🎓 Edusemi-v4x｜半導体プロダクト開発のための基礎教育教材
🇺🇸 Foundational Educational Materials for Semiconductor Product Development
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📑 目次 | Table of Contents
- ✍️ はじめに / Introduction
- 📘 プロジェクト概要 / Project Overview
- 🧭 基礎編 / Fundamentals
- 🧩 応用編 / Applications
- 🛠 実践編 / Practice
- 📦 特別編 / Special Topics
- 🔗 関連プロジェクト / Related Projects
- 👤 執筆者情報 / Author
- 📄 ライセンス / License
- 💬 フィードバック / Feedback
✍️ はじめに | Introduction
半導体技術は トランジスタの発明 から始まり、MOS構造 の登場によって急速に進化しました。
Semiconductor technology began with the invention of the transistor, and advanced rapidly with the advent of the MOS structure.
微細化と集積化 はムーアの法則に沿って進み、LSIはあらゆる分野に浸透しています。
Miniaturization and integration progressed in line with Moore’s Law, and LSIs have penetrated into all fields.
しかし、物性・回路・プロセス・テスト などの基礎分野は教育現場で分断されがちです。
However, in education, fundamental areas such as device physics, circuit design, process technology, and testing are often taught separately.
実務ではこれらは密接に関連しており、回路はデバイス原理に依存し、設計はプロセスと信頼性に支えられています。
In practice, these areas are deeply interconnected — circuits depend on device principles, and designs are supported by process technology and reliability.
Edusemi は、この「基礎技術間の構造的つながり」に焦点を当て、応用を見据えた 構造的理解 を育成する教材です。
Edusemi focuses on this “structural connection between fundamental technologies” and fosters structural understanding with an eye toward applications.
💡 Design follows physics, and productization follows verification.
💡 Design follows physics, and productization follows verification.
物性 → 回路 → 実装 → 検証 の接続を可視化します。
Visualizing the flow: Physics → Circuits → Implementation → Verification
📘 プロジェクト概要 | Project Overview
Edusemi-v4x は、設計・製造・検査・品質保証 を一貫して学べる オープン教材 です。
Edusemi-v4x** is an *open educational resource for learning **design, manufacturing, inspection, and quality assurance in an integrated way.*
- 🎯 対象 / Target：工学系学生・若手技術者・教育者
🎯 Target: Engineering students, junior engineers, and educators - ⭐ 特徴 / Features：基礎のつながり重視、設計〜量産検査まで網羅
⭐ Features: Emphasis on foundational connections, covering everything from design to mass-production testing - 🧪 実習 / Practice：sky130・OpenLane・Python・GitHub・ChatGPT 対応
🧪 Practice: Compatible with Sky130, OpenLane, Python, GitHub, and ChatGPT
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🧭 基礎編 | Fundamentals
半導体の物性・論理回路・プロセス技術など、すべての応用の土台となる基礎領域を体系的に学びます。
Covers semiconductor physics, logic design, and process fundamentals essential for all applications.
