石の上にも10年 10years on Silicon

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ものづくりと設計工学

ー半導体と集積回路ー

小林和淑 電子システム工学部門 スライドのPDF版は http://www-vlsi.es.kit.ac.jp より「授業→ものづくりと設計工学」

話の内容



半導体、トランジスタ、集積回路とは



どこでもネットワーク



省エネルギー



スマホの中身



ナノスケールの巨大さ



レポート

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身近な半導体

 半導体技術の進歩のおかげで世の中は飛躍的に便利になっ

た。

集積回路の用途

 電気で動くもののほとんどに集積回路が搭載 タブレット・スマホ・ 携帯電話 デジカメ デジタルテレビ 白物家電 自動車 ロボット

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半導体とは？

 導体

 絶縁体

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トランジスタ

(transistor)



トランジスタは新しく作られた造語

– trans + resistor 

トランジスタを使う回路は，

Solid-State Circuit:(固

体回路

)と呼ばれる

– それまでは？ 

半導体

(主にシリコン，Si）の上に作られる

– 半導体：導電率(抵抗率）を変化させることができる。 – Siは資源が豊富 – SiO2が安定な絶縁体だから

集積回路

: Integrated Circuit

 半導体(主にシリコン)の上に 作られた微細な回路のこと  トランジスタ，抵抗(R)，容量 (コンデンサ，キャパシタ，C)， インダクタ(コイル, L)からなる

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ＬＳＩ(PS3用 Cell Broadband Engine)の チップ写真 ＰＳ３のマザーボード

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トランジスタとは

 トランジスタの役割 – 増幅: アナログ回路 – スイッチ: ディジタル回路  トランジスタの前は，真空管 – でかくて，電気食い，壊れやす い マイクは可変電圧源 スピーカーは 真空管アンプ トランジスタ

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トランジスタ

 バイポーラトランジスタ – 動作時にベース電流が流れる – アナログ回路に適する  MOSトランジスタ – 動作時にゲート電流が流れない » 省電力 » 最近の電子機器はほとんどすべてＭ ＯＳ – スイッチとしての特性がよい！ – デジタル回路に適する B E C G D S

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トランジスタの実物

(ワシントンのアメリカ歴史博物館展示物より抜粋)

メサトランジスタ＠１９５７

トランジスタの発明は、1948年

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集積回路（

Integrated Circuit）とは

個別部品回路: Discrete Circuit 集積回路：Integrated Circuit 個別部品をひとつのチップの中にまとめて，配線で 接続したもの

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最初の集積回路

 1958年： トランジスタ、抵抗、配線を集積化  個別部品から，部品の集積化へ  2000年にキルビー氏はノーベル賞受賞  キルビー特許 特許料 2兆円

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LSIとは？

 ICをさらに，高集積にしたもの

– LSI: Large Scale Integration or Large Scale Integrated Circuit

 多数のトランジスタが集積され

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シリコンから作られる

LSI

SiO₂ シリコン単結晶棒 ウエハー (単結晶の板） プロセス工程 ダイシング (１チップごとに切る) ボンディング LSIチップ 水晶

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集積回路の表面と断面

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LSI製造用のマスクとウェハー

1 n LSI 1 LSI LSI製造の原版(マスク） ウェハー

集積回路

:発展の歴史

 最初の集積回路

(1958)

 Jack Kilby, Texas

Instrumentsによる  最初のプロセッサ (1971)  Intel 4004  2,200 トランジスタ  10mmプロセス  300mW  108kHzクロック  2005年のSystem on Chip  Cell B.E.  2億3千万トランジスタ  90nm/45nm(13x9mm2)  50 W at 1.1V  3.2GHz クロック

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Moore’s Law(ムーアの法則)

 1965年に，INTEL社のGordon Mooreが提案した予言  1.5年あるいは2年ごとに，ひとつのチップに載るトラ ンジスタ数は倍増する  現在もムーアの法則は生きている。 – 普通のアメリカ人ならみな知っている法則 – 「コロンブスの卵」は誰も知らない

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ムーアの法則

ウイスキーの価格も指数的

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ムーアの法則の実例

 メモリの集積度:3年で4倍，10年100倍，15年1000倍， 30年100万倍  プロセッサの動作速度2年で2倍 Ge合金接合トランジスタ＠1950 年 トランジスタ1個 64MbDRAM＠1995年，7000万Tr 同一倍率で比較

