広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.1-5

論文

小規模集積回路（SSI）を用いた設計・プロセス・評価の一貫教育システムの構築
田中

武 *・伊藤啓一 **・山田明宏 ***（平成21年10月31日受理）

Basic consecutive system consisted of design, process, and estimation ofsmall scale integrated circuits (SSI)
Takeshi TANAKA, Keiichi ITOH and Akihiro YAMADA(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Department of Electronic and Electrical Engineering of Hiroshima Institute of Technology
have been teaching integrated circuit designs and processes of semiconductors since 1989 term.
In Electronic Experiments III, students learned the primitive logic circuits such as NOT, AND,etc and their combination circuits that were expressed by schematic logic design using theGraphic Editor, one of the MAX-Plus II applications. Designed circuits were programmed for
the FPGA device and the operation of the designed circuits is confirmed by using push switchesand LED. Students designed the small scale integrated circuits (SSI) consisted of CMOS FETusing α-SX Custom Design Platform (Jedat Innovation Inc.), and semiconductor processing for
SSI in Kitakyushu Science and Research Park. The operation of the fabricated SSI was confirmed using ID-VD characteristic of CMOS FET by students in Electronic and Computer Engineering experiment C and D. They had the successful experience to design, and to test SSI inElectronic and Computer Engineering experiment C and D.
Key Words: VLSI design, semiconductor process engineering, CAD, SSI

長期にわたるロードマップがアメリカのセマテック１）およ１．まえがきび半導体理工学研究センター２）から公開されている。2007

近年，ＶＬＳＩはほとんどの電子機器に組み込まれてお年版ロードマップ１）によると，DRAM のメタル 1/2 ピッり，パソコン，携帯電話等に代表されるように，電子機器チ が，2007 年 で 65nm，2015 年 25nm と 約 1/3 に な る この小型軽量化，高性能化，高機能化に大きく貢献している。とが予想されている。集積回路の要素技術が高度になり，そのなかでも，メモリやＣＰＵの高速化に代表されるよう仕事が細分化している状況では，システムからプロセスまに，電子デバイスの信頼性や高速性が飛躍的に向上していで総合的な知識が必要となるシステム LSI の開発ができる。このため，大規模な集積回路を用いて，大規模なデジる人材が切望される３）。

タルシステムが実現できている。また，将来の集積回路の＊＊＊広島工業大学工学部電子情報工学科＊＊＊

株式会社ジーダット＊＊＊

A.LSIデザイン株式会社

本大学において，電子工学科内に簡単な電子デバイス作―1―

田中武・伊藤啓一・山田明宏

ゲート

ソース・

ウェル
図１

ドレイン

集積回路のレイアウトパターンおよびその断面図

製可能なクラス 1000 および 10000 のクリーンルームが昭について検討した。

和 61 年に設置され，クリーンルームの維持管理を報告し

２．電子情報工学科における集積回路設計教育の発展た４）。

2.1

その後，簡単な集積回路の設計およびプロセス工学教育

電子工学科（現電子情報工学科）での取組みのできる「集積回路教育実習システム」が平成元年度の文本学科では，１年次前期必修の総合ゼミナール，３年次部省教育装置助成でクリーンルーム内に導入され，電子工必修の電子工学実験Ⅲにおいて，４年次集積回路工学で，学実験Ⅲにおいて，ビットマップ法の CAD により，MOS

クリーンルーム教育，クリーンルーム内での簡単なＩＣプ

インバータ等の簡単な論理回路のレイアウト設計，およびロセス，Programmable Logic Device（ＰＬＤ）チップをｐｎ接合ダイオードの製作を体験し，その作製したｐｎ接用いた簡単な回路設計に関連した授業を行ってきた。

合ダイオードの電流－電圧特性および容量－電圧特性等の電子工学科の総合ゼミナールでは，シラバスに紹介され

５,６）

基本的な電気的特性評価等の実習内容を報告した。まているように，電子工学科の全教員が担当し，エレクトロたこの集積回路教育システムを用いて，リングオシレータ

ニクス分野のみならず，工学基礎・教養科目との関連性や，

７）

勉学方法，学習目的，将来の進路等を教員と学生が一体との設計および製作について報告した 。
大規模集積回路関連設計・プロセス工学教育支援システ

なって話し合うことにより，有意義な学生生活を送るため

ムが，平成 10 年度に日本私立学校振興・共済事業団の「特の動機付を行う目的で，学生が１班 10 人程度の小グループ

色のある教育研究の推進」に採択され，本学電子工学科とに分かれ，各教員のゼミナール室に順次移動し受講する 10）。

電気工学科にワークステーション等が整備された。これらそのテーマの一つとして，ＬＳＩのレイアウトおよび「クの設備を併せた広島工業大学における大規模集積回路関連リーンルーム」の教育を実施している。図１にＬＳＩパター