| 📖 章 / Chapter | 📚 タイトル / Title | 📝 概要 / Summary |
|---|---|---|
🧭 第1章 / Chapter1  |
半導体物性とMOS構造の基礎 Fundamentals of Semiconductor Physics and MOS Structure |
MOSトランジスタやCMOS回路設計の物理的基盤となる半導体物性を、バンド構造からCMOSインバータまで段階的に学ぶ。 Learn the semiconductor physics underlying MOS transistors and CMOS circuit design, from band structure to CMOS inverters, step by step. |
| 🧭 第2章 / Chapter2 |
デジタル論理と論理回路設計 Digital Logic and Logic Circuit Design |
基本論理ゲートから複合論理、MUXや加算器、FSM設計まで、CMOS論理回路設計の基礎を学ぶ。 Covers the fundamentals of CMOS logic circuit design, from basic logic gates to complex logic, multiplexers, adders, and FSM design. |
| 🧭 第3章 / Chapter3 |
プロセス技術と設計限界の理解 Process Evolution and Design Limits in CMOS |
0.5µmから90nmへのCMOS技術の進化と物理限界が回路設計に与える影響を体系的に学ぶ。 Learn the evolution of CMOS technology from 0.5µm to 90nm and the impact of physical limits on circuit design. |
| 🧭 第4章 / Chapter4 |
MOSトランジスタ特性と設計基盤 MOS Transistor Characteristics and Design Infrastructure |
MOSFETの物理・寸法・設計ルール・PDK構造を整理し、設計者視点での動作・信頼性・限界を理解する。 Organize the physics, dimensions, design rules, and PDK structure of MOSFETs to understand their operation, reliability, and limits from a designer’s perspective. |
| 🧭 第5a章 / Chapter5a |
仕様策定とIF設計 Spec Definition & Interface Design |
上流工程・モジュール選定・PoC接続。 Covers upstream design, module selection, and PoC integration. |
| 🧭 第5章 / Chapter5 |
SoC設計フローとEDAツール SoC Design Flows and EDA Tools |
SoC開発の全体フロー、標準セル設計と物理設計の接続点、STAやDFTなどの検証基礎を学ぶ。 Learn the full SoC development flow, the connection points between standard cell and physical design, and the basics of STA and DFT verification. |
| 🧭 第6章 / Chapter6 |
テスト・パッケージ・製品化 Test, Packaging, and Productization |
製品品質を守る量産工程（検査・モニタリング・信頼性確認・出荷判定）を理解し、不良品の市場流出を防ぐ責任と実践を学ぶ。 Understand mass production processes (inspection, monitoring, reliability checks, shipment decisions) to prevent defective products from reaching the market. |
| 🧭 第7章 / Chapter7 |
デザインレビューと開発組織連携 Design Review and Cross-Functional Collaboration |
半導体製品開発におけるDR（Design Review）の目的・構造・多部門協働の仕組みを体系的に理解する。 Gain a systematic understanding of the purpose, structure, and cross-functional collaboration mechanisms of Design Reviews in semiconductor product development. |
🧩 応用編 | Applications
半導体の応用技術や特殊設計領域を深く掘り下げ、実用レベルの設計力を養います。
Delves into applied semiconductor technologies and specialized design fields to develop practical design skills.
| 📖 章 / Chapter | 📚 タイトル / Title | 📝 概要 / Summary |
|---|---|---|
| 🧩 第1章 / Chapter1 |
メモリ技術の構造と選定指針 Memory Technologies – Structure and Selection Guidelines |
SRAM、DRAM、FeRAM、MRAM、NANDの構造と動作原理を理解し、速度・不揮発性・耐久性・面積効率・消費電力などの評価軸で比較できる力を養い、SoC設計での統合・選択・接続方法を学ぶ。 Understand the structure and operation of SRAM, DRAM, FeRAM, MRAM, and NAND; learn to compare them based on speed, non-volatility, endurance, area efficiency, and power consumption; and master integration, selection, and connection methods in SoC design. |
| 🧩 第2章 / Chapter2 |
高耐圧デバイス High Voltage Devices |
