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LSI(Large Scale Integration) 概要 大規模集積回路 (LSI) とは何か? 理工学部電子情報デザイン学科藤野毅 LSI はどこに入っているか? PC, 携帯電話, デジカメ, 自動車 etc. LSI の中身にあるトランジスタとその進歩 集積度と速度向上 LSI はどのように計算しているか? LSI はどのようにしてつくられるか? 設計工程 製造工程 LSI に関係するホットな話題 ゲーム機 PS vs XBox6 マルチプロセッサ CPU 2 LSI はどこに入っているか () デスクトップパソコンを例にとる LSI はどこに入っているか (2) マザーボードの詳細 LSI 2メモリ (DRAM) LSI CPU この基板の上に多数の LSI が搭載されている LSI 4 CPU( マイクロプロセッサ ) 各種の演算を実行する パソコンの心臓部 AMD Athron64.μm ルール トランジスター数 億 万 ダイサイズ 9 平方 mm 2 メモリ (DRAM モジュール ) 演算処理データ プログラムを保存しておく 記憶装置 26MbitDRAM トランジスター数約 億個 2 次キャッシュメモリ 演算回路 制御回路 26MbitDRAM( プロトタイプ ) チップ写真三菱電機技術報告 99 年 月号より引用 http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2/924/amd.htm より引用 6

携帯電話もミニパソコン 通信用 LSI に加えて, デジカメ, 音楽再生, インターネット接続などの機能をサポートする CPU とメモリを搭載 デジカメの差別化は LSI によって () デジカメ向けに画像処理技術を駆使した LSI を独自開発 Panasonic LUMIX: ウ ィーナスエンジン CASIO:EXILIM エンジン キャノン IXY:DIGIC 7 デジカメの差別化は LSI によって (2) CASIO EXILIM EX-Sの最新機種のカタログより抜粋 高圧縮動画 (MPEG-4) 対応独自設計 LSI 長電池寿命設計 スリム最新の半導体プロセス 手振れ防止と低電圧駆動システム 自動車はマイコンの塊 CPU とメモリを一体化した LSI マイクロコントローラ ( マイコン ) すべてにマイコンを使用 複数の LSI をモジュール化した SIP 技術 新開発 Anti Shake DSP すべてにマイコンを使用 9 LSI 概要 LSI のマクロな姿 LSI はどこに入っているか? PC, 携帯電話, デジカメ, 自動車 etc. LSI の中身にあるトランジスタとその進歩 集積度と速度向上 LSI はどのように計算しているか? LSI はどのようにしてつくられるか? 設計工程 製造工程 LSI に関係するホットな話題 ゲーム機 PS vs XBox6 マルチプロセッサ CPU 2 半導体ウエハ LSI は下記のように多数のチップが乗った半導体ウエハ上に多数個製造され, それぞれがパッケージに格納されて最終的な製品となる. 半導体ウエハ ( 直径 mm) 切り出し LSI パッケージの構造 ( 上 ) と外観 2

LSI のミクロな姿 金属配線 トランジスタとは? 下記のような構造をしている 端子の素子で, ゲート電圧によって, ソースとドレインの導通を制御するスイッチと考えられる. ポリシリコン ゲート酸化膜 N 拡散層 P 型シリコン基板 N 拡散層 トランジスタ ソース電極 (S) G ゲート電極 (G) ドレイン電極 (D) μm(cm の 万分の ) S D 4 トランジスタから VLSI への進化 97 9 99 2 2 22 パソコン 携帯電話 個別トランジスタ デジカメ IC ロボット LSI VLSI,ULSI CPU に見る動作速度と容量の進歩 ムーアの法則 Intel 社の創設者の一人である Gordon Moore 博士が 96 年に経験則として提唱した 半導体の集積密度は ~24 ヶ月で倍増する という法則 集積密度の向上により, 動作速度の向上, メモリ容量の増大を実現できた 2 年 Pentium4.GHz 2 億個以上 システムオンチッフ (SOC) システムインハ ッケーシ (SIP) LSI= 電子システムに! 6 動作周波数の向上 (.GHz の威力 ).GHzは 秒間に 億回計算できる能力 秒間に 回計算できる人間が寝ずに2 年かかる計算を 秒で実行 Hz.GHz まだ終わらんのう 2 年 集積度の向上 (2 億個のトランジスタ ) 2 億個のトランジスタを cm 角の CPU に配置するときの回路配線幅は.μm 東京 大阪間に CPU を配置したときの回路配線幅はわずか m 東京 大阪を含む中部地方全域に m 道路を配置する設計図を想像してください 秒 7

