ポスター一覧

 

Swarm Electronics (群知能エレクトロニクス) ―これから目指す方向

あらゆるモノがネットワークに繋がり,それらが環境から情報を収集し,互いにコミュニケーションし始めるとどうなるだろうか?  モノが群として行動し始め,機能を産み出すようになる. 集積回路技術はこのような世界で如何に進化すべきかを考えて,Swarm Electronicsを定義してみました. 1. エネルギーは自給する (Harvesting),2. 何か情報をとる (Sensing),3. 情報をやりとりする (Communication),4. 機能が出現 (Functionality Intelligence). さらにSwarm Technologyと考えると,アプリケーション/システムさらには社会への出口を考えた方向性となります.

 

異種機能集積技術の研究

我々の周りは,電気・ガス・水道をはじめとするインフラ関係のネットワーク,電話やインターネットによる有線(光)や無線ネットワークが張り巡らされ, かつそれらは常に進化し続け,我々が安心安全,また快適に人としての営みを続けることができている. ネットワークという雲(Network Cloud)の中で,人,モノは結びつけられて我々は営みを続けている.
ネットワーク・クラウドにおける情報通信・処理,センシング,エネルギー流通などをつかさどるエレクトロニクスの中核的役割を果たしてきた シリコン集積回路ならびにそのシステムの発展は,微細化による高性能化・高機能化によって牽引されてきた. 最小加工寸法5nmのCMOSデバイスやその集積化に主眼をおいた開発(Miniaturization, ITRS ロードマップではMore Moore)や新規な物理現象に立脚した 新デバイス(beyond CMOS)開発が進められている.
一方で,機能向上のためには狭義の情報処理ばかりではなく,通信機能やセンサ機能との融合による高機能化の方向性がある. 単なる微細化高性能化だけではない「異種機能との融合による高機能化」軸という新規な技術開発である. ITRSロードマップにおいては,微細化軸とは異なる異種機能集積(Integration with diverse functionalities)あるいはMore than Mooreと云われる. 具体的な事例としては,RF通信用チップや部品のワンチップ集積,センサ・検出回路集積,アクチュエータ・回路集積,光技術とCMOS融合技術としての シリコンフォトニクス,バイオ技術との融合による異種機能集積技術を産み出すべく研究開発競争が激化している. これらは既存の技術の単純な組み合わせでできるものではなく,異分野融合による科学的学術的な牽引を必要としている. 本研究では,異分野研究者が協調できるプラットフォームとして構築中のウエハ供給型シャトルサービスによって「異種機能集積チップ開発」を行い, ネットワーク・クラウドで利用されるマルチフィジックス・デバイス(異種機能集積デバイス・チップ)の研究開発を通して「マルチフィジックス・デバイス理工学」 と称される新学術分野を創成することを目指している.
「異種機能集積技術」研究は学内外の異分野の研究者・先生方と連携しながら進めている.本グループでは,その中で情報の伝送に関係する回路技術や, プラットフォーム・インターフェース技術を中心に研究を行っている.

 

RF CMOS集積回路技術

キーワード: Reconfigurable RF, Scalable RF, MEMS-Enhanced RF

一人一台の携帯電話という状況は,あらゆる『モノ』に通信機能が具備されて行くであろうことを想像させる. 「モノ」に具備されるならばセンサ搭載は当然であり,回路技術としての超低消費電力・超小型化, 電池に頼らない電力供給やエネルギースカベンジ技術も必要になってくる.

