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電子情報通信工学序論
第5回 コンピュータの構成と大規模集積回路情報通信コース 北川章夫 Microelectronics Research Lab (MeRL)
MeRL Kanazawa Univ
電子情報通信技術を学ぶ前に2週にわたって現代の電子情報通信技術の基本となる「コンピュータ」「集積回路」「無線ネットワーク」「IoT」について学ぶ
技術は常に発展し続けているため一生涯学び続ける必要がある(今の自分に満足した時点から時代遅れな人になる)
最先端に到達するためにはトレンドを追うのではなく基礎から体系的に理解することが重要(試験の成績は重要ではなくなるべく広い分野を関連づけて理解するハードソフトなどの分類はやめよう)
2
昔の技術者に求められた能力
未来予測力+
問題解決力
現代の技術者に求められる能力
未来創造力+
探究心
AIが担当 人間が担当
MeRL Kanazawa Univ
新しい技術者のイメージ
3
1 モノ(商品)を作って売る2 モノをどうやって作るかを考える3 高性能化低価格化による価値提供4 高度な単独技術
1 方法(ソリューション)を売る2 課題の解決方法を考える3 イノベーションによる価値創造4 既存技術の複合 + x
従来の技術者 現代の技術者
現代の技術者には起業や事業運営の能力も求
められています
MeRL Kanazawa Univ
はじめに
コンピュータの歴史的発展や詳しい構造は「計算機システムA B」の講義で学ぶことにしてここではコンピュータの方式を簡単に理解しよう電子情報通信技術全般の基盤技術である大規模集積回路設計技術は「集積回路工学A~D」で学ぶがここでは設計ソフトを使ったVLSIの設計の手順を理解しよう下記のサイトの講義資料を必要に応じて参照すること
httpjacoectkanazawa-uacjpkitagawaedu
4
5-1 コンピュータの種類コンピュータはあらゆるところに組み込まれている
MeRL Kanazawa Univ
質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
MeRL Kanazawa Univ
身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
MeRL Kanazawa Univ
量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
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一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
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認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
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VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
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演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
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用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
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出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
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製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
電子情報通信技術を学ぶ前に2週にわたって現代の電子情報通信技術の基本となる「コンピュータ」「集積回路」「無線ネットワーク」「IoT」について学ぶ
技術は常に発展し続けているため一生涯学び続ける必要がある(今の自分に満足した時点から時代遅れな人になる)
最先端に到達するためにはトレンドを追うのではなく基礎から体系的に理解することが重要(試験の成績は重要ではなくなるべく広い分野を関連づけて理解するハードソフトなどの分類はやめよう)
2
昔の技術者に求められた能力
未来予測力+
問題解決力
現代の技術者に求められる能力
未来創造力+
探究心
AIが担当 人間が担当
MeRL Kanazawa Univ
新しい技術者のイメージ
3
1 モノ(商品)を作って売る2 モノをどうやって作るかを考える3 高性能化低価格化による価値提供4 高度な単独技術
1 方法(ソリューション)を売る2 課題の解決方法を考える3 イノベーションによる価値創造4 既存技術の複合 + x
従来の技術者 現代の技術者
現代の技術者には起業や事業運営の能力も求
められています
MeRL Kanazawa Univ
はじめに
コンピュータの歴史的発展や詳しい構造は「計算機システムA B」の講義で学ぶことにしてここではコンピュータの方式を簡単に理解しよう電子情報通信技術全般の基盤技術である大規模集積回路設計技術は「集積回路工学A~D」で学ぶがここでは設計ソフトを使ったVLSIの設計の手順を理解しよう下記のサイトの講義資料を必要に応じて参照すること
httpjacoectkanazawa-uacjpkitagawaedu
4
5-1 コンピュータの種類コンピュータはあらゆるところに組み込まれている
MeRL Kanazawa Univ
質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
MeRL Kanazawa Univ
身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
MeRL Kanazawa Univ
ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
MeRL Kanazawa Univ
ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
MeRL Kanazawa Univ
ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
MeRL Kanazawa Univ
コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
MeRL Kanazawa Univ
コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
MeRL Kanazawa Univ
ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
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ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
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量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
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一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
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認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
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用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
新しい技術者のイメージ
3
1 モノ(商品)を作って売る2 モノをどうやって作るかを考える3 高性能化低価格化による価値提供4 高度な単独技術
1 方法(ソリューション)を売る2 課題の解決方法を考える3 イノベーションによる価値創造4 既存技術の複合 + x
従来の技術者 現代の技術者
現代の技術者には起業や事業運営の能力も求
められています
MeRL Kanazawa Univ
はじめに
コンピュータの歴史的発展や詳しい構造は「計算機システムA B」の講義で学ぶことにしてここではコンピュータの方式を簡単に理解しよう電子情報通信技術全般の基盤技術である大規模集積回路設計技術は「集積回路工学A~D」で学ぶがここでは設計ソフトを使ったVLSIの設計の手順を理解しよう下記のサイトの講義資料を必要に応じて参照すること
httpjacoectkanazawa-uacjpkitagawaedu
4
5-1 コンピュータの種類コンピュータはあらゆるところに組み込まれている
MeRL Kanazawa Univ
質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
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身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
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Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
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出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
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ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
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OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
