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集積回路 １０．システムLSIとVLSIの今後 松澤 昭 2004年 9月 2004年 ９月 新大VLSI工学 1 集積回路 1. VLSIとは？ 2．VLSIの設計から製造まで 3. ＭＯＳトランジスタとCMOS論理回路 4．メモリー回路 5. アナログCMOS回路 6. 回路・レイアウト設計 7. 論理設計とテスト 8. アナログ・デジタル混載集積回路 9. スケーリング則と低消費電力化設計 10．システムLSIとVLSIの今後 2004年 ９月 新大VLSI工学 2 現代のエレクトロニクスとVLSI 2004年 ９月 新大VLSI工学 3 デジタル情報家電の時代 デジカメ、カメラ付携帯電話、DVDレコーダー、デジタルTV、フラットディスプレーなどの デジタル情報家電機器が大成長。これらの機器には1～2個のシステムLSI (SoC)が使 用されている。 2004年 ９月 新大VLSI工学 4 デジタル情報家電機器の急伸 デジタル情報家電機器が急伸し、従来のアナログ機器を完全に置き換えた 2004年 ９月 新大VLSI工学 5 製品毎のマーケットサイズ 電子機器の最大の市場（台数）はPCではなく、携帯電話。 デジタル家電が急追。テレビもフラット化、デジタル化で市場創出。 M units M units Cell Phone (5%/year) Printer (10%/year) DVD (20%/year) DSC (21%/year) HDD (10%/year) Desk Top PC (9%/year) Game (?) Note PC (11%/year) Navigation (22%/year) DVC (12%/year) PDA (8%/year) Color TV Server (18%/year) Source: 2003 Japan Semiconductor almanac 2004年 ９月 新大VLSI工学 6 デジタル情報家電と半導体 携帯電話を入れるとデジタル情報家電の生産金額はPCの国内生産を上回った。 このため、SoC, Flashメモリ, CCDなどの半導体売り上げは米国を抜いた。 日経エレクトロニクス 2003.10.27号 pp.129-130 2004年 ９月 新大VLSI工学 7 デジタルHDTV用SoC デジタルHDTVにおいてもメディアプロセッサー+マイクロプロセッサーによる ワンチップSoCを用いて超高速画像処理が実現できる。 Front End HDD Flash SDRAM Tuner Tuner RDRAM D-VHS IEEE1394 DVC HDD 0.13um CMOS, 6Cu 35M Trs. CLK: 400MHz 2004年 ９月 新大VLSI工学 8 DVD Recorderにみる部品削減効果 ・VLSIの進展により従来３チップ必要だったものが１チップに集積可能になった。 ・このためケース内部のボードは驚くほど簡単になっている。 ・これが性能向上とコストダウンに寄与している。 ２０００年モデル ２００３年モデル 2004年 ９月 新大VLSI工学 9 デジタル情報家電用機器のコスト構成 機器のデジタル化によりコスト構成はPCと殆ど同じになった。 半導体投入比率は倍増している。機器=半導体の時代になった。 Cost occupation （％） Analog base Digital base 100 80 60 40 30％ 5％ 15％ 10％ Labor cost 5％ 10％ Softoware & patent 40％ 30％ Components 40％ PC 5％ 10％ 30％ ＰＣと殆ど変わらなくなった 55％ 40％ 20 50％ Semiconductor 25％ 0 WideTV 2004年 ９月 Internet TV Digital TV 新大VLSI工学 PC 10 セットと半導体の役割分担 半導体側がシステムに入り込んで開発するようになった。 システムＬＳＩ時代 従来 セット部門 半導体部門 2004年 ９月 商品企画 商品企画 システム 設 計 システム 設 計 回 路 設 計 回 路 設 計 レイアウト 設 計 レイアウト 設 計 新大VLSI工学 11 新たな半導体ビジネスの構図 従来の半導体技術オリエンティドなメーカーだけではなくアプリケーションオリエ ンティドなSoCを主体とするメーカーが出現する。 