HV-CMOSやLDMOSの構造・レイアウト設計技術を学び、パワー制御、センサインターフェース、高電圧ドライバ回路への応用を理解する。 Learn the structure and layout design techniques of HV-CMOS and LDMOS devices, and understand their applications in power control, sensor interfaces, and high-voltage driver circuits. |
| 🧩 第3章 / Chapter3 |
ESD設計 ESD Protection Design |
半導体ICにおけるESD信頼性リスクを理解し、保護素子構造、レイアウト戦略、試験規格、破壊解析などを体系的に学ぶ。 Understand ESD reliability risks in semiconductor ICs, and systematically learn protection device structures, layout strategies, test standards, and failure analysis. |
| 🧩 第4章 / Chapter4 |
レイアウト設計と最適化 Layout Design and Optimization |
ICレイアウトにおける配置・配線・幾何構造の最適化により、性能・信頼性・製造適合性を確保する手法を学ぶ。 Learn methods for optimizing placement, routing, and geometric structures in IC layouts to ensure performance, reliability, and manufacturability. |
| 🧩 第5章 / Chapter5 |
アナログ／ミックスドシグナル Analog / Mixed-Signal Design |
AMS設計全体像を理解し、オペアンプ・コンパレータなどの基本回路からレイアウト設計、ノイズ対策、ADC/DACの混載課題まで学ぶ。 Understand the overall scope of AMS design, from basic circuits such as op-amps and comparators to layout design, noise countermeasures, and integration challenges with ADC/DAC. |
| 🧩 第5a章 / Chapter5a |
0.18µm AMS設計技法 0.18µm AMS Design Techniques |
0.18µm世代のAMS回路設計におけるばらつき・ノイズ・寄生要素対策を学び、幅広い電源電圧・周波数帯域に対応可能な設計手法を習得する。 Learn countermeasures for variability, noise, and parasitics in 0.18µm AMS circuit design, and acquire techniques adaptable to a wide range of supply voltages and frequency bands. |
| 🧩 第5b章 / Chapter5b |
製造技術で切り拓くアナログ差別化 — 1/fノイズ半減の実現 Differentiated Analog Modules via Manufacturing Technology — Realizing 50% Reduction in 1/f Noise |
製造工程を活用して1/fノイズを50%以上低減し、低ノイズMOS素子を実現する設計・製造戦略を学ぶ。 Learn design and manufacturing strategies to leverage fabrication processes for reducing 1/f noise by over 50% and achieving low-noise MOS devices. |
| 🧩 第6章 / Chapter6 |
PDKとEDA環境 PDK and EDA Environment |
PDKの構成要素、EDAツールとの連携、設計ルールチェック、プロセス互換性、BSIMモデルの関係を理解する。 Understand the components of a PDK, its integration with EDA tools, design rule checking, process compatibility, and the relationship with BSIM models. |
| 🧩 第7章 / Chapter7 |
自動化と実装検証技術 Automation and Implementation Verification |
RTL設計から物理レイアウト検証までの自動化手法を学び、Lint、DRC、LVS、STAに加えてCI/CD検証フロー構築を習得する。 Learn automation techniques from RTL design to physical layout verification, and master CI/CD verification flows alongside Lint, DRC, LVS, and STA. |
| 🧩 第8章 / Chapter8 |
FSM設計（有限状態機械） FSM Design (Finite State Machine) |
Moore型／Mealy型FSMの構造と動作原理を理解し、状態遷移図やVerilogによる3段階記述法を学ぶ。 Understand the structure and operation of Moore and Mealy FSMs, and learn three-stage description methods in Verilog with state diagrams. |
| 🧩 第9章 / Chapter9 |
PLLとクロック設計 PLL and Clock Design |
PLLの動作原理からスキュー／ジッタ対策、クロックツリー設計までを体系的に学び、高精度クロック生成・配布の設計技術を習得する。 Learn PLL principles, skew/jitter countermeasures, and clock tree design to acquire high-precision clock generation and distribution techniques. |
🛠 実践編 | Practice
Python自動化・Sky130実験・OpenLane設計など、実務に近い演習を通じてスキルを定着させます。
Hands-on exercises with Python automation, Sky130 experiments, and OpenLane design to solidify skills.