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垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
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集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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はじめに
コンピュータの歴史的発展や詳しい構造は「計算機システムA B」の講義で学ぶことにしてここではコンピュータの方式を簡単に理解しよう電子情報通信技術全般の基盤技術である大規模集積回路設計技術は「集積回路工学A~D」で学ぶがここでは設計ソフトを使ったVLSIの設計の手順を理解しよう下記のサイトの講義資料を必要に応じて参照すること
httpjacoectkanazawa-uacjpkitagawaedu
4
5-1 コンピュータの種類コンピュータはあらゆるところに組み込まれている
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質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
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身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
MeRL Kanazawa Univ
産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
5-1 コンピュータの種類コンピュータはあらゆるところに組み込まれている
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質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
MeRL Kanazawa Univ
身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
質問
皆さんはコンピュータを何個持っていますか
6
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身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
身の回りのコンピュータ
7
スマートフォン(電話付きのコンピュータ)
ICカード電子マネー
自動車(100個以上のコンピュータの固まり)
ネットワークオーディオ
電子楽器エフェクタ
冷蔵庫電子レンジなどの家電製品
基本的に全ての電子機器は特定用途のコンピュータを搭載していると考えてよい
カーナビ
殆どの医療計測機器(体温計血圧計など)
カメラ
プリンタ
電子鍵
RF-ID(電子バーコード電子証書)
ディスプレイタッチパネル
ゲーム機
タブレットスマートフォン
FAX固定電話
リモコン
無線LANルータ
ディジタルサイネージ(電子広告電光掲示板)
テレビSTB
MeRL Kanazawa Univ
ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
MeRL Kanazawa Univ
ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
MeRL Kanazawa Univ
ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
MeRL Kanazawa Univ
量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ICカードやICタグもれっきとしたコンピュータ
8
ICカード
24GHz帯 RF-IDタグ
Felicaチップ(1356MH)
NVRAM
Mask ROM
CPUNFC電源
暗号
SRAM
CPU = Central Processing Unit (本体)NVRAM = Non-Volatile Random Access MemoryNFC = Near Field Communication (次頁)
04mm
NFC決済
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ICカードの仕組み
9
Near Field Communication (NFC)(10cm程度の近距離通信の国際規格)
アンテナまたはコイルICカード
(電源不要)
ICチップ (1mm以下)
電力の伝送(磁界または電磁波)
コントロールボード
アンテナ
リーダライタ(電源を供給)
[参考] 無電源無線通信技術アンテナの吸収電力を変化させることによりリーダライタが発する電磁界をASK変調して無線通信する技術Backscatter方式と呼ばれるリーダライタ側もBackscatterを使う場合はAmbient Backscatterと呼ばれ完全な無電源となる
ASK = Amplitude Shit Keying
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ソフト+ハードを含めて「組み込みシステム」(影で動いている)
使用目的によるコンピュータの分類
10
ノートブック
マイコン(Microcontroller)
1ボードPC
デスクトップ
[参考] GPGPU = General-purpose computing on graphics processing units
特定用途向け
汎用高速計算技術開発に特化
GPGPUサーバー
スマホ
スパコン
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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コンピュータの動作原理による分類
11
量子コンピュータ (Washington)出典D-Wave Systems
ニューラルネットワーク(TrueNorth)出典IBM
ノイマン型コンピュータ(Core i7)出典Intel Corporation
プログラムにより動作 学習により動作 プログラムにより動作
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
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Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
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出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
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ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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コンピュータの実装に使われる技術
12
半導体超伝導技術
VLSI技術(回路とソフト)
ノイマン型コンピュータ
ニューラルネットワーク
超伝導光デバイス技術
量子コンピュータ
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ノイマン型コンピュータ現在主流の汎用コンピュータはノイマン型と呼ばれる(スパコンを含む)3名の開発者の名をつけて Eckert-Mauchly-von Neumann architecture とも呼ばれる
ノイマン型コンピュータの特徴メモリにプログラムとデータを内蔵し論理記述可能な任意の処理を行う(チューリングマシンの一種)プログラムを逐次実行する(高速演算が要求される)
ノイマン型コンピュータでないものは「非ノイマン型コンピュータ」と呼ばれる方式 例 特徴
条件に合致する解を求める 量子コンピュータDNAコンピュータ
解を並列に探索する組み合わせ最適化問題に有効とされている
神経回路の機能と構造を模擬 ディープニューラルネットワーク(DNN)
所謂AI学習により高精度な特徴抽出パターン認識ができる
13
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ノイマン型コンピュータが苦手な組み合わせ最適化問題の例
14
ナップサック問題
遠足のおやつに何を何個持って行くかbull 合計300円以内bull 各おやつの値段と必要度が分かっている(N種類のおやつの組み合わせ = 2N 通り)
巡回セールスマン問題
最短距離で都市を巡るにはどの順番でいくかbull 全ての都市を1回通るbull 都市間の距離が分かっている(N都市を回る順序 = N 通り)
30種類のおやつから選ぶ場合1073741824通りの組み合わせを検討する必要がある
30市を回る計画の場合2653times1032通りの組み合わせを検討する必要がある
ノイマン型コンピュータは全ての場合について計算を行うので現実的ではない(スパコンでも困難)
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ノイマン型コンピュータと量子コンピュータ
15
量子コンピュータによるチューリングマシン(量子演算を何度も行える汎用コンピュータ)も原理的には実現可能
組み合わせ1
組み合わせ2
組み合わせ230
hellip
演算
演算
演算
判定
組み合わせ1~230
30bit
30Qbit
データを重ね合わせることにより1回で計算を行うrarr 従来の暗号が解けてしまう
各ビットは1となる確率で表される
量子演算() 測定
正しい組み合わせ
正しい組み合わせ(確率が最も高い組み合わせ)
ノイマン型(古典計算機)
量子コンピュータ
量子状態のベクトルで実現bull 光の位相や偏向bull 超伝導リングの磁束など
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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量子コンピュータを使ってみよう無料公開されている量子コンピュータ (IBM Q Experience)の利用法httpsdeveloperibmcomjptechnologiesquantum-computingtutorialscl-quantum-computing