Conventional semiconductor makers （semiconductor technology base ） System, Application CPU Maker 2004年 ９月 DRAM ASIC Maker Maker Analog Maker PC CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog DVD CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog DTV CPU DRAM Logic (ASIC) Network Analog 新大VLSI工学 Not appeared yet Future semiconductor makers （Application base） 12 主力半導体メーカー ・世界の半導体生産は約19兆円 ・インテルはダントツのトップ約3兆円(２位の3倍） ・日本メーカーはトップテンに３社 2004年 ９月 新大VLSI工学 13 日本メーカーの売り上げ 2004年 ９月 新大VLSI工学 14 システムLSIの必要要件 • システムに必要な全ての機能の集積 – デジタル+メモリー+アナログ/ネットワーク – ソフトウエアの完備 – モデュール化技術 • 高性能、短TAT、低コスト、安定供給 – システムノウハウの集積 – 全体最適化（設計からデバイスまで） – 統合設計環境（性能と開発期間） – SiPなどを含む最適な集積技術 2004年 ９月 新大VLSI工学 15 デジタル情報家電用SoCの分類 デジタル情報家電用SoCは３分野に分類できる。 ・超高速メディアプロセッサー系 ・ローパワー処理系 ・アナ・デジ混載系 超高速メディアプロセッサー系 ・デジタルTV ・超高速動作 ローパワー処理系 アナ・デジ混載系 ・携帯機器 ・低リーク/低電力 2004年 ９月 ・DVD, デジカメ ・アナログ混載 新大VLSI工学 16 超高速メディアプロセッサー型SoC メディアプロセッサー+マイクロプロセッサーによるSoCを用いてデジタルHDTV などの超高速画像処理ができる。 Front End HDD Flash SDRAM Tuner Tuner RDRAM D-VHS IEEE1394 DVC HDD AFE IC Card 2004年 ９月 新大VLSI工学 0.13um CMOS, 6Cu 35M Trs. CLK: 400MHz 17 0.01 2004年 ９月 新大VLSI工学 Real time 3D Graphics Video 3D Graphics 1 HDTV Encoder Audio MPEG-1 Encoder MPEG-2 Decoder MPEG-2 Encoder HDTV Decoder MPEG-1 Decoder TV-Conference 10,000 Sound Voice Recognition FAX/Modem Performance (GOPS) メディアプロセッサーの処理能力 メディアプロセッサーは汎用プロセッサーの１桁以上上の処理能力が求められる。 Virtual Reality 1000 100 10 Pentium III 0. 1 18 応用システムに特化したアーキテクチャ Architecture optimization based on system analysis is a key. Dedicated parallel bus FLASH SDRAM Ext. bus Cont. SDRAM Cont. Cash optimization Short period interruption SoC for digital TV SRAM 8KB I-Cache Instruction 4way,8KB buss Crossbar Data bus D-Cache switch MCU (AM33) 121MHz 4way,4KB DMA cont. I/O bus Stream bus Front End Transport Decoder STB peripheral I/O Video AV Decoder (Media PU) Audio SDRAM 2004年 ９月 新大VLSI工学 19 専用バス構造 Occupation of external bus (%) Occupation of external bus (%) 通常のPC処理に比べてAV処理ではバスの占有率が高く、処理速度が上がらない。 そこで、クロスバースイッチから構成される専用バス構成にしている。 これにより処理速度は70%程度向上した。 100 EPG process( non AV replay) Data Instruction 50 MCU Inst. access Crossbar switch MCU Data access MCU I/O access 0 100 5 10 15 20 25 at AV replay DMA transport dec. Bus-master 50 0 DMA controller 5 10 15 20 Main Memory External Device (SDRAM) MCP Transport Periphera ls Decoder 25 Time (msec) 2004年 ９月 新大VLSI工学 20 ローパワー処理用SoC 携帯型デジタル情報家電機器には超低電力・低リークのSoCが求められる。 MPEG4 Codec 0.18um e-DRAM 31M Tr 90 mW@54MHz MPEG4 Decoder 1.5 GOPS: Simple@L1 12 GOPS: Simple@L3 6 GOPS: Core@L1 15fps (Core@L1 decode) 30 fps (Simple@L3 decode) 2004年 ９月 0.18um CMOS 11M Tr 11 mW@27/54MHz 15fps (Core@L1 decode) 新大VLSI工学 21 低電力化技術 低電力化のためには素子の微細化・低電圧化の他にクロックあたりの処理能力を 上げるために並列処理技術、専用ハードウエア処理回路・クロックゲートなどのシ ステム・アーキテクチャ・回路技術が総動員される。 