| 📖 章 / Chapter | 📚 タイトル / Title | 📝 概要 / Summary |
|---|---|---|
| 🛠 第1章 / Chapter1 |
Pythonによる自動化ツール群 Python-Based Automation Tools for Semiconductor Design |
Sky130 PDKやOpenLaneフローと連携し、SPICEシミュレーション、信頼性モデル評価、レポート解析を自動化するPythonスクリプト群を構築する。 Develop Python scripts to automate SPICE simulations, reliability model evaluations, and report analysis in conjunction with the Sky130 PDK and OpenLane flow. |
| 🛠 第2章 / Chapter2 |
Sky130実験とSPICE特性評価 Sky130 Experiments and SPICE-Based Characterization |
SkyWater Sky130 PDKを用いてMOS特性（Vg–Idカーブ、Vth抽出）、BTI/TDBB予測を行い、SPICEベースの設計検証を実施する。 Use the SkyWater Sky130 PDK to evaluate MOS characteristics (Vg–Id curves, Vth extraction) and predict BTI/TDBB, performing SPICE-based design verification. |
| 🛠 第3章 / Chapter3 |
OpenLaneによるデジタル設計実習 Digital Design Practice Using OpenLane |
Verilog RTLからGDS生成までのLSI設計フローを体験し、合成・配置・配線・DRCなど各段階の目的とツールを理解する。 Experience the LSI design flow from Verilog RTL to GDS generation, understanding the objectives and tools for synthesis, placement, routing, and DRC. |
| 🛠 第4章 / Chapter4 |
PoC仕様書と設計展開 PoC Specifications and Design Implementation |
Sky130 PDKを用いた最小限のPoC回路（FSM/MUX/Adder）を題材に、仕様作成からRTL設計・物理実装までのプロセスを体験する。 Using minimal PoC circuits (FSM/MUX/Adder) with the Sky130 PDK, experience the process from specification creation to RTL design and physical implementation. |
| 🛠 第5章 / Chapter5 |
設計結果の評価とレポート Evaluation and Reporting of Design Results |
実装したPoC回路に対して、シミュレーション結果、面積・タイミング評価、DRC/LVS解析、改善提案を行い、設計フィードバックを実践する。 Evaluate implemented PoC circuits by analyzing simulation results, area/timing metrics, DRC/LVS checks, and propose improvements as part of the design feedback cycle. |
📦 特別編 | Special Topics
先端ノード・チップレット・統合制御SoCなど、最先端テーマを扱います。
Focuses on cutting-edge topics such as advanced nodes, chiplets, and integrated control SoCs.
| 📖 章 / Chapter | 📚 タイトル / Title | 📝 概要 / Summary |
|---|---|---|
| 📦 第1章 / Chapter1 |
先端ノード技術（FinFET、GAA、CFET） Advanced Node Technologies – FinFET, GAA & CFET |
FinFET・GAA・CFET構造の物理特性・電気特性・設計影響を体系的に解説し、プレーナMOSの限界を超える先端CMOS技術を紹介する。 Comprehensively explains the physical and electrical characteristics and design impacts of FinFET, GAA, and CFET structures, introducing advanced CMOS technologies beyond planar MOS limits. |
| 📦 第2章 / Chapter2 |
チップレットと先端パッケージ技術 Chiplets and Advanced Packaging |
2.5D/3D実装技術、TSV、異種集積によるチップレットアーキテクチャの設計・実装・信頼性を解説し、柔軟な設計とスケーラビリティを可能にする技術を学ぶ。 Covers 2.5D/3D integration, TSV, and heterogeneous integration for chiplet architecture design, implementation, and reliability, enabling flexible design and scalability. |
| 📦 第2a章 / Chapter2a |
SystemDKにおける熱・応力・ノイズ制約の設計対応 Design Handling of Thermal, Stress, and Noise Constraints in SystemDK |
System Design Kit (SystemDK)の概念を解説し、SI/PI、熱、応力、EMI/EMCといった物理制約を設計的に扱う手法を学ぶ。 Explains the concept of SystemDK and methods for addressing physical constraints such as SI/PI, thermal, stress, and EMI/EMC in design. |
| 📦 第3章 / Chapter3 |
FSM×PID×LLMによる統合制御システムのSoC実装手法 SoC Implementation of Integrated Control System with FSM × PID × LLM |
AITL-H三層制御アーキテクチャを基盤とし、機能分離・階層連携・SoC統合の手法を学習する。 Based on the AITL-H three-layer control architecture, learn methods for functional separation, hierarchical collaboration, and SoC integration. |
| 📦 第4章 / Chapter4 |
FSM×PID×LLM制御系のOpenLane実装 RTL-to-GDSII Implementation of FSM×PID×LLM Control System with OpenLane |
Sky130 PDKを用い、FSM・PID・統合SoCモジュールの配置配線（RTL-to-GDSII）を実践する。 Using the Sky130 PDK, implement placement and routing (RTL-to-GDSII) for FSM, PID, and integrated SoC modules. |
| 📦 第5章 / Chapter5 |
PDKとレイアウト検証による物理整合とDFM設計指針 Physical Verification and DFM Design Guidelines with PDK |
Sky130 PDKによるレイアウト検証を行い、量産性を考慮したDFM設計指針を習得する。 Perform layout verification with the Sky130 PDK and acquire DFM design guidelines considering manufacturability. |
🔗 関連プロジェクト | Related Projects
Edusemiと連動し、制御理論・社会構造・先端技術を横断的に学べる姉妹プロジェクト群。
Sister projects linked with Edusemi, covering control theory, socio-industrial structures, and advanced technologies.