量子コンピュータの初心者向け解説(線形代数量子力学の知識が必要)httpsdojoqulacsorgjalatest
16
(参考)ビット(bit)と量子ビット(qbit)N bit N qbit
表現する値 2N 個の数値の集合 2N 次元のベクトルの集合
N = 1 の例 x = 1 0
N = 2 の例 x = 00 01 10 11| ⟩0 = 0
1
| ⟩1 = 10 | ⟩119909119909
実際は2N次元複素空間
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AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
AIに必要な機能
17
一言で機械学習と呼ぶがいろいろなタイプ(目的)のアルゴリズムが必要
教師あり(原因と結果の関係を学習)
回帰(予測)
分類(特徴に従って分ける)
異常検知予知(異常と診断される状態の検知)
教師なし(データ構造を学習)
クラスタリング(特徴を見つける)
異常検知予知(いつもと違う状態の検知)
次元削減(重要な特徴を選択する)
強化学習
評価値(点数)を最大にする行動の
学習
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ニューラルネットワーク(AIの実装方法の一種)
18
ニューロンの機能と脳のネットワークを模倣()
x1 times
times
times
x2
hellip
xN
w1
w2
wN
119894119894=1
119873119873
119908119908119894119894119909119909119894119894
ニューロン のモデル
i1
i2
y
i3
h1
h1
o1
o2
o3
認識分類生成
データ
ニューロンニューロン
ニューロン
学習機構(wiを最適化)
画像音声センサ文字など
現在はノイマン型コンピュータのソフトウエアで模擬したものが主流
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生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
生成AI
19
認識などのAI
生成AI(生成系AI)
Golden Retriever
Golden Retriever特徴A B C
通常のAIと逆の処理を行わせる
符号化(情報圧縮)
復号(情報付加)
高次元情報
高次元情報(具体的)
低次元情報(抽象的)
低次元情報
仮想モデルの自動作成(データグリッド) httpsdatagridcojp新聞記事の自動生成 (日本経済新聞) httpsprnikkeicomqreports-ai
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
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出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
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ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
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OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
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集積回路(VLSI)技術の構成
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製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
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垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
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Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
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集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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VLSIコンピュータ技術通信技術の発展は密接に関連
20
VLSIの高性能化
bull高速化
bull低消費電力化
bull高集積化
コンピュータの高性能化
bull高速処理
bull消費電力低減
bull高機能
通信の高性能化
bull高速伝送
bull消費電力低減
bullセキュリティ
高性能化要求と開発投資 高性能化要求と開発投資
新技術 新技術
全体像を見ないと技術は理解できない(1分野の知識では足りない)
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
5-2 マイクロプロセッサコンピュータの仕組みと構造
21
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ノイマン型コンピュータの構造
22
演算回路(ALU)
記憶回路(レジスタ)
入出力回路(IO)
データの流れを制御する回路(シーケンサ)
記憶回路(メモリ)
制御信号命令制御信号制御信号制御信号
MPUまたはCPUMCUまたはマイコン
プログラム()やデータはここに保存
命令や処理途中のデータはここに保存
プログラムはコンピュータへの命令(次頁参照)の実行手順を示したもの
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
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LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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ハードウエアの用語(覚えておこう)
23
用語 意味
MPU (Microprocessor Unit) コンピュータの主要部分(前ページ参照)を搭載したLSI (Large Scale Integration)
CPU (Central Processing Unit) MPUと同義(ただし物ではなく機能を指す名称)
MCU (Microcontroller Unit) MPU + メモリ + タイマー + アナログ-ディジタル変換 + 通信回路(無線の場合もある)を1チップに集積化したLSIまたプログラムを内蔵する(書き込む)ことができる
SoC (System on a Chip)またはSystem LSI
多数のMPUを搭載し1チップでシステム全体を構成できる特定用途向けの大規模LSI(スマートフォンLSI等)
命令セット (Instruction set) プログラムを構成する処理要素の集合(MPUが実行する)bull 算術演算 A + B AB などbull 論理演算 A cap B AcupB などbull 比較判定 A gt B A = B などbull データ読み出し保存bull ジャンプ(プログラムの実行順序を変更する命令)
これがソフトウエアとハードウエアを接続している
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
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IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
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命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
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分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
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Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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マイクロプロセッサ(Microprocessor)コンピュータの本体の半導体部品プログラムによって与えられた計算判断記憶などの命令を逐次処理する機能としてCPU(Central Processing Unit) 半導体製品としてマイクロプロセッサの名称が使われることが多い
24
Intel Core i7 (4 Core 770000000 Tr) 2008
Intel 4004 (2300 Tr) 1971世界で最初に開発されたマイクロプロセッサ
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メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
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マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
メモリ(RAM Random Access Memory)コンピュータの記憶機能を担う半導体部品アドレスを指定してプログラムや処理対象のデータを記憶しておくアクセス速度容量揮発不揮発動作原理などが異なる多くの種類がある
25
出典 三菱電機 8Mbit SRAM(通常マイクロプロセッサに内蔵)
出典 シャープ金沢大 256kbit ReRAM(新型不揮発性メモリ = 主記憶と補助記憶を統合する高速不揮発性メモリ)
出典 NEC 64Mbit DRAM(PC用の主記憶や画像処理VLSIに内蔵)
MeRL Kanazawa Univ
マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
MeRL Kanazawa Univ
マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