1.5 GOPS: Simple@L1 12 GOPS: Simple@L3 6 GOPS: Core@L1 ブロック図 VCE (Video Codec Engines) ME LM VLC DCT LM IDCT VLD PNR LM PAD LM ハードウエア処理の効果 CAD COMP LM CAD Programmable DSP DSP Core Inst. Mem Data Mem PAD HIF (Host I/F) COMP 6.8% 63% Kcycles 0 5 40 WITH the EnginesWITHOUT the Engines DRAM (16Mb) 24% 0 2004年 ９月 6.1% 26.5% Core@L1 Decoding Video Input Software Texture Decoding MIF (Memory I/F) DRAM Main Sub Graph. DRAM (2Mb) (2Mb) Filter HW Engine Mcycles 100 200 Video Output 新大VLSI工学 22 LSI構成と消費電力 LSIの構成の違いにより同一の処理能力でも消費電力は３桁違う。 汎用プロセッサーが最も電力を消費する。 DSP MPU Clock (MHz) Dedicated LSI 450 50 25 2 16 96 0.9 0.8 2.4 Pd (mW) 7000 110 12 Pd (mW)/GOPS 7800 138 5 Parallelism GOPS 3 order’s difference Courtesy, Prof. Brodersen, UCB 2004年 ９月 新大VLSI工学 23 MPU/MCUにおける処理能力と消費電力 同じ処理能力でも情報家電系のプロセッサーは汎用プロセッサー に比べ１桁程度消費電力が小さい Trend of Performance/Power on 32-bit MPU/MCU 1000 PPC750/400 700 Embedded Alpha/600 UltraSPARCII/300 Pentium II/450 Celeron/400 Mobile Pentium II/300 AM34 /500 500 Performance (MIPS) PPC750/266 MMX Pentium/233 300 200 0 10 AM33 S/W /200 EWS/PC AM33 /150 100 70 AM32 AM31 Core /80 /66 50 30 IP 1M 10 S/W AM30 /33 W S/ IP 0M 10 20 2004年 ９月 IP 0M 0.07 0.1 0.2 W S/ IP M 10 0.3 0.5 0.7 Game Oriented MobileOriented 1 2 3 5 Power Consumption (W) 新大VLSI工学 7 10 Controller Oriented PC/EWS Oriented 20 30 50 24 デジタル情報家電用SoCの開発方向 分野共通のメディア処理の台頭、開発コスト・TATの短縮などの理由から、 SoC品種は統一される方向に向かう。汎用CPUに近い技術が要求される。 ・分野毎SoC ・統一メディアプロセッサー ・ソフトウエア処理化の促進（様々な用途に対応） ・ダウンローダブル（出荷後の仕様変更可能） ・動的再構成回路の使用（様々な用途に対応） ・SiPにより多様なメモリーサイズと高速化に対応 ・分野毎・製品毎のSoC デジカメ用 デジカメ用 SoC デジカメ用 SoC デジカメ用 SoC SoC DTV用 DTV用 SoC DTV用 SoC SoC DTV用 SoC DVD用 DVD用 SoC DVD用 SoC DVD用 SoC SoC 携帯電話用 携帯電話用 SoC 携帯電話用 SoC 携帯電話用 SoC SoC 2004年 ９月 今後の方向 デジカメ用 SoC SoCの構成 アナログ DTV用 SoC 統一 動的再構成 メディア 回路 プロセッサー DVD用 SoC 携帯電話用 SoC 新大VLSI工学 メモリー（SiP) 25 開発期間の短縮 デジタル情報家電機器の開発サイクルは短い。 →短期間で確実な開発が求められる。 12 Mon 12 Mon 12 Mon Sales (A.U) Combo 8x DVD ROM 16x DVD ROM 12x DVD ROM First DVD ROM ‘97 Combo 2nd G 2.6G RAM 6x DVD ROM 2004年 ９月 6 Mon 6 Mon 3 Mon 4.7G RAM 2.6G RAM Time ‘00 新大VLSI工学 26 SoC開発における様々な技術分野の力の結集 デジタル情報家電機器向けSoCの開発はシステムから工場までの最適化が必要である。 