作られた微細な回路のこと トランジスタ, 抵抗 (R), 容量 ( コンデンサ, キャパシタ,C), インダクタ ( コイル, L) からなる PS3 のマザーボード LSI(PS3 用 Cell Broadband Engine) のチップ写真 7

8 トランジスタとは トランジスタの役割 増幅 : アナログ回路 スイッチ : ディジタル回路 トランジスタの前は, 真空管 でかくて, 電気食い, 壊れやすい マイクは可変電圧源スピーカーは 真空管アンプ トランジスタ 8

9 トランジスタ バイポーラトランジスタ 動作時にベース電流が流れる アナログ回路に適する MOS トランジスタ 動作時にゲート電流が流れない» 省電力» 最近の電子機器はほとんどすべて M OS スイッチとしての特性がよい! デジタル回路に適する B G C E D S 9

10 トランジスタの実物 ( ワシントンのアメリカ歴史博物館展示物より抜粋 ) Vacuum Tube から,Solid State Circuit へ トランジスタの発明は 1948 年 10

11 集積回路 (Integrated Circuit) とは 集積回路 :Integrated Circuit 個別部品回路 : Discrete Circuit 個別部品をひとつのチップの中にまとめて, 配線で接続したもの 11

12 最初の集積回路 1958 年 : トランジスタ 抵抗 配線を集積化 個別部品から, 部品の集積化へ 2000 年にキルビー氏はノーベル賞受賞 キルビー特許特許料 2 兆円 12

13 LSI とは? IC をさらに, 高集積にしたもの LSI: Large Scale Integration or Large Scale Integrated Circuit 多数のトランジスタが集積されている 13

14 シリコンから作られる LSI シリコン単結晶棒 SiO 2 水晶 ウエハー ( 単結晶の板 ) ダイシング (1 チップごとに切る ) ボンディング プロセス工程 LSI チップ 14

15 集積回路の表面と断面 もっとも細い配線は 22nm 15

16 LSI 製造用のマスクとウェハー n 1 LSI 製造の原版 ( マスク ) LSI 1 ウェハー LSI 16

17 集積回路 : 発展の歴史 最初の集積回路 (1958) Jack Kilby, Texas Instrumentsによる 最初のプロセッサ (1971) Intel ,200 トランジスタ 10mm プロセス 300mW 108kHz クロック 2005 年の System on Chip Cell B.E. 2 億 3 千万トランジスタ 90nm/45nm(13x9mm 2 ) 50 W at 1.1V 3.2GHz クロック

18 Moore s Law( ムーアの法則 ) 1965 年に,INTEL 社の Gordon Moore が提案した予言 1.5 年あるいは 2 年ごとに, ひとつのチップに載るトランジスタ数は倍増する 現在もムーアの法則は生きている 普通のアメリカ人ならみな知っている法則 コロンブスの卵 は誰も知らない 18

19 ムーアの法則 右と左は同じグラフ. 何が異なる? 19

20 20

21 ウイスキーの価格も指数的 前頁とともに富士通研究所井上さん講演資料より 21

22 ムーアの法則の実例 メモリの集積度 :3 年で 4 倍,10 年 100 倍,15 年 1000 倍, 30 年 100 万倍 プロセッサの動作速度 2 年で 2 倍 同一倍率で比較 Ge 年トランジスタ 1 個 64MbDRAM@1995 年,7000 万 Tr 22

23 微細化すると小型かつ高性能に! 5 年ほど前の blu-ray レコーダ Panasonic 9.5mm 5.9mm SONY 1 個の 45nm SoC いくつかの 90(or 65?)nm SoCs 0.8W 待機電力 3.0W Full HD (1920x1080) MPEG4 AVC Encoder Full HD (1440x1080) MPEG4 AVC Encoder 23