MeRL Kanazawa Univ
命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
MeRL Kanazawa Univ
[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
MeRL Kanazawa Univ
メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
MeRL Kanazawa Univ
IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
マイクロプロセッサのデータパスIR 命令レジスタメモリ読み出した命令を一時保存する
ALU 算術論理演算ユニット算術演算や論理演算を行う
REG FILE レジスタファイルデータやアドレスを一時保管する
PC プログラムカウンタ次に実行する命令のアドレスを設定する
MAR メモリアドレスレジスタアクセスしたいメモリのアドレスを一時保管する
MDR メモリデータレジスタメモリに書き込むデータを一時保管する
26
IR
ALU
REG FILE
PC
MAR
MDR
メモリ
制御
書き込み
読み出し
BUS(共有配線)
各ブロックの機能や配線接続を制御
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マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
マイクロプロセッサのシーケンスの例データパスの各ブロックを動作させる毎に時間が必要なので命令毎に次のような状態遷移を行いこれを繰り返す
27
命令フェッチ
レジスタフェッチ
実行フェーズ1
実行フェーズ2
PCに設定されているアドレスから命令をIRに読み込む
IRで指定された番号のレジスタの値を読み出す+PCをインクリメント
メモリアクセス以外の命令を実行する
メモリアクセス命令を実行する
Reset
LOADSTORE
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
MeRL Kanazawa Univ
メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
MeRL Kanazawa Univ
IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
MeRL Kanazawa Univ
集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
MeRL Kanazawa Univ
VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
MeRL Kanazawa Univ
産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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命令セット(Instruction Set Architecture)命令 = オペコード + オペランド (ソフトウエアとのインタフェースを規定)オペコード = 命令の種類(例加算レジスタ値のコピーメモリからのデータの読み込み条件分岐など)オペランド = 操作対象の指定(例レジスタ名メモリのアドレス条件分岐先など)
28
ニーモニック 処理内容 説明
ADD d s d = d + s 加算
MOV d s d = s レジスタのコピー
LD d (s) MAR = s d = MDR データの読み込み
BMI s x if (s lt 0) pc = pc - 1 + x 条件分岐
[参考] 複雑なプログラムをプロセッサの命令セットを使って書くのは大変なのでコンパイラやアセンブラで変換するフローは高級言語(ソース)rarr [コンパイラ] rarr アセンブリ言語(ニーモニックなど)rarr [アセンブラ] rarr バイナリ(実行形式)
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
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[参考] 命令の構造によるプロセッサの分類
29
分類 オペランドの制限 プロセッサ例
Register-Registerマシン(RISC Reduced Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに直接指定できない(命令の長さが一定)
処理 = 多くの命令数が必要命令 = 高速化しやすい
SPARC MIPS POWER ARM
Register-Memoryマシン メモリアドレスをオペランドに1個指定できる
Intel x86 Motorola 68
Memory-Memoryマシン(CISC Complex Instruction Set Computer)
メモリアドレスをオペランドに2個または3個指定できる(命令の長さが可変)
処理 = 少ない命令で実行命令 = 回路が複雑になり高速化しにくい
VAX-11 NS32X32
[注] 現在では良いとこ取りになっており分類に当てはまらないプロセッサが多い
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メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
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IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
メモリの構造
30
OSが管理するデバイス(低速大容量)
オンボード(中速中容量)
マイクロプロセッサ内(高速小容量)
1次キャッシュ
2次キャッシュ
主記憶
補助記憶 補助記憶 補助記憶
SRAM
DRAM
Flashなど
SRAM
将来的には新型不揮発性メモリにより統合
MeRL Kanazawa Univ
IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
MeRL Kanazawa Univ
集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
MeRL Kanazawa Univ
VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
MeRL Kanazawa Univ
産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
IO
IO
IO
IO
BUS
メモリ
CPUDisk
Serial
Ethernet
Analog
BUSBridge
IOと割り込みコンピュータは入出力(IO)を通して制御や通信処理などの実際の仕事を行うCPU(プログラム)からIOをチェック = ポーリング(Polling) rarr CPUに負荷がかかるIO(他にタイマなど)からCPUに処理を要求 = 割り込み(Interrupt) rarr 処理ルーチンにジャンプ
31
(直結の場合もある)
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
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集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
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VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
5-3 VLSI設計技術マイクロプロセッサの情報化
32
MeRL Kanazawa Univ
集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
MeRL Kanazawa Univ
VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
集積回路(VLSI)技術の構成
33
製造技術
設計技術
VLSI技術は2つの専門分野で成り立っている
bull 回路bull レイアウトbull システムbull CAD()
Computer Aided Design (コンピュータ支援設計)
bull 半導体物性bull デバイスbull 製造プロセスbull 微細加工
両コース共通
トランジスタ
電気電子コース
MeRL Kanazawa Univ
VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
MeRL Kanazawa Univ
産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
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Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
VLSI産業
34
垂直統合体制 水平分業体制
A社
W社
X社
Y社
Z社
B社
C社
D社
LSI設計開発
コア設計開発
生産前工程
生産後工程
ファブレスメーカ
IPプロバイダ
ファンドリ
サブコン
ARM Rambus など
TSMC UMC SMICなど
ASE ChipMOSなど
1990年代まで
(注) LSI技術分野ではIP(Intellectual Property)は設計データなどの設計資産を指す
Qualcomm NVIDIA Xilinxなど
2000年代以後
1990年代までと大きく異なり半導体の垂直統合企業が少数となり半導体産業は国際分業化されたVLSI設計開発分野は半導体に分類されていない先端技術分野(情報通信AI宇宙医療バイオエネルギーなど)に移行しているこのためVLSI設計技術が先端技術分野全分野の基本知識となりつつある
重要
現在の成長分野
製造をしていないため日本のメディアや政府が半導体技術と認識していない
(実際の主要分野)
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産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
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VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