通信用高周波集積回路について考えると,まずCMOSは,微細化することで高性能になっているが,動作電圧が微細化と共に低下している. これは絶縁膜耐圧やドレイン耐圧が低下することに起因するが,低電圧動作は負荷容量の充放電電力で消費電力が決まる デジタルCMOS集積回路ではプラスに作用してきた. しかし,アナログ回路応用ではダイナミックレンジの確保が難しくなるという困難さに直結する.
従来の狭帯域通信用回路ではインダクタや容量などの受動素子を利用するが,利用周波数が決まると受動素子の大きさはほぼ決まるため, これらの受動素子によってCMOSチップ上のアナログ回路の面積がほとんど決まってしまう. nHオーダーのインダクタは百μm角以上の面積を必要とするが,最先端CMOSプロセスを利用すると組み込み用プロセッサであれば200μm角程度で実現できる. インダクタの底部にはデジタル回路は搭載できないためチップ上で占めるインダクタの面積ペナルティは極めて大きい. このように,RF CMOS集積回路では受動素子面積がCMOS技術世代に従って縮小することができないので,微細化メリットである経済性を追求できないという課題に直面する. さらには,複数の無線規格にも対応できるような回路技術としてのReconfigurable回路技術,Cognitive通信に対応できるような回路技術が必要となっている.
本研究では,アクティブ素子であるMOSFETだけで構成され,且つワイドバンド動作可能なスケーラブル (Scalable) RF CMOS回路技術の開発を進めている. ここでスケーラブルとは,利用するCMOS 技術世代が進むにつれて,性能はもちろんのこと回路面積も縮小するという意味である. RF CMOS回路の方向性の一つはデジタル回路とのSoC 化である.SoC化にはRF CMOS回路やアナログCMOS回路のスケーラビリティ確保は重要な観点であると考えている.

 

また,これまで集積回路ビジネスで成功したのは,少品種大量生産できたメモリとMPUだけであるといわれている. 集積回路の微細化が多くの壁に直面しているということは開発の方向性に視点の変化があって良いことを意味している. 破壊的イノベーション(Disruptive Innovation)が示す考え方は興味深い. ハイエンド市場要求に追従するのではなく,“性能を落として”新規なローエンド市場を開拓してみると,実は持続的な技術開発がいつの間にかハイエンド市場をも 駆逐してしまうという論である. 技術者としては“性能を落として”という部分に違和感を感じるが,CMOS技術開発で考えてみると,最先端CMOSではなくmatureなCMOS技術を利用すると割り切ってみると 「異種機能集積」とはまさにこのDisruptive innovation的である. CMOSとMEMSの融合や,CMOSとパッケージ技術の融合は一つの興味ある出口であると考えている. 本グループでは「MEMS-Enhanced RF回路」と称する,MEMS技術によってRF回路の性能を飛躍的に向上させることを目指した技術の研究開発も進めている.

 

高速信号伝送技術

キーワード:オンチップ伝送線路配線,高効率信号伝送,高周波測定技術・De-embedding技術(~110GHz)

近年のハイエンドプロセッサにおいては,チップ上に複数のCPUを搭載したマルチコアプロセッサが主流になっている. さらに,学会では数十以上のCPUを搭載しCPU間やCPU-メモリ間をLANのようなネットワークで接続する「ネットワークオンチップ(NoC: Network on Chip)」も発表されている. このようなハイエンドデジタル集積回路の課題の一つは,チップ内・チップ間の配線がシステム全体の性能を律速する要因となっていることである. 例えば,オンチップバス/オンチップネットワークの帯域幅やレイテンシを向上させようとすると多くのバッファ(リピータ)を用いることになり,消費電力が増大してしまう.
本グループでは,オンチップ配線の帯域とレイテンシ,電力効率を同時に向上させるための高速信号伝送回路技術を研究している. 従来のようにデジタル信号を単にCMOSインバータで強引にバッファリングするのではなく,信号のアナログ的振る舞いや配線の電気特性・電磁波特性を十分に考慮し, オンチップバス/オンチップネットワークにアナログ回路・RF回路技術を応用することによって伝送路の実効的帯域や電力効率を向上させる手法を開発している. 具体的には,配線のインダクタンス成分を活用したオンチップ伝送線路配線技術,小面積・高効率イコライジング技術,高速・低電力MUX/DEMUX回路, 金属配線の測定結果から不要な寄生素子成分を除去するDe-embedding技術の研究を進めている.