Mixed signal Clocking Power routing Cell height HP Analog HP I/O SoC Design Cell Lib. Reliability High Idd Low Ioff Low-k Cu STI Analog Device Mixed signal Large system’s verification System 技術ロードマップ の作成 Test Process High yield Quick ramp-up Analog control EDA Fab Package EMI sim Cross-talk sim Mixed signal sim Iddq test Wafer burn-in Mixed signal POE Low inductance Future demands, issues, and solutions 2004年 ９月 新大VLSI工学 27 SoCの開発プラットホーム SoCはシステム・ソフトウエアから回路・デバイスまでの開発プラットホームが必要 SoC Software Platform SoCs for Digital TVs SoCs for DVDs SoCs for DSC For Digital TVs For DVDs For DSCs SoCs for Mobil For Mibile Development System AM MCU SD I/F IP Functional IP cores IEEE 1394 USB Mixed Signal Semiconductor Technologies Device Process 2004年 ９月 MPE G-4 MPE G-2 Media Processor IEEE 802.1 1 ARM Bluetooth OFDM e-Flash e-DRAM Functional Low power High speed Devices Technology High freq. 新大VLSI工学 28 デジタルTV用システムデザインキット ソフトウェア開発支援環境を含むトータルソリューションを半導体から提供 ﾘﾌｧﾚﾝｽ ﾎﾞｰﾄﾞ 外部拡張ｻﾌﾞ ｶｰﾄﾞ (IEEE1394 LSI) 外部拡張ｻﾌﾞｶｰﾄﾞ （V.34 modem etc.） CS/BS用 ﾁｭｰﾅｶｰﾄﾞ 地上波用 ﾁｭｰﾅｰｶｰﾄﾞ CATV用 ﾁｭｰﾅｰｶｰﾄﾞ Flashﾒﾓﾘ slot 最大 8MB 展開ｻﾌﾞﾎﾞｰﾄﾞ SDRAM 2MB (AVﾃﾞｺｰﾄﾞ) ｼﾘｱﾙ x 3 STB ｼｽﾃﾑ LSI ASIC IC ｶｰﾄﾞ 外部拡張ｺﾈｸﾀ 周辺 SDRAM 8MB (CPU＆TDDS) ｻﾎﾟｰﾄﾂｰﾙ I/F （ｿﾌﾄ開発用) フロントパネル IR入力・Key入力 ・7-Seg LED 4 桁 ・DIP-SW 16個 EPG ・Flash/SRAM ﾒﾓﾘ slot 最大 32MB ・ROM ﾃﾞﾊﾞｯｶﾞ I/F ・JTAG ﾃﾞﾊﾞｯｶﾞ I/F ・Trace ﾕﾆｯﾄ I/F ﾘﾌｧﾚﾝｽﾌｧｰﾑｳｪｱ ﾁｭｰﾅｰ （地上波) D/D ﾁｭｰﾅｰ （CATV) D/D MPEG (HD版） Lib 簡易ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ（ﾃﾞﾓｿﾌﾄｳｪｱ） XML/HTML ｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝのｶｽﾀﾏｲｽﾞ化 展開ﾌｧｰﾑｳｪｱ HD-MCP ｻﾌﾞｶｰﾄﾞ 選局 Lib MPEG (SD版） Lib Graphic (SD版） Lib Graphic (HD版） Lib PiE-ｶｰﾈﾙ ﾁｭｰﾅｰ （CS/BS) D/D ﾘﾓｺﾝ D/D VLSI工学 Audio D/D TDDS D/D Video (SD版） D/D Video (HD版） D/D 今後のデジタル情報家電 殆どの機能は携帯電話に集積されていく ﾃﾞｰﾀ端末 電話･ﾌｧｸｼﾐﾘ PDA=携帯電話 電卓･電子手帳 ﾜｰﾄﾞﾌﾟﾛｾｯｻｰ ﾊﾟｰｿﾅﾙｺﾝﾋﾟｭｰﾀｰ ﾜｰｸｽﾃｰｼｮﾝ 映像機器 音声機器 ｼｽﾃﾑ機能実装のすべて(畑田賢造 / 工業調査会,98)より 2004年 ９月 新大VLSI工学 30 携帯電話システム 現代の携帯電話は画像処理回路やデジカメ機能まで集積している。 2004年 ９月 新大VLSI工学 31 今後の集積技術の方向性 不揮発性メモリーの大容量化への爆発的増加（１年で２倍） 微細化（３年で２倍）では追いつかない → 平面集積から立体集積への進展が必要 従来： 平面集積 集積度: 2004年 ９月 今後： 立体集積 素子数 集積度: 面積 素子数 体積 新大VLSI工学 32 3次元集積技術 機能集積の加速はムーアの法則をしのぐ。３次元集積が必要である。 Chip On Chip 技術を用いた CPU・メモリー間の高速・大容量接続 メモリーの積層集積 携帯電話では限られた面積に大量のメモ リーを集積する必要がある。 また不揮発メモリーだけでなくSRAM, DRAMなど各種メモリーの組み合わさった システムになるため混載では難しい。 高密度化・多層化は加速されるものと思わ れる。 