48
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
産業の米
製造装置590
単位億$(世界)
材料410
F Huang Green IT international symposiumICハンドブック JEITA 2009
半導体2560
電子産業13000
自動車医療
産業機器宇宙
防衛
インターネットコンテンツ
ゲームサービス50000
通信 放送
化学 電力交通
日本の半導体生産額はGDPの1に過ぎないが社会への影響力は絶大
日本の半導体応用分野の市場はGDPの40以上 研究開発投資があら
ゆる分野から集まる
35
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ 36
Kilbyの特許
US PatentNo 2 138 743 1964
Jack S Kilby 2000 ノーベル物理学賞受賞出典 TI Inc
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ 37
Noyceの特許
US PatentNo 2 981 877 1961
Robert Noyce Fairchild Semiconductor International Inc出典 Innopedia
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
VLSI内のトランジスタの構造(MOSFETの構造)
38
集積度は配線ピッチで決まる
性能はトランジスタ寸法で決まる
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
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ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
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デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
39
MOSFETの微細化
POLYn+p+
L
W250nm
180nm130nm 90nm 65nm 40nm 28nm 20nm
1200nm
600nm500nm
350nm
07倍3年のペースで微細化が進められている
最先端
14nm
times 07 times 07
7nm
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
ムーアの法則
40
100E+03
100E+04
100E+05
100E+06
100E+07
100E+08
100E+09
100E+10
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
TrC
hip 出典Intel Corporation
集積度 = 1チップのトランジスタ数の変化
プロセッサ年率59=4倍3years
メモリ(DRAM)年率73=3倍2years
DRAM
MPU
微細化技術の進歩による集積度向上
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
1971 | 1971 | 1971 | |||
1972 | 1972 | 1972 | |||
19735 | 19735 | 19735 | |||
19745 | 19745 | 19745 | |||
1975 | 1975 | 1975 | |||
1976 | 1976 | 1976 | |||
1977 | 1977 | 1977 | |||
19785 | 19785 | 19785 | |||
1979 | 1979 | 1979 | |||
1980 | 1980 | 1980 | |||
1981 | 1981 | 1981 | |||
1982 | 1982 | 1982 | |||
1983 | 1983 | 1983 | |||
1984 | 1984 | 1984 | |||
19845 | 19845 | 19845 | |||
1985 | 1985 | 1985 | |||
1986 | 1986 | 1986 | |||
1987 | 1987 | 1987 | |||
19885 | 19885 | 19885 | |||
19895 | 19895 | 19895 | |||
19905 | 19905 | 19905 | |||
1991 | 1991 | 1991 | |||
1992 | 1992 | 1992 | |||
1993 | 1993 | 1993 | |||
19935 | 19935 | 19935 | |||
1994 | 1994 | 1994 | |||
1995 | 1995 | 1995 | |||
19955 | 19955 | 19955 | |||
19965 | 19965 | 19965 | |||
1997 | 1997 | 1997 | |||
1998 | 1998 | 1998 | |||
1999 | 1999 | 1999 | |||
2000 | 2000 | 2000 | |||
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
Year | Logic hp (nm) | DRAM hp (nm) | MPU Gate Length L (nm) | ||||
1995 | 800 | 320 | 300 | ||||
1996 | 500 | 300 | 240 | ||||
1997 | 350 | 230 | 160 | ||||
1998 | 250 | 200 | 120 | ||||
1999 | 210 | 165 | 83 | ||||
2000 | 180 | 146 | 72 | ||||
2001 | 150 | 130 | 60 | ||||
2002 | 130 | 114 | 52 | ||||
2003 | 109 | 101 | 47 | ||||
2004 | 90 | 90 | 40 | ||||
2005 | 78 | 78 | 31 | ||||
2006 | 71 | 71 | 29 | ||||
2007 | 65 | 65 | 27 | ||||
2010 | 45 | 45 | 20 | ||||
2013 | 32 | 32 | 14 | ||||
2016 | 22 | 22 | 10 | ||||
2019 | 16 | 16 | 7 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
Year | Market Size (109 US$) | ||
1961 | 8 | ||
1962 | 88 | ||
1963 | 89 | ||
1964 | 99 | ||
1965 | 10 | ||
1966 | 12 | ||
1967 | 19 | ||
1968 | 24 | ||
1969 | 30 | ||
1970 | 32 | ||
1971 | 35 | ||
1972 | 33 | ||
1973 | 37 | ||
1974 | 66 | ||
1975 | 75 | ||
1976 | 70 | ||
1977 | 78 | ||
1978 | 79 | ||
1979 | 92 | ||
1980 | 102 | ||
1981 | 110 | ||
1982 | 108 | ||
1983 | 111 | ||
1984 | 190 | ||
1985 | 370 | ||
1986 | 350 | ||
1987 | 390 | ||
1988 | 500 | ||
1989 | 660 | ||
1990 | 700 | ||
1991 | 720 | ||
1992 | 730 | ||
1993 | 760 | ||
1994 | 850 | ||
1995 | 1300 | ||
1996 | 1080 | ||
1997 | 1088 | ||
1998 | 1003 | ||
1999 | 1100 | ||
2000 | 1200 | ||
2001 | 1500 | ||
2002 | 1300 | ||
2003 | 1320 | ||
2004 | 1521 | ||
2005 | 1861 | ||
2006 | 2073 | ||
2007 | 2310 | ||
2008 | 2573 | ||
2009 | 2866 | ||
2010 | 3200 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
Year | DRAM | Intel MPU | Motorola MPU | ||||
1971 | 400E+03 | 200E+03 | |||||
1972 | |||||||
19735 | 100E+04 | ||||||
19745 | 600E+03 | 500E+03 | |||||
1975 | |||||||
1976 | 300E+04 | ||||||
1977 | |||||||
19785 | 300E+04 | ||||||
1979 | 730E+04 | ||||||
1980 | |||||||
1981 | 120E+05 | ||||||
1982 | 110E+05 | ||||||
1983 | |||||||
1984 | 220E+05 | ||||||
19845 | 350E+05 | ||||||
1985 | 320E+05 | ||||||
1986 | |||||||
1987 | 330E+05 | ||||||
19885 | 120E+06 | ||||||
19895 | 110E+06 | ||||||
19905 | 130E+06 | ||||||
1991 | |||||||
1992 | 500E+06 | ||||||
1993 | 320E+06 | ||||||
19935 | 320E+06 | ||||||
1994 | 400E+06 | ||||||
1995 | 200E+07 | ||||||
19955 | 520E+06 | ||||||
19965 | 800E+06 | ||||||
1997 | |||||||
1998 | 700E+07 | ||||||
1999 | |||||||
2000 | 350E+08 | 160E+07 | |||||
2001 | 600E+07 | ||||||
2002 | 500E+08 | ||||||
2003 | 900E+07 | ||||||
2004 | 120E+09 | 200E+08 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