| 🌐 プロジェクト / Project | 概要 / Overview | 主な特徴・内容 / Key Features |
|---|---|---|
| ➕ Edusemi-Plus |
地政学・製品戦略・AI・量子・投資など、産業構造を読み解く応用教材 Applied learning materials analyzing geopolitics, product strategy, AI, quantum, and investment. |
- Apple Silicon・CHIPS法・Cryo-CMOSの実例解説 - 技術だけでなく社会との接点や背景を探究 |
| 🎛️ EduController |
制御理論（PID・状態空間）からAI制御（NN・RL・LLM）まで網羅 Covers control theory (PID, state-space) to AI control (NN, RL, LLM). |
- PoC設計・OpenLane制御実装との連動 - Pythonによる設計演習・RTL検証・FSM生成支援 |
| 🤖 AITL-H |
FSM（本能）＋PID（理性）＋LLM（知性）の三層制御アーキテクチャ Three-layer control architecture: FSM (instinct) + PID (reason) + LLM (intelligence). |
- 人型ロボット・統合制御のPoC実装 - Edusemi特別編3・4章と構造的に連携 |
👤 執筆者情報 | Author
本教材の企画・執筆者。半導体・インクジェット分野での実務経験を持ち、教育と実装を融合した教材開発を行う。
Author with professional background in semiconductors and inkjet actuators, creating materials integrating theory and practice.
| 📌 項目 / Item | 内容 / Details |
|---|---|
| 氏名 / Name | 三溝 真一（Shinichi Samizo） Shinichi Samizo |
| 学歴 / Education | 信州大学大学院 電気電子工学 修了 M.S. in Electrical and Electronic Engineering, Shinshu University |
| 経歴 / Career | 元 セイコーエプソン株式会社 技術者（1997年〜） Former Engineer at Seiko Epson Corporation (since 1997) |
| 経験領域 / Expertise | 半導体デバイス（ロジック・メモリ・高耐圧混載） Semiconductor devices (logic, memory, high-voltage mixed integration) インクジェット薄膜ピエゾアクチュエータ Inkjet thin-film piezo actuators PrecisionCoreプリントヘッド製品化・BOM管理・ISO教育 Productization of PrecisionCore printheads, BOM management, and ISO training |
| 連絡先 / Contact | ✉️ Email / 🐦 X / 💻 GitHub |
📄 ライセンス | License
教材・コード・図表の性質に応じたハイブリッドライセンスを採用。
Hybrid licensing based on the nature of the materials, code, and diagrams.
| 📌 項目 / Item | ライセンス / License | 説明 / Description |
|---|---|---|
| コード（Code） | MIT License | 自由に使用・改変・再配布が可能 Free to use, modify, and redistribute |
| 教材テキスト（Text materials） | CC BY 4.0 または CC BY-SA 4.0 | 著者表示必須、継承条件あり（BY-SAの場合） Attribution required, share-alike for BY-SA |
| 図表・イラスト（Figures & diagrams） | CC BY-NC 4.0 | 非商用利用のみ許可 Non-commercial use only |
| 外部引用（External references） | 元ライセンスに従う Follow the original license |
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