 

異種機能プラットフォーム・インターフェース技術

キーワード:Microelectromechanical System (MEMS) 融合化技術,シャトルサービス

 

Green ICE Initiativeプロジェクト

地球温暖化の回避と社会・産業の持続的な発展に向けて,Green(ローカロリー消費,低環境負荷),Dependable(高機能・高信頼・高安全), ECO(生態系に優しい)な社会神経網(情報網システム)と社会血管網(エネルギー網システム,輸送・交通網システム)のあり方を探る. これにより社会・産業全体の高度化・高信頼化と省エネ・CO2抑制・ECOの両立を図り,持続可能な高度情報・エネルギー社会の実現を目指して 閉塞した経済状況の打開,産業の活性化,新産業創出に資する研究成果を強力な産学連携で達成する.

 

主な測定装置・研究用機器

● Network analyzer
・Agilent, E8361A & N5260A & N5260-60003/60004, 10M-110GHz
・Agilent, N5245A, 10M-50GHz, 4port
・Agilent, E8364B & N4421B, 10M-50GHz, 4port
・Agilent, E5071C, 100k-8.5GHz, 4port
・Agilent, 8720ES, 50M-20GHz

● Signal generator
・Agilent, E8257D, 250k-67GHz
・Anritsu, MG3700A, 250k-6GHz
・Agilent, E4438C, 250k-6G
・Anritsu, MG3700A, 250k-6G

● Spectrum analyzer
・Agilent, E4448A, 3-50GHz
・Agilent, 8563EC, 9k-26.5GHz

● Vector signal analyzer
・Agilent, 89600S, DC-6GHz

● Signal source analyzer
・Agilent, E5052B & E5053A, 10M-26GHz
・Agilent, E5052A, 10M-7GHz

● Noise figure analyzer
・Agilent, N8975A

● Bit-error-rate test system
・Agilent, Pulse pattern generator, E8403A & E8491B & E4808A & E4861A x8 & E4868B, ~40Gbps
・Agilent, Error detector, E8403A & E8491B & E4808A & E4861A x8 & E4869B, ~40Gbps
・Anritsu, Signal Quality Analyzer, MP1800A x2, 0.1-25Gbps
・Anritsu, Pulse pattern generator, MP1761A x2, 50M-12.5Gbps
・Anritsu, Error detector, MP1762A, 50M-12.5Gbps

● Sampling oscilloscope
・Lecroy, SDA100G & SE-100 x2, ~100GHz
・Agilent, 86100C & 86117A & 86107A, ~50GHz

● Semiconductor parameter analyzer
・Agilent, E5270B & E5287A x4 & E5281B x4
・Agilent, E5270B & E5281B x8
・Agilent, E5270A & E5281A x8

● RF prober station x 4

● 基板加工装置
・MITS, FPZ-31ATHP model 60

● 計算機器
・計算専用サーバ x 10 (CPU 3GHz x 4 core, 48GB memory), ファイルサーバ等
・Cadence・Mentor・Synopsys ツール類, HFSS, GoldenGate, MATLAB, Coventor Ware など

Posters

 

Integration with diverse functionalities technology

Our life depends on infrastructure network such as electricity, gas, and water, which then developed into communication network such as the internet, land phones and mobile phones to make us live comfortably in a secure and convenient life. In “Network Cloud”, it shows how we run our daily life with the connections between human and everything around us.
The development of silicon integrated circuits and its system has been driven by high functionality and high performance from miniaturization and this development has played an important role in charge of information communication networks, sensing, and energy distribution in Network Cloud. Today, researchers are working on a new device (beyond CMOS) in accordance to the minimum feature size of CMOS device (5nm), development focused on the CMOS integration (Miniaturization, known as More Moore by ITRS Roadmap) and novel physical phenomena.
Meanwhile, in order to improve functionality, not only in a limited sense of information processing, but there is also direction for high functionality by integration in between communication function and sensing function. It is not a mere miniaturization with high performance; it is an axis of a new technology called “High functionality in integration of diverse functionalities”. In ITRS roadmap, it is called “Integration with diverse functionalities” or “More than Moore”; different from miniaturization axis. Nowadays, there are competitive researches on development to produce technology with integration with diverse functionalities, for example by integrating RF chips and integrated chip parts for communications, integrated circuit sensor detection, actuators/integrated circuits, silicon photonics from integration of silicon CMOS technology and optical technology, integration in bio R&D and so forth. These are not something that can easily be created by simply combining existing technology, but should be done academically and scientifically for respective fields. Our laboratory acts as a collaboration platform for researchers from various academic fields to develop multifunction integrated chip on wafer provided by shuttle service, and through the research and development in multi-physics device (multifunction device/chip) used in Network Cloud, we aim to construct a new academic field for “Science and engineering of multi-physics device”.
The research on “Integration with diverse functionalities technology” is performed by collaboration between different fields of teachers and researchers off campus. In this group, our research focus on circuit technique such as those related with information transmission, platform and interface technology.