MeRL Kanazawa Univ
デナードのスケーリング則 1974トランジスタ(MOSFET)の微細化による性能と集積度の両方の向上が微細化技術開発の原動力
スケーリング則トランジスタの寸法を縦横高さを同じ縮尺(k倍)で微細化電圧を寸法と同じ縮尺(k倍)に低減(=電界を一定に保つことに相当)
41
Robert H Dennard1968 DRAM発明出典Wikipedia
スケーリング効果(理論的に求められる)
集積度 動作速度 消費電力トランジスタ 消費電力チップ
k倍スケーリング
1k 1k k2 1
k = 07のとき 2 14 05 1
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
MeRL Kanazawa Univ 42
1
10
100
1000
10000
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
Size
(nm
)
スケーリングの動向
Gate Length (Printed)
Gate Length (Physical)
M1 hp (Lithography)
酵母赤血球
細菌
ウイルス
分子(低分子量)色素 糖類 C60
ナノテクの領域
Logic Trend
参考ITRS 2007 2011
07x3years
可視光の波長
ディーゼル排気粒子
大腸菌
COVID-19
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
2001 | 2001 | 2001 | |||
2002 | 2002 | 2002 | |||
2003 | 2003 | 2003 | |||
2004 | 2004 | 2004 | |||
2005 | 2005 | 2005 | |||
2006 | 2006 | 2006 | |||
2007 | 2007 | 2007 | |||
2008 | 2008 | 2008 | |||
2009 | 2009 | 2009 | |||
2010 | 2010 | 2010 | |||
2011 | 2011 | 2011 | |||
2012 | 2012 | 2012 | |||
2013 | 2013 | 2013 | |||
2014 | 2014 | 2014 | |||
2015 | 2015 | 2015 | |||
2016 | 2016 | 2016 | |||
2017 | 2017 | 2017 | |||
2018 | 2018 | 2018 | |||
2019 | 2019 | 2019 | |||
2020 | 2020 | 2020 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
DRAM M1 hp | ASIC MPU M1hp (nm) | Flash poly hp (nm) | Gate L (nm) | ||||||
2001 | 130 | 160 | 160 | 90 | |||||
2002 | 115 | 139 | 133 | 80 | |||||
2003 | 100 | 120 | 111 | 71 | |||||
2004 | 90 | 104 | 93 | 63 | |||||
2005 | 80 | 90 | 76 | 54 | |||||
2006 | 70 | 78 | 64 | 48 | |||||
2007 | 65 | 68 | 57 | 42 | |||||
2008 | 57 | 59 | 51 | 38 | |||||
2009 | 50 | 52 | 45 | 34 | |||||
2010 | 45 | 45 | 40 | 30 | |||||
2011 | 40 | 40 | 36 | 27 | |||||
2012 | 36 | 36 | 32 | 24 | |||||
2013 | 32 | 32 | 29 | 21 | |||||
2014 | 28 | 28 | 25 | 19 | |||||
2015 | 25 | 25 | 23 | 17 | |||||
2016 | 22 | 22 | 20 | 15 | |||||
2017 | 20 | 20 | 18 | 13 | |||||
2018 | 18 | 18 | 16 | 12 | |||||
2019 | 16 | 16 | 14 | 11 | |||||
2020 | 14 | 14 | 13 | 9 |
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
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回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
VDD high performance (V) | VDD low power (V) | P high performance (W) | P cost performance (W) | P hand held (W) | DRAM 12 (nm) | ||||||||
2005 | 11 | 09 | 167 | 91 | 28 | 80 | |||||||
2006 | 11 | 09 | 180 | 98 | 3 | 70 | |||||||
2007 | 11 | 08 | 189 | 104 | 3 | 65 | |||||||
2008 | 1 | 08 | 198 | 111 | 3 | 57 | |||||||
2009 | 1 | 08 | 198 | 116 | 3 | 50 | |||||||
2010 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 45 | |||||||
2011 | 1 | 07 | 198 | 119 | 3 | 40 | |||||||
2012 | 09 | 07 | 198 | 125 | 3 | 36 | |||||||
2013 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 32 | |||||||
2014 | 09 | 06 | 198 | 137 | 3 | 28 | |||||||
2015 | 08 | 06 | 198 | 137 | 3 | 25 | |||||||
2016 | 08 | 05 | 198 | 151 | 3 | 22 | |||||||
2017 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 20 | |||||||
2018 | 07 | 05 | 198 | 151 | 3 | 18 | |||||||
2019 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 16 | |||||||
2020 | 07 | 05 | 198 | 157 | 3 | 14 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
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アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
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アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
DRAN 12 (nm) | Gate L high performance (nm) | Tox high performance (nm) | Gate L precision (nm) | Tox precision (nm) | bip emitter w (nm) | logic L (nm) | |||||||||
2005 | 80 | 75 | 22 | 250 | 5 | 150 | 90 | ||||||||
2006 | 70 | 65 | 21 | 250 | 5 | 140 | 78 | ||||||||
2007 | 65 | 53 | 2 | 250 | 5 | 130 | 68 | ||||||||
2008 | 57 | 45 | 19 | 250 | 5 | 120 | 59 | ||||||||
2009 | 50 | 37 | 16 | 250 | 5 | 100 | 52 | ||||||||
2010 | 45 | 32 | 15 | 180 | 3 | 100 | 45 | ||||||||
2011 | 40 | 28 | 14 | 180 | 3 | 100 | 40 | ||||||||
2012 | 36 | 25 | 14 | 180 | 3 | 90 | 36 | ||||||||
2013 | 32 | 22 | 13 | 180 | 3 | 90 | 32 | ||||||||
2014 | 28 | 20 | 12 | 180 | 3 | 90 | 28 | ||||||||
2015 | 25 | 18 | 11 | 180 | 3 | 80 | 25 | ||||||||
2016 | 22 | 16 | 11 | 180 | 3 | 80 | 22 | ||||||||
2017 | 20 | 14 | 11 | 180 | 3 | 80 | 20 | ||||||||
2018 | 18 | 13 | 1 | 180 | 3 | 70 | 18 | ||||||||
2019 | 16 | 12 | 1 | 130 | 26 | 70 | 16 | ||||||||
2020 | 14 | 11 | 09 | 130 | 26 | 70 | 14 |
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
VDD high performance (V) | VDD precision (V) | VDD high performance logic (V) | VDD low power logic (V) | ||||||
2005 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2006 | 12 | 25 | 11 | 09 | |||||
2007 | 12 | 25 | 11 | 08 | |||||
2008 | 12 | 25 | 1 | 08 | |||||
2009 | 11 | 25 | 1 | 08 | |||||
2010 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2011 | 11 | 18 | 1 | 07 | |||||