LSI 概要 LSI はどこに入っているか? PC, 携帯電話, デジカメ, 自動車 etc. LSI の中身にあるトランジスタとその進歩 集積度と速度向上 LSI はどのように計算しているか? LSI はどのようにしてつくられるか? 設計工程 製造工程 LSI に関係するホットな話題ゲーム機 PS vs XBox6 マルチプロセッサ CPU コンピュータ内での演算 A=B+C という計算をコンピュータに実行させる コンピュータは機械語命令を解読して演算 C プログラム C コンパイラ 機械語プログラム メモリ アセンブリ プロセッサ A= B+C; 機械語 プログラム プログラム LD, [D] 64 ADD, [] B4 ST, [] 742 HLT F 9 2 に D データ [] を代入 に D データ [] を代入 足し算 step LD,[D] 足し算 step LD,[D] 命令 64 B4 命令を解読 742 する回路 D 64 命令 64 B4 命令を解読 742 する回路 D 2 22 に D データ [] を代入 と データ [] を加算した結果を に代入 足し算 step LD,[D] 足し算 step2 ADD,[] 64 命令 64 B4 命令を解読 742 する回路 D 加算, 減算等を行なう回路 D 64 B4 742 2 24 4

と データ [] を加算した結果を に代入 と データ [] を加算した結果を に代入 足し算 step2 ADD,[] 足し算 step2 ADD,[] 加算, 減算等を行なう回路 B4 D 64 B4 742 加算, 減算等を行なう回路 B4 D 64 B4 742 2 26 と データ [] を加算した結果を に代入 に代入された計算結果データを に代入 足し算 step2 ADD,[] 足し算 step ST,[] 加算, 減算等を行なう回路 B4 D 64 B4 742 D 64 B4 742 27 2 に代入された計算結果データを に代入 に代入された計算結果データを に代入 足し算 step ST,[] 足し算 step ST,[] 742 D 64 B4 742 742 64 B4 742 D 29

2 値 ( ディジタル ) 論理 予習問題 2 回答 コンピュータ内部の演算は と の 2 値で行われる (2 進数が基本 ) 電源電圧 (Vdd) になっている場合 GND 電位 (V) になっている場合 A) 2 進数 内部計算の例 :2 進数の加算 ( 正の数 ) += += += +=( 桁上げが発生 ) 上記演算を LSI 中で実行するため論理回路を使用する NOT,AND,OR 回路 etc. B) 2 進数 2 予習問題 2 回答 A) 2 + 2 2 + 2 + 2 = 9 2 進数 進数 9 予習問題 回答 A) 2 B) 2 B) 2 進数 4 + 2 + 2 2 + 2 + 2 = 2 26 進数 26 進数 進数 4 予習問題 回答 A) 2 2 2 2 進数 B) 2 2 9 2 9 2 4 2 2 進数 否定 (NOT) インバータで実現される論理 : 否定 F=A 入力が の時, 出力 F は 入力が の時, 出力 F は F,A,B は と の値しかとらない論理変数 A F=A A F 2 進数 2 進数 6 6

論理積 (AND) F= A B または A B または A B 入力 A,Bの両方が の時, 出力 Fは F,A,Bは と の値しかとらない論理変数 論理和 (OR) F=A+B または A B 入力 A,B のどちらかが の時, 出力 F は F,A,B は と の値しかとらない論理変数 A B F=A B A B F=A+B 7 スイッチ ON: スイッチ F: 電球が光る : A B F スイッチ ON: スイッチ F: 電球が光る : A B F AND 回路をトランジスタで作成 LSI 概要 A B 6 個のトランジスタで作られる P 型トランジスタ F A N 型トランジスタ B F LSI はどこに入っているか? PC, 携帯電話, デジカメ, 自動車 etc. LSI の中身にあるトランジスタとその進歩 集積度と速度向上 LSI はどのように計算しているか? LSI はどのようにしてつくられるか? 設計工程 製造工程 LSI に関係するホットな話題 ゲーム機 PS vs XBox6 マルチプロセッサ CPU 9 4 LSI 製造の流れ LSI の設計フロー : 機能と論理設計 4 LSI 設計 LSI 製造 LSI 組み立て完成品テスト. 機能と論理設計 2. トランジスタ回路設計. レイアウト設計. 成膜工程 2. 転写工程. エッチング工程 製造に使用する回路原版 ( フォトマスクを作成する ) 下記の工程をフォトマスクを使って何回も繰り返す ダイボンディング ワイヤボンディング 樹脂封入 所望の動作を行っていることをテスト 42 LSI で実現するデジタル回路の論理設計は下記に示すような ハードウエア記述言語 (verilog HDL) を使用することが一般的です module Counter(DIO,ck,Reset, PinCtr, CarryOut); inout [:] DIO; input ck, Reset, PinCtr; output CarryOut; reg CarryOut; reg [:] D; assign DIO = (PinCtr ==? (D):( bz)); always @(posedge ck) begin if( Reset ) begin CarryOut = ; D=; end else if( PinCtr ) begin CarryOut = ; D = DIO; end else if( D == ) begin CarryOut = ; D = ; end else begin D = D + ; CarryOut = ; end end endmodule 7