設計・プロセス工学教育について報告する。今後の集積回ンおよび断面図を示す。レイアウトの任意の場所を選択す路の高集積化，高密度化，および高性能化，また，半導体ることにより，その断面を見ることができる。

プロセス技術の発展に伴い，システム設計，回路設計，デ2.2バイス設計，半導体プロセス工学までを統合した知識・技術，およびそれらの応用と体験が必要になる。

電子工学実験Ⅲ

電子工学実験Ⅲでは，C ＭＯＳインバータ回路のレイアシステム LSI を設計・試作，設計した評価基板に実装，ウト設計を行っている。学生個人に電圧利得係数 β を与動作確認を同時に e-learning 化することにより理解を深め，えてパターン設計を行う。その一例を図２に示す。その後，ものづくりと e-learning システムの両立する高度なシステ集積回路向けシミュレーションプログラム（ＳＰＩＣＥ）

ムの構築するために，北九州学術研究都市の共同研究開発を用いてＭＯＳインバータの入出力波形および入出力特性

８）

センター で用いられているｐ MOS および CMOSFET プを計算し，グラフ化している。（図３）また，学生個人にロセスを，システム LSI 関連ものづくり教育に取り込むた

４入力１出力のカルノー図（図４（a））を与え，論理式（図めに初歩的なシステム LSI の作製を試みた９）。

４（b））を導出させ，さらに，論理回路（図４（c））を本論文では，現在までの電子情報工学科における集積回描かせている。その後，アルテラ社のプログラマブル・ロ路設計・プロセス工学関連教育の発展過程と，小規模集積ジック開発システム（ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ）のグラフィッ回路（SSI）の設計と，電気的特性の評価を，本学電子情クエディタを用いて，論理回路図を学生各自作製する。次報工学科の電子情報工学実験への導入について述べる。にその論理回路を，ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡを用いてＩＳＰプ
ログラマ＆チェッカ（アリテック社製）内のＰＬＤに書き

また，今後，大規模集積回路を用いた教育研究システム―2―

小規模集積回路（SSI）を用いた設計・プロセス・評価の一貫教育システムの構築（ａ）入出力波形
図２

CMOS インバータのレイアウト図およびその断面図（b）論理式（b）入出力特性（a）カルノー図
図4（c）論理回路図

図３

カルノー図から論理回路図を描いた例

図５

ISP プログラマ＆チェッカを用いた FPGA への書き込みおよび論理検証込む（図５右）。また，この実験実習用に簡易ＰＬＤ書き込み装置を開発した

SPICE を用いて計算した CMOS インバータの入出力波形および入出力特性

電子工学実験 III について，まとめると，CMOSIC の基11）。ＰＬＤは，簡単に回路を変更でき本原理とその回路シミュレーション，集積回路のレイアウるデバイスであり，デジタルシステムのプロトタイピング

ト設計，カルノー図からの論理回路図作成，プログラマブに利用され，その利用によりコストのかかる LSI 試作を行

ル・ロジック開発システム（MAX+PLUSII）を用いて，わなくてもすみ，現実的な教育環境として，近年普及して論理回路図を描き，コンパイル，ISP プログラムを FPGAきた。書き込んだ論理回路の検証を視覚的に理解するためへ書き込み，および論理の検証を行ってきた。に発光ダイオード表示により，設計した論理回路の動作確認を行っている（図５右）。
―3―

田中武・伊藤啓一・山田明宏

今年からは，電子情報工学実験 C の実験実習中に，受３．集積回路設計教育に，小規模集積回路の導入

講学生がレイアウト設計したものを，実際に試作し，後期の電子情報工学実験 D で測定することを検討した。

電子情報工学科における集積回路設計・プロセス工学関実際に集積回路試作するためには，試作を実施する場所

連教育に，小規模集積回路（SSI）の設計と，電気的特性と，集積回路試作のために，学生各自が設計したレイアウの評価の導入を検討した。

ト図を，一つにまとめる必要がある。

小規模集積回路（SSI）の設計に用いた設計ソフトウェ
アに，ジーダット社が，ＳＸ -9000 システム等で培った長最初に，北九州学術研究都市には，エレクトロニクス産年の実績，ノウハウと，産学連携等の長年の研究開発の結業，特に半導体プロセス及び微細加工に関する基盤的技術

