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. VLSIの設計フロー,ソフト・ハード協調設計について理解する.
  9. ハードウェア記述言語(HDL)とCAD技術について学び,VLSI設計全体におけるこれらの位置づけを理解する.
  10. 高位ハードウェア記述言語を含めて,HDLの具体的な記述方法を学ぶ.

キーワード

集積回路,トランジスタ,CMOS,論理回路,メモリ,FPGA, CAD, ハードウェア記述言語

Keywords

Integrated Circuits,Transistor, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), Logic Circuits, Memory Circuits, FPGA (Field Programmable Gate Array), CAD (Computer Aided Design), Hardware Description Language

時間割

講義内容/理解すべき項目
第1週論理ゲートとハードウェア
「論理回路」で学んだ論理ゲート(AND,OR,NOTなど)が単純な“スイッチ”によって“物”として実現できることを学ぶ.
スイッチを用いた論理ゲートの基本的な考え方とその動作を,作図によってわかり易く理解する.
第2週半導体とトランジスタ
VLSI(大規模集積回路)の材料である半導体とそれを用いたスイッチであるトランジスタについて学ぶ.
トランジスタによって論理ゲートが実現できるしくみについてわかり易く理解する.
第3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.
トランジスタレベルの論理回路設計の得失について学ぶ.
第4週動作速度と消費電力
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理解する.
LVSIの高速化と低消費電力化のためにはどのような設計が必要かをわかり易く理解する.
第5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6週VLSI(集積回路)の構造と製造技術
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7週VLSI(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.
第8週VLSI(集積回路)の設計技術
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理解する.
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9週VLSI(集積回路)設計とハードウェア記述言語(1)
ハードウェア記述言語(HDL)について,それぞれの記述レベル(抽象度)について学ぶ.
それぞれの記述レベルとVLSI性能,設計工数の関係(トレードオフ)について理解する.
第10週VLSI(集積回路)設計とハードウェア記述言語(2)
高位ハードウェア記述言語を含めて,その具体的な記述方法,記述例について学ぶ.
ハードウェア・ソフトウェア協調設計についてわかり易く理解する.

教材

教科書「集積回路工学」(安永守利著,森北出版)を使用する.また,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

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.

成績評価

演習問題と学期末試験による達成度と出席率(毎回の講義で出席をとる)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
[AT]を(AT)と読み替える

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