LSI の設計フロー 2: トランジスタ回路設計 ハードウエア記述言語で行った設計をトランジスタ回路に変換し 所望の動作周波数 消費電力で動作するかを確認します in mid out 2 in LSI の設計フロー : レイアウト設計 トランジスタ回路をウエハ上に作りこむための設計図 ( レイアウト ) を作成します Vdd Vdd - -2 mid in /. mid 4/. /. 4/. - out -4 4p p.2n.6n 2n 2.4n 2.n Time(sec) out #.tran.n n # VIN in PWL(n V n V.n.V 2n.V 2.n V n V) # VVdd Vdd DC.V それぞれの色ごとに異なったフォトマスクを作ります このため, つの LSI を完成させるためには 2 枚から 4 枚のフォトマスクが必要になります # VGnd Gnd DC V #.include MOS_.bsim Gnd Gnd #.save in out 4 44 フォトマスク レイアウト設計データは下記のような石英ガラス上に工程ごとに焼き付けられます. クロム ( または MoSi) 薄膜 ( 紫外線を遮蔽 ) 6 インチ ( 約 cm) LSI 製造が行なわれている工場 クリーンルームと呼ばれる, ごみや塵のほとんどない部屋をもつ工場で作られています 半導体ウエハ ~.μm 石英ガラス基板 ( 紫外線を透過 ) ~.μm 断面構造 外観 半導体ウエハを左の装置の容器に2 枚程度重ねてセットする 加工装置はウエハを自動で処理室に取り込んで加工している 4 46 転写工程とエッチング工程 二酸化シリコン レジスト シリコン 転写工程 エッチング工程 レジスト プラズマ 転写装置 半導体ウエハ上にレジストを塗布し, マスクパターンを縮小して転写した後に現像することで微細パターンを作成できる. 光源 ( 波長 λ) コンデンサレンズ フォトマスク フォトマスク UV 投影レンズ ( 開口数 N.A.) /4~/ 二酸化シリコン ステッパと呼ばれる転写装置 ステージを少しずつ動かして つのウエハで数十回露光ステージ 47 4

エッチング装置 LSI 概要 49 レジストでパターンの一部が保護されたウエハをプラズマ中のイオンと化学反応をさせると 露出部がエッチングされパターンが形成される エッチングガス プラズマ ドライエッチング装置 電極 レジスト被エッチング材料電極高周波電力 真空チャンバ LSI はどこに入っているか? PC, 携帯電話, デジカメ, 自動車 etc. LSI の中身にあるトランジスタとその進歩 集積度と速度向上 LSI はどのように計算しているか? LSI はどのようにしてつくられるか? 設計工程 製造工程 LSI に関係するホットな話題 ゲーム機 PS vs XBox6 マルチプロセッサ CPU ホットな LSI の話題 : 次世代ゲーム機 () ホットな LSI の話題 : 次世代ゲーム機 (2) 次世代ゲーム機 Playstation CPU Cell グラフィックス LSI RSX CPU Cell 次世代ゲーム機 Playstation 用 LSI CPU Cell はソニー IBM 東芝が設計 つの LSI 中に.2GHz 動作の 9 つのプロセッサを搭載 マルチプロセッサ技術 2 年 2 月の ISSCC( 世界固体素子回路国際会議 ) で発表 2 ゲーム機ハード開発競争 LSI 開発競争 パソコン用 LSI もマルチプロセッサに Microsoft XBox 2 年春に, インテル,AMD から相次いでパソコン用マルチプロセッサ CPU が発売された 発売開始時点で, 最先端の LSI 設計 & 製造技術を使用 Sony PS インテル PentiumD AMD Athron64 X2 4 9

話の終わりに 理工学部電子情報デザイン学科 24 年に作られた新学科 電子工学 ( ハードウエア ) 情報工学 ( ソフトウエア ) VLSI 設計技術 ( 学部教育で日本初 ) 両方学べるお得な学科 VLSI 設計技術を修得し, 自分の夢を実現する電子情報システムを設計できるエンジニアを育成する 参考文献 半導体ミニ辞典 http://www.sirij.jp/docs/mini42.pdf Web 上で入手できる, とてもわかりやすい資料ですので, 是非ご覧ください よくわかる CPU の基本と仕組み秀和システム西久保靖彦著 よくわかる半導体 LSI のできるまで日刊工業新聞社 半導体 LSI のできるまで 編集委員会編 日経エレクトロニクス 2 年 6 2 号 ASAHI パソコン 2 年 7 号 6