2012 | 1 | 18 | 09 | 07 | |||||
2013 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2014 | 1 | 18 | 09 | 06 | |||||
2015 | 1 | 18 | 08 | 06 | |||||
2016 | 1 | 18 | 08 | 05 | |||||
2017 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2018 | 1 | 18 | 07 | 05 | |||||
2019 | 1 | 15 | 07 | 05 | |||||
2020 | 1 | 15 | 07 | 05 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
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2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
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2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
ft LSTP (GHz) | ft precision (GHz) | bip ft high performance (GHz) | bip ft RF (GHz) | bip ft High Voltage (GHz) | fmax perfomance | fmax precision | ||||||||
2005 | 120 | 40 | 200 | 80 | 30 | |||||||||
2006 | 140 | 40 | 230 | 80 | 32 | |||||||||
2007 | 170 | 40 | 265 | 90 | 34 | |||||||||
2008 | 200 | 40 | 300 | 90 | 36 | |||||||||
2009 | 240 | 40 | 350 | 100 | 38 | |||||||||
2010 | 280 | 50 | 370 | 100 | 40 | |||||||||
2011 | 320 | 50 | 385 | 110 | 42 | |||||||||
2012 | 360 | 50 | 400 | 110 | 44 | |||||||||
2013 | 400 | 50 | 420 | 120 | 46 | |||||||||
2014 | 440 | 50 | 440 | 120 | 48 | |||||||||
2015 | 490 | 50 | 460 | 130 | 50 | |||||||||
2016 | 550 | 50 | 480 | 130 | 52 | |||||||||
2017 | 630 | 50 | 500 | 140 | 54 | |||||||||
2018 | 670 | 50 | 530 | 140 | 56 | |||||||||
2019 | 730 | 70 | 550 | 150 | 58 | |||||||||
2020 | 790 | 70 | 570 | 150 | 60 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
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2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
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2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
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2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
LSTP | precision | bipolar (general) | |||||
2005 | 190 | 500 | 3 | ||||
2006 | 180 | 500 | 3 | ||||
2007 | 160 | 500 | 2 | ||||
2008 | 140 | 500 | 2 | ||||
2009 | 100 | 500 | 2 | ||||
2010 | 90 | 180 | 15 | ||||
2011 | 80 | 180 | 15 | ||||
2012 | 80 | 180 | 15 | ||||
2013 | 70 | 180 | 1 | ||||
2014 | 60 | 180 | 1 | ||||
2015 | 50 | 180 | 1 | ||||
2016 | 50 | 180 | 07 | ||||
2017 | 50 | 180 | 07 | ||||
2018 | 40 | 180 | 07 | ||||
2019 | 40 | 135 | 07 | ||||
2020 | 30 | 135 | 07 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
LSTP | Precision | bip general current muching | |||||
2005 | 6 | 9 | 2 | ||||
2006 | 6 | 9 | 2 | ||||
2007 | 6 | 9 | 2 | ||||
2008 | 6 | 9 | 2 | ||||
2009 | 5 | 9 | 2 | ||||
2010 | 5 | 6 | 2 | ||||
2011 | 5 | 6 | 2 | ||||
2012 | 5 | 6 | 2 | ||||
2013 | 5 | 6 | 2 | ||||
2014 | 5 | 6 | 2 | ||||
2015 | 5 | 6 | 2 | ||||
2016 | 4 | 6 | 2 | ||||
2017 | 4 | 6 | 2 | ||||
2018 | 4 | 6 | 2 | ||||
2019 | 4 | 5 | 2 | ||||
2020 | 3 | 5 | 2 |
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
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無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
M1hp (nm) | ASIC Gate L (nm) | ASIC Leff (nm) | MPU Gate L (nm) | MPU Leff (nm) | |||||||
2001 | 160 | 150 | 90 | 90 | |||||||
2002 | 139 | 135 | 80 | 80 | |||||||
2003 | 120 | 110 | 65 | 71 | |||||||
2004 | 104 | 90 | 53 | 63 | |||||||
2005 | 90 | 76 | 45 | 54 | 32 | ||||||
2006 | 78 | 64 | 38 | 48 | 28 | ||||||
2007 | 68 | 54 | 32 | 42 | 25 | ||||||
2008 | 59 | 48 | 28 | 38 | 23 | ||||||
2009 | 52 | 42 | 25 | 34 | 20 | ||||||
2010 | 45 | 38 | 23 | 30 | 18 | ||||||
2011 | 40 | 34 | 20 | 27 | 16 | ||||||
2012 | 36 | 30 | 18 | 24 | 14 | ||||||
2013 | 32 | 27 | 16 | 21 | 13 | ||||||
2014 | 28 | 24 | 14 | 19 | 11 | ||||||
2015 | 25 | 21 | 13 | 17 | 10 | ||||||
2016 | 22 | 19 | 11 | 15 | 9 | ||||||
2017 | 20 | 17 | 10 | 13 | 8 | ||||||
2018 | 18 | 15 | 9 | 12 | 7 | ||||||
2019 | 16 | 13 | 8 | 11 | 6 | ||||||
2020 | 14 | 12 | 7 | 9 | 6 |
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
MeRL Kanazawa Univ
無線機能の集積化(金沢大学)
アナログ領域 ディジタル領域AD変換
大半の処理はディジタル回路で実行
アナログでしか実現できない処理
プロセッサに接続
アンテナに接続
25mm
アナログ回路とディジタル回路の混載により高機能化を達成
43
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
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アナログ回路とディジタル回路
44
アナログ回路
ディジタル回路
アナログ回路でないと実現できない機能bull データ伝送の無線化bull 電力供給の無線化bull アナログ信号とディジタル信号の相互変換bull デバイスのドライブ(液晶ディスプレイスピーカモータなど情報出力)bull センシング(イメージセンサバイオセンサなどの情報入力)
主な処理はディジタル回路+外部インタフェースはアナログ回路で実現
アナログ回路 ディジタル回路
bull 高速bull 低消費電力bull 精度の保証は難しいbull 遅延が小さいbull 手動設計
bull 低速bull 消費電力が比較的大bull 高精度bull 遅延が大きいbull 自動設計
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
MeRL Kanazawa Univ
アナログ回路とディジタル回路の設計法の違い
45
回路図作成
電子回路シミュレーション
レイアウト設計
寄生素子抽出電子回路シミュレーション
レイアウト-回路図整合性チェック(LVS)
設計規則チェック(DRC)
言語記述
論理シミュレーション
論理合成
タイミングシミュレーション
自動配置配線
設計規則チェック(DRC)
半導体メーカに製造外注
アナログ回路 ディジタル回路
ポイント実際の設計には多くのCAD(Computer Aided Design)ツールが必要