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１個の 45nm SoC

いくつかの90(or 65?)nm SoCs

微細化すると小型かつ高性能に！

5年ほど前のblu-rayレコーダ Panasonic _SONY 9.5mm 5.9mm Full HD (1920x1080)

MPEG4 AVC Encoder Full HD (MPEG4 AVC Encoder 1440x1080) 待機電力

0.8W 3.0W

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同じ性能のゲーム機なら？

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微細化による効果

３４W 8.5W

マイクロ SDカード

最新のトランジスタ（ＦＩＮＦＥＴ）

 米半導体最大手インテル は４日、立体構造をもっ た半導体チップを開発し 、年内に生産を開始する と発表した。立体構造に することで、従来の平面 構造では実現が困難だ った高速で消費電力の 少ないチップが実現する という。(朝日新聞2011年 ５月５日の記事より)

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FINFETによるCPU（22nm，2012年）

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最新のプロセッサ

 Intel社最新プロセッサ(2014)  パソコン用プロセッサ  13億Tr（Coreが2個のため22nmよりTr数が少ない）  14nmプロセス，83mm2

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集積回路を設計するとは？

 回路図(Schematic) – トランジスタ同士の論理的 な接続図  レイアウト図(Layout) – 半導体の上に作成されるパ タンそのもの

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回路図 レイアウト

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ムーアの法則への挑戦

RTレベル設計 ゲートレベル 設計 Trレベル 設計 log スケ ー ル  トランジスタ 数は指数関 数的に増えて いくが、人が 設計できるト ランジスタ数 はそうはなら ない

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どこでもネットワーク

 インターネットの進歩も半導体のおかげ。

どこでもネットワーク

(Ubiquitous Network)

 家庭（有線）、屋外（無線）でのネット接続環境の変化  1990年前半： – モデムを使って電話回線 速度: 9600bps~38400bps  1990年後半： – 有線：ISDNを使ってディジタル通信 64k-128k – 無線： ＰＨＳを使ってディジタル通信 32k-128k  2000年前半： – 有線： ADSLを使って、非対称ディジタル高速通信 8M-50M – 無線： 携帯電話網によるディジタル通信(i-mode, FOMA) 9600-384kbps

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bpsって何

では現在は？

 家庭：

 屋外：

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省エネルギーへの貢献

 ブラウン管→  HDD→  蛍光灯→  ガソリン自動車→  エアコン、冷蔵庫、洗濯 機、照明 – インバータ制御による省 エネ化

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微細化による効果

トランジス タ1個あた りの電力 が大幅に 減っている

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LED照明の効果

 信号のLED 化は、省電 力だけでなく ＿＿＿の手 間が省ける という効果も ある

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半導体産業の広がり

 半導体その ものはGDP の１％。しか し、半導体 を利用する 全産業の GDPは40%!

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半導体の働き

 何でもできるスマホ – 電話 – カメラ – 音楽プレーヤ – 辞書 – 財布 – ゲーム – など

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iPhoneの主要部品

 アプリケーションプロセッサ  フラッシュメモリ  ＳＩＭカード  無線チップ  SDRAM（メインメモリ）  3軸加速度センサ  電池  液晶

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Iphone5のメイン基板

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ナノスケールの巨大さ

 LSI上には，トランジスタと配線がnmス ケールで描かれている  10mm角に最小22nmのパタンを書くの は，アジア大陸に15mの道路を15m間 隔で書くのとほぼ同じ  さらにLSIは多層配線（立体交差道路） 250nm LSIの配線

(10,000,000)

mm um nm

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(6,600,000)

km m

15

2 2

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 30cmウェハに45nm の加工＝30kmの円 内に4.5mmの加工  1cm角のチップは ほぼディズニーラ ンドに等しい  30kmの円は東京23 区をほぼ覆う。京 都市内はすっぽり 覆われる。

ウェハレベルでは？

東京ディズニー リゾート

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見方を変えると

 野球のグラ ウンドに0.2ミ リのペンでパ タンを書く LSI内の配線構造

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レポート課題

 1. スマホ，携帯電話以外の家電機器でネットワー クに接続する機能を持つものとその用途をいくつか あげよ．  2. スマートフォンの機能で将来実現しそうなもの、し てほしいものを挙げよ。  3. 集積回路のない世界に住むとしたら何が一番不 便かを考えてみよ。

参考資料

 半導体産業研究所 半導体ミニ辞典 – http://www.sirij.jp/mini.html  ＪＥＩＴＡ 半導体部会 よくわかる半導体 – http://semicon.jeita.or.jp/book/green_clean_semicon_1.html

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