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発表・掲載日:2017/03/07

NECと産総研、宇宙環境での利用に向け、優れた放射線耐性の「NanoBridge(R)」技術を搭載したLSIを開発

-高放射線耐性と超低消費電力を両立-


 NECと国立研究開発法人産業技術総合研究所(以下 産総研)は、産総研などが推進するオープンイノベーション拠点TIA(注1)を活用し、宇宙でのLSI利用に向けて、優れた放射線耐性をもつNEC独自の金属原子移動型スイッチ"NanoBridge(R)"技術を搭載したFPGA(NB-FPGA)(注2)を開発しました。

 現在のFPGA(SRAM型FPGA注3)は、人工衛星など宇宙環境で利用する際、放射線の影響でSRAMに書き込まれた回路情報が変化し誤作動が生じる課題がありました。一方、NanoBridgeは従来のFPGAの電力効率を10倍向上することに加え、優れた放射線耐性を備えています。

 今回、NECは開発したNB-FPGAを用いて、国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構(以下 JAXA)と共同で地上の過酷な放射線環境下で動作実証を行いました。その結果、NanoBridgeのオン・オフが放射線の照射前後で変わらないことを確認しました。これによりNECは、SRAMと比較してNanoBridgeが放射線によるエラー発生頻度を1/100以下にできると予測し、高放射線耐性と超低消費電力を両立するLSIを実現できると考えています。

 NB-FPGAは、NEDO「低炭素社会を実現する超低電圧デバイスプロジェクト」の成果を活用し、固体電解質材料を含めたNanoBridgeの各構成材料(図1)をTIAの半導体製造装置を用いて、NECと産総研が共同で開発しました。NB-FPGAはTIAのオープンイノベーションの成果の一つです。

 今後NECとJAXAは、平成30年度に打ち上げる「革新的衛星技術実証1号機」にNB-FPGAを搭載し、実用性と信頼性を検証する予定です。


(左)「NanoBridge」技術の動作原理の図、(右)NB-FPGAのチップ写真
図1:(左)「NanoBridge」技術の動作原理  (右)NB-FPGAのチップ写真


NanoBridgeの放射線耐性について

 人工衛星で利用される機器では、高信頼性が要求されますが、宇宙での強い放射線の影響により、シングルイベント現象といわれる回路の不具合が引き起こされます。また、地上の通信機器においても、同様に放射線による不具合の発生が課題となっています。例えば、放射線がLSIに入射すると半導体基板中で電荷が発生し、電荷の有無で情報を記憶しているSRAMに不具合が発生し、回路情報の書き換えが起こります。

 NanoBridgeは、固体電解質中に形成される金属(銅)原子の架橋の有無を信号のオン・オフに利用しています(図1)。オン・オフ状態は電圧を切っても保持されます。NanoBridgeの金属原子の架橋は放射線の入射で発生した電荷の影響を受けないため、放射線が飛び交う宇宙環境においても、NB-FPGAの回路の書き換えが起こる可能性が極めて低く、高い信頼性を実現します。

宇宙での実証実験について

 JAXAの実証テーマ「革新的FPGAの耐宇宙環境性能軌道上評価」(注4)において、平成30年度に打ち上げる革新的衛星技術実証1号機にNB-FPGAを搭載し、実用性と信頼性を検証します。宇宙の過酷な環境下で、カメラで撮影した画像をNB-FPGAで圧縮処理し送信する実証実験を行う予定です。

今回評価したNB-FPGAについて

 上記宇宙での実証実験に向けて、今回地上で評価を行った結果、NB-FPGAは宇宙で高い放射線耐性が得られる見通しを得ました。

 今回の評価に利用したNB-FPGAの特長は、以下のとおりです。

  • 回路方式に従来のFPGAで使われている4入力LUT(注5)を採用することで、互換性や使いやすさを向上。64×64セルのチップに8、000個のLUTを実装。(宇宙での実証実験では、画像圧縮処理に必要な3.7万個のLUTをNB-FPGAに実装。)
  • NanoBridgeのスイッチを3端子構造(注6)にすることで、オフ状態にあるスイッチの信頼性を向上。1つのNB-FPGAに、最大5、100万個の スイッチを含み、信号の切り替えやLUTのメモリーに使用。

 NECは、今後、宇宙での実証実験の結果を基に、信頼性の高いFPGAの実用化を目指していきます。まず、車載機器、ロボット、通信機器(注7)などへの適用に向けて実用化を進め、その実績をふまえて、人工衛星への搭載に向けた研究開発を進めていきます。

以上 


(注1) TIA:国立研究開発法人産業技術総合研究所、国立研究開発法人物質・材料研究機構、国立大学法人筑波大学、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構と国立大学法人東京大学の5研究機関と、一般社団法人日本経済団体連合会とで運営する研究拠点。内閣府、文部科学省、経済産業省の支援を得てオープンイノベーションに繋がる研究開発を推進。[参照元へ戻る]
(注2) FPGA:FPGA(Field Programmable Gate Array)はユーザーが論理機能を自由に設定できる論理LSI。[参照元へ戻る]
(注3) SRAM型FPGA:SRAM(データの読み込み・書き込みが自由に行える揮発性メモリー)に論理機能を実現する回路情報が保持されているFPGA。NB-FPGAとの電力効率の比較は、NB-FPGAと同等の回路アーキテクチャのSRAM型FPGAを用意して行った。[参照元へ戻る]
(注4) JAXA「革新的衛星技術実証1号機」搭載の実証テーマ「革新的FPGAの耐宇宙環境性能起動上評価」(https://www.tia-nano.jp/about/index.html[参照元へ戻る]
(注5) Look-up Table(LUT):入力値に対応した論理演算の出力値をLUTとよばれるメモリーに格納・読み出すことで各種論理ゲートを実現する回路方式。4入力LUT:FPGAで一般的に使われる4つの入力値で1つの出力値が決まるLUT。[参照元へ戻る]
(注6) 3端子構造:直列に接続した2つのNanoBridgeを1つのスイッチとすることで、オフ時に印加される電圧ストレスを半減する一方、書換え時には個々のNanoBridgeに電圧を印加することで低い電圧で書換えができるようにした構造。[参照元へ戻る]
(注7) NEDO/戦略的省エネルギー技術革新プログラム「100万LUT規模原子スイッチFPGAの開発」において、通信機器などのICT機器への適用も検討。[参照元へ戻る]



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