果蓄積された最先端の技術力をベースに製品化した，ＳＸを持つ企業や大学などが連携して共同研究開発や，ＩＣやシリーズの最新シリーズである，新世代の設計システム

ＭＥＭＳの試作などを行う製造装置の開放や，微細加工技

α - ＳＸを採用した。

術を応用した新しいビジネス創造を目指す企業などに対して，研究室の提供などを行っている共同研究開発センター８）

また，このシステムは，回路図エディタ「Asca」，レイアウトエディタ「Ismo」を中心に，半導体フルカスタムがあり，そこで集積回路の試作を行った。

設計分野，液晶等の微細加工パターン設計分野向けの各種

次に，設計された集積回路のレイアウト図をまとめたもエディタオプション，検証ツール，自動ツールが完備されのを，図７に示す。このまとめたものの集積回路の規模は，ている。また，業界標準となっている各種外部フォーマッ小規模集積回路（SSI）の規模になる。

トに対する入出力を標準装備しているほか，マスク装置へ今回は，本学電子情報工学科電子情報工学実験 C&D でのデータ出力，プロット出力，その他特殊フォーマット等

は，１週間北九州で，受講学生による集積回路の試作が困に対する対応もできる。さらに，独自の設計環境を構築す難なため，小規模集積回路の設計，評価のみになる。卒業

るためのプログラミングインターフェイス等の研究や，大学院の研究においては，小規模集積回路の設計，Development Kit がある 12）ので，このシステムを工学系のプロセス，評価の一貫教育を実施していくことが可能であ

大学用の集積回路設計システムのカスタムソフトウェアにる。

することも可能であると考えられる。
今年の電子情報工学実験 C において，電子情報工学科３年生が各自一つのレイアウト設計を行った。実際に設計した，２入力 NAND のレイアウト図を図６に示す。

図７

 子情報工学科３年生が，電子情報工学実験 C で設計した
電
２入力 NAND のレイアウト図を一つにまとめたもの（学生 48 名分のレイアウト図を入れることができる。）

試作した集積回路の電気的特性を図８に示す。
CMOSFET で構成された２入力 NAND の入出力が，論理設計と一致することが示された。
また，本学で開発された，小規模集積回路を用いた設計・
図６

プロセス・評価の一貫教育システムは，日本全国 10 大学

 子情報工学科３年生が，電子情報工学実験 C で設計した
電２入力 NAND のレイアウト図（学生一人分のレイアウト図である。）以上で採用され，日本の集積回路関連教育の一助になっていると思われる。
今後は，設計するシステムを大型化するとともに，集積―4―

小規模集積回路（SSI）を用いた設計・プロセス・評価の一貫教育システムの構築

回路を作成している半導体メーカーと協力し，大規模集積謝回路の設計・プロセス・評価で構成される一貫教育システムを構築していきたいと考える。

辞本研究は ,「カーエレクトロニクスを題材とした電子情報技術の体験教育支援」の支援を頂いております。

文

献［１］http://www.itrs.net/［２］http://www.starc.jp/［３］安保秀雄，“大学で LSI を自由に設計・評価 教育・研究用の試作体制構築へ”，日経マイクロデバイス，
1994 年２月号，p.52.
［４］田中武，川畑敬志，“広島工業大学におけるクリーンルームの維持および管理”，広島工業大学研究紀要，
26（1992）161．
［５］川畑敬志，田中武，“学部課程におけるマイクロエレ
クトロニクス実験”，平成３年度電気・情報関連学会
中国支部第 42 回連合大会講演予稿集，p.342.
［６］田中武，川畑敬志，“広島工業大学における電子デバ
イス教育”，1992 年秋季応用物理学会講演会 ,17a-LL-4.
図８［７］小川昭雄，水本浩二，田中武，川畑敬志，中村正孝，

電子情報工学実験 C で試作された集積回路の電気的特性“集積回路教育システムを用いた，リングオシレータの設計及び製作”，平成２年度電子情報通信学会学生

４．むすび会研究発表会。

現在までの電子情報工学科における集積回路設計・プロ［８］http://www.ksrp.or.jp/shisetsu/access/floor02.html

セス工学関連教育の発展過程と，小規模集積回路（SSI）［９］田 中武，安藤秀幸，山田明宏，“システム LSI 関連の設計と，電気的特性の評価を，本学電子情報工学科の電ものづくり教育における IC チップ作成”，広島工業子情報工学実験に導入したことについて述べた。

大学紀要，2005，pp-7-12.
［10］広島工業大学電子工学科講義要項，平成 11 年度．

今後は，設計するシステムを大型化するとともに，集積回路を作成している中国地方の半導体メーカーと協力し，［11］猪本喜保，道下邦賢，砂田謙二，大村道郎，田中武，大規模集積回路の設計・プロセス・評価で構成される一貫

川畑敬志，“ＬＳＩ設計教育用簡易ＦＰＧＡ書込装置教育システムの構築していきたいと思う。の開発”，平成 11 年度電気・情報関連学会中国支部
第 50 回連合大会予稿集，p.374.

―5―