24 同じ性能のゲーム機なら? SCE 久多良木社長 ( 発売当時 ) 24

25 微細化による効果 マイクロ SD カード 34W 8.5W 25

26 最新のトランジスタ (FINFET) 米半導体最大手インテルは 4 日 立体構造をもった半導体チップを開発し 年内に生産を開始すると発表した 立体構造にすることで 従来の平面構造では実現が困難だった高速で消費電力の少ないチップが実現するという ( 朝日新聞 2011 年 5 月 5 日の記事より ) 26

27 FINFET による CPU(22nm,2012 年 ) トランジスタ数は 14 億個 27

28 最新のプロセッサ Intel 社最新プロセッサ (2014) パソコン用プロセッサ 13 億 Tr(Core が 2 個のため 22nm より Tr 数が少ない ) 14nm プロセス,83mm 2 28

29 集積回路を設計するとは? 回路図 回路図 (Schematic) トランジスタ同士の論理的な接続図 レイアウト レイアウト図 (Layout) 半導体の上に作成されるパタンそのもの 29

30 ムーアの法則への挑戦 log スケール Tr レベル設計 ゲートレベル設計 RT レベル設計 トランジスタ数は指数関数的に増えていくが 人が設計できるトランジスタ数はそうはならない 30

31 どこでもネットワーク インターネットの進歩も半導体のおかげ もはや半導体がなければ 世界は動かない 31

32 どこでもネットワーク (Ubiquitous Network) 家庭 ( 有線 ) 屋外 ( 無線 ) でのネット接続環境の変化 1990 年前半 : モデムを使って電話回線速度 : 9600bps~38400bps 1990 年後半 : 有線 :ISDN を使ってディジタル通信 64k-128k 無線 : PHS を使ってディジタル通信 32k-128k 2000 年前半 : 有線 : ADSL を使って 非対称ディジタル高速通信 8M-50M 無線 : 携帯電話網によるディジタル通信 (i-mode, FOMA) kbps bps って何 32

33 では現在は? 家庭 : 屋外 : 33

34 省エネルギーへの貢献 ブラウン管 HDD 蛍光灯 ガソリン自動車 エアコン 冷蔵庫 洗濯機 照明 インバータ制御による省エネ化 34

35 微細化による効果 トランジスタ 1 個あたりの電力が大幅に減っている 35

36 LED 照明の効果 信号の LED 化は 省電力だけでなく の手間が省けるという効果もある 36

37 半導体産業の広がり 半導体そのものは GDP の 1% しかし 半導体を利用する全産業の GDP は 40%! 37

38 半導体の働き 何でもできるスマホ 電話 カメラ 音楽プレーヤ 辞書 財布 ゲーム など 38

39 iphone(3gs) の中身 39

40 iphone の主要部品 アプリケーションプロセッサ フラッシュメモリ SIMカード 無線チップ SDRAM( メインメモリ ) 3 軸加速度センサ 電池 液晶 Iphone5 のメイン基板 40

41 ナノスケールの巨大さ LSI 上には, トランジスタと配線が nm スケールで描かれている 10mm 角に最小 22nm のパタンを書くのは, アジア大陸に 15m の道路を 15m 間隔で書くのとほぼ同じ さらに LSI は多層配線 ( 立体交差道路 ) mm um nm (10,000,000) 22 km m (6,600,000) nm LSI の配線 41

42 ウェハレベルでは? 東京ディズニーリゾート 30cmウェハに45nm の加工 =30kmの円内に4.5mmの加工 1cm 角のチップはほぼディズニーランドに等しい 30kmの円は東京 23 区をほぼ覆う 京都市内はすっぽり覆われる 42

43 見方を変えると 野球のグラウンドに 0.2 ミリのペンでパタンを書く LSI 内の配線構造 43

44 レポート課題 1. スマホ, 携帯電話以外の家電機器でネットワークに接続する機能を持つものとその用途をいくつかあげよ. 2. スマートフォンの機能で将来実現しそうなもの してほしいものを挙げよ 3. 集積回路のない世界に住むとしたら何が一番不便かを考えてみよ 44

45 参考資料 半導体産業研究所半導体ミニ辞典 JEITA 半導体部会よくわかる半導体 45