VLSI工学

  [ GB31201 ]
VLSI Engineering
対象:3・4学年 開設学期:秋AB 曜日・時限:火5・6 単位数:2単位
担当教員:安永守利, 金澤健治

概要

VLSI(Very Large Scale Integrated circuits: 大規模集積回路)は, パソコン,ゲーム機,スマートフォンからスーパーコンピュータにいたるまで,そのハードウェアのコアデバイスである. VLSI工学は,半導体材料から素子(トランジスタ)技術,回路技術,製造プロセス・実装技術,そしてハードウェア記述言語による設計技術まで多岐に渡る. 本講義ではこれらの各技術についてその基本を解説すると共に,これらの技術がどのように有機的に結びついて, 高性能(高速,低電力,高集積,低価格)なプロセッサやメモリなどのVLSIが実現されるかについて解説する.

学習・教育目標

  1. 「論理回路」で学んだ“論理ゲート”が,トランジスタ(半導体で作られたスイッチ)でハードウェア実現されることを理解する.
  2. 半導体の基礎を学び,トランジスタの基本的な動作を理解する.
  3. トランジスタを用いた論理回路(CMOS論理回路など)の基礎を学び,その設計方法を理解する.
  4. トランジスタを用いた記憶回路の原理を学び,主記憶に使われるDRAM,USBメモリやSSDに用いられるフラッシュメモリなどの構成を理解する.
  5. VLSIの高性能化(高速化)と低消費電力化に必要な技術と解析手法を理解する.
  6. VLSIの製造プロセスとその高密度実装技術について理解する.
  7. ASICやFPGAなど,VLSIの種類と構造について理解する.
  8. 加減乗除や初等的な数学関数等,プロセッサ構成要素のハードウェアがどのように実現されるかを理解する.
  9. VLSIによる細粒度並列計算の手法を理解する.

キーワード

VLSI(LSI),集積回路,トランジスタ,CMOS,論理回路,メモリ,FPGA, 算術演算回路

Keywords

Integrated Circuits,Transistor, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), Logic Circuits, Memory Circuits, FPGA (Field Programmable Gate Array), Arithmetic

時間割

講義内容/理解すべき項目
第1週論理ゲートとトランジスタ
VLSI(大規模集積回路)の基本となる論理ゲート(AND,OR,NOTなど)がトランジスタによって実現できることを学ぶ.
トランジスタの材料である半導体とその基本動作について理解する.
第2週トランジスタによる論理回路
トランジスタを用いたプロセッサなどの論理回路の設計について,CMOS論理回路を中心に理解する.
VLSIの動作速度と消費電力がどのようなメカニズムで決まるかを学ぶ.
第3週ラッチとメモリ
トランジスタを用いた記憶回路(ラッチとメモリ)の原理について学ぶ.
コンピュータの主記憶などに使われるDRAM,USBメモリやSSDに利用されるフラッシュメモリについて理解する.
第4週VLSI(大規模集積回路)の構造と製造・設計技術Ⅰ
トランジスタの構造とその製造技術(クリーンルーム内でどのようにVLSIチップが製造されているか)について学ぶ.
何故,1億個以上のトランジスタが1センチメートル四方のチップに集積できるのかについてわかり易く理解する.
第5週VLSI(大規模集積回路)の構造と製造・設計技術Ⅱ
VLSI(大規模集積回路)の設計フローについて学び,ハードウェア記述言語やCADツールの位置づけを学ぶ.
VLSIの大規模,高性能化には,高位ハードウェア記述言語や高性能CADが不可欠であることを理解する.
第6週VLSI(大規模集積回路)の実装と集積回路の種類
ASICやFPGAなどの集積回路の種類とその高密度実装技術(パッケージングとプリント基板への搭載技術)について学ぶ.
集積回路の実装技術が高性能IT機器には不可欠であることを理解する.
算術演算回路: 加算器(1)
桁上げ伝播加算,桁上げ選択加算,桁上げ先見加算
第7週算術演算回路: 加算器(2)
並列prefix加算,桁上げ保存加算
第8週算術演算回路: 乗算器
直接法,配列型
第9週算術演算回路: 除算器
直接法(回復法,非回復法),乗算型除算(Newton法,Goldschmidt法など)
第10週算術演算回路: 初等関数
開平計算,三角関数など
VLSIによる並列処理
シストリックアルゴリズムなど

教材

前半: 配布資料と「集積回路工学」(安永守利著,森北出版).
後半: 適宜,資料を配布する.

参考書籍

  1. 「ディジタル設計者のための電子回路(改訂版)」  天野英晴著 コロナ社
  2. 集積回路工学(I)(II)  柳井 久義,永田 譲著 コロナ社
  3. LSI設計入門  佐々木 元 他著  近代科学社
  4. Introduction to VLSI Systems  C.Mead and Conway  Addison-Wesley
  5. 「算術演算のVLSIアルゴリズム」髙木著,コロナ社
  6. 「ウェスト&ハリス CMOS VLSI 回路設計 応用編」宇佐美 他,丸善
  7. 「コンピュータの構成と設計」パターソン & ヘネシー(成田訳),日経

予備知識・前提条件

論理回路に関する基本知識を必要とする.「論理回路」「論理回路実験」「論理システム」を受講していることが望ましい.
組み合わせ回路・順序回路の設計方法について十分に復習すること.

成績評価

講義への出席を前提とし,学期末試験と演習問題の解答結果を総合的に判断し成績評価を行う.

教員メールアドレス

安永守利:yasunaga[AT]cs.tsukuba.ac.jp
金澤健治:kanazawa[AT]cs.tsukuba.ac.jp

講義のWebページ

https://manaba.tsukuba.ac.jp/

オフィスアワー

安永守利:(金)13:00〜15:00 : 総合研究棟B1106室
金澤健治:随時(事前にメール連絡を取ること)