 

RF CMOS integrated circuit

eyword(s): Reconfigurable RF, Scalable RF, MEMS-Enhanced RF

With ‘one cellphone per person’ situation, it is predicted that everything will have their own communication functions. If it is to be fulfilled in an object, naturally it will be equipped with built-in sensor, and therefore circuit technique with lower power consumption, smaller size, and power supply that does not rely too much on battery life has become necessary.

In high frequency integrated circuits for communication, CMOS has high performance in accordance with technology scaling, but its operating voltage decreases with scaling. This is due to the reduced drain breakdown voltage and dielectric breakdown voltage, but this low voltage operation that determines the consumption power from power charging and discharging of the load capacity shows a positive effect in the digital CMOS integrated circuit. However, in analog circuit, it is directly linked to the difficulty to secure the dynamic range. Previously, passive components such as inductors and capacitors have been used in narrowband circuit, and the size of these components are determined by frequency used, therefore size of analog circuit on CMOS chip is very much affected. nH order inductor usually need more than 100μm square, but by using advance CMOS process and embedded processor, 200μm square inductor can be achieved. Since digital circuit cannot be mounted below the inductor, it consumes a comparatively large area on chip. Thus, passive components cannot be reduced in area in accordance with CMOS technology scaling in RF CMOS integrated circuit, and as a result we face a problem where it has no advantage in cost reduction benefits in miniaturization. Furthermore, reconfigurable circuit technique to accommodate cognitive communication technology has become necessary to support multiple wireless standards. In this study, we are developing circuit technique which only consists of MOSFET (active component), and yet, it is a wideband operational Scalable RF CMOS circuit. ‘Scalable’ here means as the utilized CMOS technology generation progressed, the circuit also shows improvement in size consumption, as well as its performance. One of RF CMOS circuit direction is SoC with digital circuit. In effort to SoC, it is important to secure the scalability in analog CMOS circuit and RF CMOS circuit.

Besides, it is said that the only successful business in integrated circuit up until now is in the mass production of small kind of memory and MPU. The fact that miniaturization of integrated circuit are facing many challenges means that there is a change of perspective on the direction of development which is good. Disruptive innovation suggests an interesting idea. Instead of following the high-end market demand, “drop performance” and try to develop a new low-end market is a theory that proves that actually a sustainable technology can destroy high-end market imperceptibly. As an engineer, “dropping performance” is an uncomfortable part of it, but in CMOS technology development, rather than using advance CMOS, trying to practically use mature CMOS technology and this disruptive innovation might be able to produce integration with diverse functionalities. Integrations such as of MEMS and CMOS, CMOS and packaging technologies are considered to be an interesting exit. “MEMS-Enhanced RF Circuit” group is doing research development and aims to improve RF circuit performance by using MEMS technology significantly.

