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最終更新日：2020/10/12  
筑波大学 教育課程編成支援システム

GB31201 VLSI工学

2.0 単位, 3・4 年次, 秋AB 火5,6
安永 守利, 金澤 健治

授業概要

VLSI(大規模集積回路)は,スーパーコンピュータからスマートフォン,組み込み機器に至るまで,全ての情報通信システムのハードウェア基盤とななる.本講義では,VLSIの構成,動作,設計に関する基本事項を論理VLSI,メモリVLSIを中心に解説する.さらに,高速処理にとって重要な演算回路の構成と設計について解説する.

備考

オンライン(オンデマンド型)

授業形態

講義

学位プログラム・コンピテンスとの関係

・汎用コンピテンス
2. 批判的・創造的思考力
4. 広い視野と国際性
・専門コンピテンス
3. 情報システム分野の専門能力
6. 実践的技術力と問題解決能力
7. 情報専門技術者としての倫理

授業の到達目標(学修成果)

「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.
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.
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.
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.
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.
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.
ASICやFPGAなど,VLSIの種類と構造について理解する.
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.
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, VLSI設計技術

授業計画

第1回--------------------------------------------------------------------------
【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回--------------------------------------------------------------------------
【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回--------------------------------------------------------------------------
【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		   
第4回--------------------------------------------------------------------------
【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回--------------------------------------------------------------------------
【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.
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.		   
第6回--------------------------------------------------------------------------
【VLSI(大規模集積回路)の種類と構成】
ASICやFPGAなどの集積回路の種類とその構成,方式について学ぶ.
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7回--------------------------------------------------------------------------
【算術演算回路: 加算器】
整数の加算器とその高速化.
具体的には,桁上げ伝播加算,桁上げ選択加算,桁上げ先見加算,並列prefix加算,桁上げ保存加算など
算術演算回路: 減算器
2の補数による負数表現,加算器の拡張としての減算器の実現.		   
第8回--------------------------------------------------------------------------
【算術演算回路: 乗算器】
直接法,配列型,tree型		   
第9回--------------------------------------------------------------------------
【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回--------------------------------------------------------------------------
【算術演算回路: 浮動小数点演算器】
浮動小数点数の数表現,浮動小数点数の加減乗除

【VLSIによる並列処理】
シストリックアルゴリズムなど
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履修条件

論理回路(必修科目)に関する基本知識を必要とする.「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・順序回路の概念と設計方法について十分に復習すること.

成績評価方法

レポートによって評価する.評価は,以下の基準で行う.
なお,必要に応じて小テストを課し,その結果を成績に加えることがある.

A+ (100-95: Excellent)
A (94-80: Good)
B (79-70: Satisfactory)
C (69-60: Minimal Pass)
D (59- : Poor)

学修時間の割り当て及び授業外における学修方法

毎回の授業範囲を復習し、参考文献における関連事項や演習問題を理解すること.

教材・参考文献・配付資料等

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.

講義のWebページ
https://manaba.tsukuba.ac.jp/

参考文献

1. 安永守利,「集積回路工学」森北出版
2. 天野英晴,「ディジタル設計者のための電子回路(改訂版)」コロナ社
3. 柳井 久義,永田 譲,「集積回路工学(I)(II)」コロナ社
4. C.Mead and Conway Addison-Wesley,Introduction to VLSI Systems
5. 髙木,「算術演算のVLSIアルゴリズム」コロナ社
6. パターソン & ヘネシー(成田訳),「コンピュータの構成と設計」日経
7. ヘネシー & パターソン(中條監訳),「コンピュータアーキテクチャ 定量的アプローチ」翔泳社
8. 柴山,「改訂新版 コンピュータアーキテクチャの基礎」近代科学社
9. 宇佐美, 小林, 池田訳,「ウェスト&ハリス CMOS VLSI 回路設計 応用編」丸善

オフィスアワー等(連絡先含む)

安永守利:メール(下記アドレス)に連絡し,アポイントメントをとること.
金澤健治:授業の際に通知する。

安永 守利 1001073 http://www.islab.cs.tsukuba.ac.jp/~yasunaga/
金澤 健治 メールでアポイントメントをとってもらえれば随時 23051795

その他(受講生にのぞむことや受講上の注意点等)

Microsoft Streamを用いたビデオ配信により実施する.詳細はmanabaに記載するのでよく確認すること.

他の授業科目との関連

ティーチングフェロー(TF)・ティーチングアシスタント(TA)