🎓 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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🔗 公式リンク | Official Links

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🇯🇵 Japanese
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📑 目次 | Table of Contents

1. ✍️ はじめに / Introduction
2. 📘 プロジェクト概要 / Project Overview
3. 🧭 基礎編 / Fundamentals
4. 🧩 応用編 / Applications
5. 🛠 実践編 / Practice
6. 📦 特別編 / Special Topics
7. 🔗 関連プロジェクト / Related Projects
8. 👤 執筆者情報 / Author
9. 📄 ライセンス / License
10. 💬 フィードバック / Feedback

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✍️ はじめに | Introduction

半導体技術は トランジスタの発明 に始まり、MOS構造 によって飛躍的に発展しました。
Semiconductor technology began with the invention of the transistor and advanced rapidly with the MOS structure.

微細化と高集積化 はムーアの法則に沿って進み、LSIは社会のあらゆる分野を支えています。
Driven by Moore’s Law, miniaturization and integration have made LSIs ubiquitous.

一方で、教育現場では 物性・回路・プロセス・テスト が分断して教えられることが少なくありません。
However, education often treats device physics, circuits, processes, and testing as separate topics.

実務では、これらは不可分です。
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, circuits depend on device physics, and designs are grounded in process technology and reliability.

Edusemi は、こうした 基礎技術のつながり を軸に、応用につながる 構造的理解 を育てる教材です。
Edusemi focuses on the structural connections between fundamentals, fostering understanding that leads to real applications.

💡 Design follows physics. Productization follows verification.
物性 → 回路 → 実装 → 検証 の流れを可視化します。
Visualizing the flow: Physics → Circuits → Implementation → Verification

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📘 プロジェクト概要 | Project Overview

Edusemi-v4x は、設計・製造・検査・品質保証 を一貫して学ぶための オープン教材 です。
Edusemi-v4x is an open educational resource for integrated learning of design, manufacturing, testing, and quality assurance.

• 🎯 対象 / Target
  工学系学生・若手技術者・教育者
  Engineering students, junior engineers, and educators

• ⭐ 特徴 / Features
  基礎のつながりを重視し、設計から量産検査までを体系化
  Emphasizes foundational connections, from design to mass-production testing

• 🧪 実習 / Practice
  Sky130 / OpenLane / Python / GitHub / ChatGPT
  Hands-on practice 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・CMOS回路設計の物理基盤を、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・複合論理・MUX・加算器・FSM設計を通じて、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	CMOS微細化・物理限界・設計制約が回路設計に与える影響を、0.5µmから90nm世代まで体系的に学ぶ。 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・仕様策定・モジュール選定・PoC接続を通じて、SoC設計の出発点を学ぶ。 Covers upstream design, specification definition, 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開発フロー・標準セル設計・物理設計・STA・DFTなど、量産設計に必要な基礎を体系的に学ぶ。 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	検査・モニタリング・信頼性確認・出荷判定を通じて、量産品質と市場責任を理解する。 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	Design Review（DR）・多部門協働・組織連携構造を理解し、半導体製品開発の実務を俯瞰する。 Gain a systematic understanding of the purpose, structure, and cross-functional collaboration mechanisms of Design Reviews in semiconductor product development.

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🧩 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・消費電力の評価軸で比較し、SoC設計における統合・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・LDMOSの構造とレイアウト設計技術を学び、パワー制御・センサIF・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	ESD信頼性リスク・保護素子構造・レイアウト戦略・試験規格・破壊解析を体系的に学び、ICの信頼性設計力を養う。 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	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（DFM）**を確保する設計手法を学ぶ。 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	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混載課題まで、AMS設計全体像を学ぶ。 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	ばらつき・ノイズ・寄生要素対策を中心に、広い電源電圧・周波数帯域に対応可能なAMS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 Differentiated Analog Modules via Manufacturing Technology	1/fノイズ50%以上低減を実現するための、低ノイズMOS素子設計・製造プロセス活用戦略を学ぶ。 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構成要素・EDA連携・DRC・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	Lint・DRC・LVS・STAに加え、RTL〜物理検証の自動化・CI/CD検証フロー構築を学ぶ。 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・状態遷移図・Verilog三段階記述を理解し、制御設計の基礎を固める。 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動作原理・スキュー／ジッタ対策・クロックツリー設計を体系的に学び、高精度クロック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.

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🛠 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0章 / Chapter0	環境構築とツールセットの準備 Environment Setup and Toolchain Preparation	Python・VS Code・Git・ngspice・Sky130 PDK・OpenLane・Magic・Netgen・KLayout・Docker・WSL2など、実践編（第1〜3章）を進めるためのフルツールチェーンをセットアップする。 Set up the full toolchain required for subsequent chapters, including Python, VS Code, Git, ngspice, Sky130 PDK, OpenLane, Magic, Netgen, KLayout, Docker, and WSL2.
🛠 第1章 / Chapter1	Pythonによる自動化ツール群 Python-Based Automation Tools for Semiconductor Design	Sky130 PDK・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	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践する。 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〜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.

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📦 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技術を理解する。 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・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・信頼性を学び、柔軟な設計とスケーラビリティを可能にする技術を理解する。 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における物理制約設計対応 Design Handling of Thermal, Stress, and Noise Constraints in SystemDK	SystemDK概念・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び、SoC〜システムレベルでの統合設計力を養う。 Explains the concept of SystemDK and methods for addressing physical constraints such as SI/PI, thermal, stress, and EMI/EMC in design.

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🔗 関連プロジェクト | Related Projects

本教材体系と連動する拡張・応用プロジェクトの一覧です。
A list of extension and application projects linked to this educational framework.

🌐 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・投資などを通じて、半導体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 - 技術と社会・政策・市場の接点を多角的に探究
🎛️ EduController	制御理論（PID・状態空間）からAI制御（NN・RL・LLM）までを体系的に網羅。 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設計演習・RTL検証・FSM生成支援

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👤 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
経験領域 / Expertise	半導体デバイス（ロジック・メモリ・高耐圧インテグレーション） 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 プリントヘッド製品化・BOM管理・ISO教育 Productization of printheads, BOM management, and ISO training
💻 GitHub	Samizo-AITL

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📄 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	引用元を明記 Cite the original source

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💬 フィードバック | Feedback

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