論理IC
論理ICは、デジタル信号を扱う回路ブロックを単一チップにまとめた集積回路であり、ANDやOR、NOTなどの基本ゲートから高機能なマイクロプロセッサやFPGA(field programmable gate array)まで多岐にわたる。現代のコンピュータやネットワーク機器、家電製品に欠かせない要素技術として機能しており、集積度の向上や動作周波数の高速化、消費電力の低減など、絶え間ない進化によって多種多様なエレクトロニクス分野を支えている。
概要
デジタル信号を二進数の0と1として処理し、必要な論理演算やメモリ機能を実装した半導体チップが論理ICである。具体的な種類としては、基本的なゲートを複数搭載して汎用に使える小規模な汎用ゲートIC、四則演算や制御など複数の機能ブロックを統合したマイクロプロセッサ、そしてユーザーが自由に回路を書き換えられるFPGAなどが挙げられる。いずれの形態も内部ではCMOS技術やバイポーラ技術を応用してトランジスタを大量に集積し、高信頼性と高速動作を両立させる設計がなされている。
ゲートからなる構造
論理ICの中核となるのが、ANDやOR、NAND、NORなどの基本ゲート群である。これらの論理ゲートは、組み合わせや配線によって加算器、シフトレジスタ、カウンタなど多様な機能を実現可能である。複雑な機能を求められる場合にはフリップフロップやレジスタなどの順序回路を組み合わせ、データを一時的に保持しながら演算を繰り返す仕組みが構築される。こうしたゲートレベル設計の集合体がマイクロコントローラやDSP(digital signal processor)といった大規模論理ICを形成している。
ファミリと世代
TTL(Transistor-Transistor Logic)から始まり、CMOSやECL(Emitter Coupled Logic)など、製造プロセスや動作特性に応じて多様な論理ICのファミリが登場してきた。特にCMOS技術は低消費電力と高集積度を実現しやすく、現行の大半のデジタルICに採用されている。かつては74シリーズや4000シリーズといった型番が代表的だったが、近年はLSI化によって多数の機能をワンチップにまとめる傾向が強まり、プロセス微細化に合わせて世代ごとのチップサイズ削減や動作周波数向上が進んでいる。
用途と応用例
スマートフォンやPCのCPU、GPUなどは大規模な論理ICの一例であり、膨大な数のトランジスタを集積して高度な演算を行う。産業機器ではPLC(Programmable Logic Controller)やモーションコントローラなどの制御装置に組み込まれ、工場自動化やロボット制御に不可欠な役割を担っている。家電製品のリモコンや自動車のECU(Electronic Control Unit)に至るまで、内蔵された論理回路がセンサやスイッチなどからの入力信号を解析し、判断や出力制御を行う仕組みを形成している。
設計と開発手法
大規模な論理ICを開発する際には、HDL(Hardware Description Language)を用いたトップダウン設計が一般的である。VHDLやVerilogなどのHDLで回路動作を記述し、シミュレーションや論理合成によってゲートレベルへ変換する。さらに配置配線ツールで物理設計を行い、最適化やタイミング検証を重ねて最終レイアウトを得る。FPGAを用いたプロトタイプ実装を挟むことで、早期に機能検証を行い、量産型のASIC(Application Specific Integrated Circuit)へ反映させる開発フローが定着している。