30um 径、60umピッチのCoC 接続点の電気特性は1mmの配線長と同等 160Gb/s @123MHz T. Ezaki, et al., ISSCC 2004, pp.140 2004年 ９月 新大VLSI工学 33 各種３次元集積技術 資料提供： ASET盆子原氏 2004年 ９月 新大VLSI工学 34 デバイス・プロセス技術 • 微細MOSトランジスタの開発 – リーク電流課題 – 新たなトランジスタ構造 – 様々な微細化限界 • VLSIの新たな発展 – – – – 2004年 ９月 RF-TAGチップ 有機VLSI DNA検査チップ 視覚障害者用ビジョンチップ 新大VLSI工学 35 消費電力の危機 プロセッサーの消費電力は100Wに達し、限界に直面している。 しかもリーク電流が急速な伸びを示している。 2004年 ９月 Gordon E. Moore, ISSCC 2003. 新大VLSI工学 36 超微細MOSトランジスタ ゲート長 6nmのMOSトランジスタも試作されているが、、、、 2004年 ９月 新大VLSI工学 37 様々な限界 集積回路技術はすでに様々な限界に直面している。 10 2 Size (mm), Voltage(V) 10 1 1.2 ～1.5V Analog limit 10 0 0.6V Error Rate limit (Digital) 10 -1 Electric energy vs. Thermal energy 10 -2 10 nm Wave length of electron 3 nm Direct-tunneling limit in SiO2 10 -3 0.3 nmDistance between Si atoms 10 -4 10 -5 1970 2004年 ９月 1990 2010 2030 2050 Year 新大VLSI工学 38 超高速動作の課題 ・ 配線遅延時間が短縮される目処は殆どなさそうである。 ・ リピーターの面積・消費電力が急増し、許容限界を超える。 ・ メモリー間のデータ転送時間が70%程度となりCPU単体の速度向上効果が少ない → 今後クロック周波数増加による高速化は飽和する 並列化やメモリーインターフェースの見直しで処理能力向上の方向へ ITRS 2001 Edition, pp. 261. 2004年 ９月 新大VLSI工学 日経マイクロデバイス： 2003年8月号, pp.26 39 シリコンに貫通穴を開けて接続する Conv. SiP TCV ワイヤボンディング＋基板上の配線 貫通電極＋バンプ 数mm～数10mm （写真では約10mm） 100 µm以下 （写真では60 µm ） 配線のインダクタンス 10 nH 19 pH 配線のキャパシタンス 8 pF 0.1 pF 最小パッケージサイズ チップサイズ＋5 mm以上 チップサイズ 490 µm 240 µm 外観 接続方法 チップ間配線長さ 厚さ（4チップ） 2004年 ９月 新大VLSI工学 40 ＩＳＳＣＣ論文数推移 ・VLSI開発に関する世界最大の学会 ISSCCでの発表件数 ・米国の大学は日本企業並みの発表件数。日本の大学はまだ少ない。 90 80 論 70 文 60 数 50 40 30 20 10 0 2004年 ９月 米国企業 日本企業 米国大学 78 80 82 日本・大学 84 86 88 90 新大VLSI工学 92 94 96 98 00 02 04 年 41 VLSI研究・開発における産学連携 ＶＬＳＩ開発の産学連携は国家、企業ともに力を入れている。 2. VDEC 1. STARC 電機メーカー１０社の大学でのVLSI研究への支援組織 VLSIに関する研究テーマに数1000万円単位の補助を 行っている。 出資会社 ク ラ イ ア ン ト １０社 出資・運営支援 研究計画 研究委託 研究成果 現状：１２社 新規募集予定 2004年 ９月 研究提案 半導体理工学 研究センター STARC 第三者 大学でのVLSI研究に関する文科省の支援プログラム VLSIの設計・試作・評価が格安の費用でできるように なっている。 東大が本部、東工大は拠点校。 大学 共同研究 Ａ Ｂ 研究成果 Ｃ ・ 成果有償開示 新大VLSI工学 42 ユビキタスネット：RF-TAG 微細化一辺倒ではなく、VLSI技術を用いて新たな機能や新たな市場を作り出そう という試みが始まった。 このような「ゴマ粒チップ」が全ての物に入りネットワークを形成しようとしている 0.4mm角, 厚さ0.1mmの小さなチップでは あるが、2.4GHzの電波を用いてデータ通 信が可能。動作電力も電波を整流して作り 出す。お札に入れることも可能。 RF-TAGチップ リーダー・ライター RF・アナログ 回路 アンテナ アンテナ RF 整流 電源回路 データ MCU クロック メモリ 日経エレクトロニクス 2002. 2. 25, pp. 132 2004年 ９月 新大VLSI工学 43 VLSIの新たな発展 柔らかい有機トランジスタを用いたVLSI, ＤＮＡ検査チップ、生体埋めこみの視覚障害者 用のビジョンチップなど、VLSIの新たな発展が模索され始めている。 日経マイクロデバイス 2004年１月号 2004年 ９月 新大VLSI工学 44