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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~

 日本電気株式会社(NEC)と国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)は2017年3月7日,産総研などが推進するオープンイノベーション拠点TIA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(Field Programmable Gate Array,ユーザーが論理機能を自由に設定できる論理LSI)“NB-FPGA”を開発したと発表した.

 人工衛星で利用される機器では高信頼性が要求されるが,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る.また,地上の通信機器においても,放射線によってLSIに不具合が発生することが課題となっている.例えば,SRAM(データの読み込み・書き込みが自由に行えるリフレッシュ不要の揮発性メモリー)では,放射線が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メモリー情報が書き換えられてしまう不具合が起こる.従って,論理機能情報をSRAMに保持している現在のFPGAは,人工衛星など宇宙環境で利用する際,放射線の影響で誤作動が生じる恐れ題があった.

 これに対しNECが開発した“NanoBridge”は,固体電解質を2枚の電極(RuとCu)で挟んだ構造のメモリー素子で,Cu電極に正電圧を印加すると電極間に金属(Cu)原子が架橋され,負電圧を印加すると架橋は消失する.すなわ,Cu架橋の有無を信号のオン・オフに利用しており,電圧を切ってもオン・オフ状態は保持される.不揮発性メモリーであるので,従来のFPGAより電力効率は10倍向上する.さらに,NanoBridgeのCu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,優れた放射線耐性をもつ.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,高い信頼性を実現すると期待される.

 今回NECと産総研は,NB-FPGAを共同で開発した.この開発では,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はTIAの半導体製造装置を用いて作製した.さらに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(JAXA)と共同で地上の過酷な放射線環境下で動作実証を行った.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た.これにより,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,高放射線耐性と超低消費電力を両立するLSIを実現できる見通しを得た.今回の評価に利用したNB-FPGAの特徴は,①4入力LUT(Look-up Table)回路方式を採用し,64×64セルのチップに8,000個のLUTを実装し,②NanoBridgeのスイッチを3端子構造にし,最大5,100万個のスイッチを含み,信号の切り替えやLUTのメモリーに使用したことである.

 今後は,JAXAの実証テーマ「革新的FPGAの耐宇宙環境性能軌道上評価」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する.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.またNECは,地上での車載機器,ロボット,通信機器などへの適用も合わせて,実用化を進めていくとしている.