 

High speed transmission technology

Keyword(s): On-chip transmission line, High efficiency signal transmission, High frequency measurement technology, De-embedding technique (up to 110GHz)

In recent years, multicore processor equipped with multiple CPU on a chip for high-end processor has become the mainstream. In addition, reports on Network on Chip which consists of network between dozens of CPUs on a chip have been presented in conferences. One of the challenges in this high-end digital integrated circuit is that the interconnection among and within chips limits the performance of the entire system. For instance, to improve the bandwidth and latency of the on-chip bus/on-chip network, number of buffer (repeater) will increase and hence, it will consume more power.
This group is doing research on how to improve bandwidth and latency of on-chip interconnection, together with energy efficiency for high-speed signal transmission circuit. It is not as simple as just using CMOS inverter for buffering like digital circuit; we also have to consider the electromagnetic and electrical characteristics of the interconnection besides the analog behavior of the signal. With analog circuit and RF application in in-chip bus/on-chip network, we are developing methods on how improve channel energy efficiency and its effective bandwidth. Specifically, we pursue research on De-embedding technology to eliminate the unnecessary parasitic elements component from measurement results of on-chip transmission interconnection technology, high-efficiency small area equalization technology, high speed and low power MUX / DEMUX circuitry that utilized the inductance component in interconnection.

 

Multifunctional platform・interface technology

Keyword(s):Microelectromechanical System (MEMS), Fushion technique,Shuttle service

 

Green ICE Initiative Project

To sustain development of society and industry as well as avoid global warming, we need to find way for Green (low calorie consumption, low environmental impact), Dependable (high performance, high reliability, high safety), ECO (eco-friendly) society Neural Networks (Information Network System) and social vascular network (the energy network system, transportation system). Through this, advancement and high reliability of the society and the whole industry is aimed to be well-balanced with energy-saving, CO2 control and ECO. We breakthrough the obstructed economic situation to create a sustainable advanced information and energy-oriented society, and with joint effort between industry and academia, we try to achieve significant research findings that will contribute to new industries.

 

Experimental equipment

● Network analyzer
・Agilent, E8361A & N5260A & N5260-60003/60004, 10M-110GHz
・Agilent, N5245A, 10M-50GHz, 4port
・Agilent, E8364B & N4421B, 10M-50GHz, 4port
・Agilent, E5071C, 100k-8.5GHz, 4port
・Agilent, 8720ES, 50M-20GHz

● Signal generator
・Agilent, E8257D, 250k-67GHz
・Anritsu, MG3700A, 250k-6GHz
・Agilent, E4438C, 250k-6G
・Anritsu, MG3700A, 250k-6G

● Spectrum analyzer
・Agilent, E4448A, 3-50GHz
・Agilent, 8563EC, 9k-26.5GHz

● Vector signal analyzer
・Agilent, 89600S, DC-6GHz

● Signal source analyzer
・Agilent, E5052B & E5053A, 10M-26GHz
・Agilent, E5052A, 10M-7GHz

● Noise figure analyzer
・Agilent, N8975A

● Bit-error-rate test system
・Agilent, Pulse pattern generator, E8403A & E8491B & E4808A & E4861A x8 & E4868B, ~40Gbps
・Agilent, Error detector, E8403A & E8491B & E4808A & E4861A x8 & E4869B, ~40Gbps
・Anritsu, Signal Quality Analyzer, MP1800A x2, 0.1-25Gbps
・Anritsu, Pulse pattern generator, MP1761A x2, 50M-12.5Gbps
・Anritsu, Error detector, MP1762A, 50M-12.5Gbps

● Sampling oscilloscope
・Lecroy, SDA100G & SE-100 x2, ~100GHz
・Agilent, 86100C & 86117A & 86107A, ~50GHz

● Semiconductor parameter analyzer
・Agilent, E5270B & E5287A x4 & E5281B x4
・Agilent, E5270B & E5281B x8
・Agilent, E5270A & E5281A x8

● RF prober station x 4

● Substrate manufacturing equipment
・MITS, FPZ-31ATHP model 60

● Computing machineries
・Computer server x 10 (CPU 3GHz x 4 core, 48GB memory), file server etc
・Cadence・Mentor・Synopsys Tools, HFSS, GoldenGate, MATLAB, Coventor Ware etc