レイアウトエディタ
電子回路シミュレータ
寄生抽出ツール
LVSツール
DRCツール
回路図エディタ テキストエディタ
論理シミュレータ
論理合成ツール
論理シミュレータ
自動配置配線ツール
DRCツール
MeRL Kanazawa Univ
IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
MeRL Kanazawa Univ
ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
MeRL Kanazawa Univ
論理合成前
48
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
MeRL Kanazawa Univ
論理合成(拡大)
50
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
MeRL Kanazawa Univ
自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
MeRL Kanazawa Univ
論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
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IP(Intellectual Property)コア
マイクロプロセッサのHDL設計は「集積回路設計及び演習」で詳しく学ぶマイクロプロセッサなどの設計データ(HDL)は「IPコア」と呼ばれソフトウエアと同様に電子媒体として流通している(無料のものも多い)IPコアがあれば論理合成+自動配置配線により半導体メーカにVLSIを製造外注できる設計だけを行い製造を外注するメーカをファブレスという(現在の半導体メーカの多くがファブレス)製造だけを行うメーカをファンドリという(設計と製造が分離していることを国際的水平分業という)
代表的なオープンソースIPのコミュニティサイトOpenCores httpsopencoresorg金沢大学でも研究教育目的限定で一部のIPを公開 httpwwwmerljp
46
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
47
HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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ARMプロセッサ(スマホの標準CPU)代表的な32bitマイクロプロセッサ市場シェア 組み込みシステム 75 スマートフォン ほぼ100
IPとして販売されている(ライセンス料+ロイヤリティが収入)1コア = 5円以下
ARM Cortex シリーズがあるCortex-A アプリケーションプロセッサ向けCortex-R リアルタイム制御向けCortex-M 組み込みシステム向け
ARM Cortex-M0IoT(次回講義)向けの低消費電力小型のプロセッサ教育用として論理合成可能なHDL(Hardware Description Language)コードを無料で配布
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HDL記述例(算術論理演算ユニットの例)
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論理合成前
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論理合成(13202ゲート クロック100MHz)
49
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
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東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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論理合成(拡大)
50
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
51
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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58
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自動配置配線(0538mmtimes0998mm)
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自動配置配線(拡大)
52
論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
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九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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論理ゲート(スタンダードセル)
電源ライン
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論理ゲート(さらに拡大)
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p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
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58
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論理ゲート(さらに拡大)
53
p-ch MOSFETの列
n-ch MOSFETの列
5-4 金沢大学のLSI設計教育VDECの活動
54
55
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1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
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今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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54
55
Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
56
Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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Kanazawa Univ
1990年代後半=半導体製造サービスの普及とLSIのファブレス開発(工場を持たない生産)が可能に
半導体メーカ国内大学
VDECCADベンダー設計技術教育
産学共同開発
一括契約ライセンス供給情報提供
LSI設計データ(複数のVLSI設計図を1枚に纏めてメーカで製造)
1996年東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC通称ヴィデック)設立(10大学ネットワークで構成)
VLSI Design and Education Center
研究用試作と設計実習教育
ライセンス提供
製造サービス
大学やベンチャー企業がLSI
開発に参入
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Kanazawa Univ
金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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金沢大学VDECは北陸地域拠点として設立され日本のVLSI 設計教育研究の中心的役割を果たしています
VDEC(現dlab)は全国ネットワークで組織されています
金沢大学VLSI設計評価設備
金沢大学開発VLSI
東大東工大
東北大
北大
金沢大
名大
広大 京大
阪大
九大
LSI設計実習
MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
57
MeRL Kanazawa Univ
宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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MeRL Kanazawa Univ
今週のまとめコンピュータの殆どは自動車ロボットICカード電子機器などの中で「組み込みシステム」として使用されている
コンピュータは5つの構成要素(制御回路データパスメモリ入力出力)から成る
マイクロプロセッサの構造(アーキテクチャ)はデータパス命令セットメモリの構成IOの構成により決定される
現在のマイクロプロセッサはノイマン型コンピュータの動作原理に基づいて構成されているが他にも量子コンピュータやニューラルネットワークなどの動作原理の異なるコンピュータが実用化されている
回路システムはアナログ回路とディジタル回路により構成されそれぞれ設計手順やCADツールが異なる
マイクロプロセッサなどの集積回路のIPコア(設計データ)が流通しているのでこれらを活用すれば誰でも新しいLSIが設計できる
金沢大学ではVDECが提供する最先端のCADソフトウエアを用いて簡単にLSI開発が可能
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
58
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宿題各自のパソコンにスマホアプリの開発環境(Android Studio)をインストールしておくこと既に開発環境を持っている人は必要ない
インストール方法の説明サイトhttpjacoectkanazawa-uacjpedu「電子情報通信工学序論」をクリック「Androidアプリの開発環境インストール」をクリック
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