今後の豊かな人間生活を提供するシステムと半導体～ オープンイノベーション下で価値を創造できる技術者を目指して ～情報処理学会 計算機アーキテクチャ研究会（ＡＲＣ）
2012年3月27日 長崎大学

ルネサス エレクトロニクス株式会社
ルネサス エレクトロニクス株式会社
有本 和民
2011/1/14

1Rev. 1.00

00000-ALSIの役割 Role of LSI chips
人が中心(快適な生活を)技術が人を思いやる時代

ビジネスが中心
性能

技術動向
技術がビジネスに必要なレベルに追いつかない
人が技術を使いこなす時代

技術がビジネスに必要なレベルを超越技術がビジネスに必要なレベルに追いつき始める

ビジネス用途に必要とされる
パフォーマンス

モバイル時代モバイル時代
メインフレーム時代

PC 時代

ユビキタス時代
ユビキタス時代

1980
1990
ISSCC2011のテーマ“Electronics for Healthy Living“

2000
2010
ISSCC2012のテーマ“Silicon Systems for Sustainability“

健康的な生活のためのエレクトロニクス

持続可能性を目指したシリコンシステム

2年

Cost Performance ÆEnergy Performance
価値の指標のパラダイムシフト（環境変化）

CO2 約3億トン

5500億kWh

IT機器の国内消費電力量12倍５割削減

消費電力量の推計（増加シナリオケース）[億kWh]
2500

現状予測ケース

5倍

CO2約１.3億トン ４割削減

2000
1500

CO2約2600万トン

テレビ
サーバ

500

NW機器

日本全体の総電力消費量の約5％

0
2006年

2025年

2050年

1400億 るＩＴ省エネ
kWh ケース

500億
kWh

2006年

2900億
kWh
新技術によ→乗用車800万台分

PC

1000

2400億
kWh

2025年（ ５倍増）

2050年（12倍増）

METI”「グリーンITプロジェクト」の概要“から引用

・パソコン、携帯など適当な値段でひたすら性能の良いものが売れてきた。
・性能・機能はそこそこで満足。それより低消費電力の機器が求められる。
（省エネ家電・ハイブリッドカーがヒット。エコポイントが後押し。）
消費電力は性能の条件のひとつ
コスト重視

パフォーマンス
コスト
3消費電力

パフォーマンス
消費
電力

コスト

消費電力は性能の条件の主項目
コストは犠牲

半導体：身の回りだけでこれだけ使われているÆ減ることは予想されますか？
ただし、原理原則から、応用に主体が移ってきている。
200個20個20個50個10個10個20個40個20個5個5個10個10個10個10個100個10個30個45個

世界半導体市場規模(製品別）
売り上げ金額（Ｂ＄）

多少の凸凹はあるが、右肩上がり。
しかしながら、応用用途、ビジネスモデル、地域性等中身は大きく変化している。

320307291
248

227
213
204342732964900

166
139

141

26202420242770

69

32

100

383532112

37256

38
36

47

249

40554547

136

146

154

65

66

65

101112

226

36

51

433632114

124

127114802527

33010203

47

4958

58

46

45040506070809Mos-Memory

Mos-Logic

Bip/Analog

Discrete

出典：WSTS 2010春季予測
5

体感できてますか？
6

2010.10.09JEITA半導体部会報告会資料から引用

日本半導体の強み分野 １
環境分野に対応する応用機器分野群に、搭載される半導体には、日本企業がこれまで製品技術やノウハウを培ってきた強いデバイス分野が少なくない
時間とともに、ポートフォリオは大きく変化している。

◇パワーデバイス
ＩＧＢＴ（省エネ対応・大電力素子）
ハイブリッド車、電力制御機器、建機、工作機、産業機械
ＦＥＴ（高速スイッチング） ＯＡ機器、ＡＶ機器◇光半導体（白色・青色ＬＥＤ）
バックランプ・携帯電話・電飾・信号機・照明器具◇センサー
カーエレクトロニクス、ビル・住宅のセキュリティ・システム、 監視装置
7

日本半導体の強み分野 ２◇ＭＣＵ（８ビット･１６ビット･３２ビット）Micro Control Unit
ＡＶ・白物家電、自動車、携帯電話、プリンタ、モーター制御◇ＭＰＵ（３２ビット・６４ビット）Micro Processor Unit
ゲーム機 カーナビゲーション
この分野は、パッケージング（ODM等）よる大量生産による、コスト競争領域になり、日本での製造は困難になりつつある◇システムＬＳＩ
デジタル映像機器、携帯電話、カーナビゲーション◇フラッシュメモリー
デジカメ、携帯電話、携帯音楽プレ－ヤ、メモリーカード
セキュリティカード、ＵＢＳメモリー◇ＣＣＤ・ＣＭＯＳセンサー
携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ロボット、医用機器、航空機◇表示制御ドライバー

ＬＣＤドライバー、ＰＤドライバー◇ＩＣタグ
物流管理、商品履歴管理
8◇新分野のチップ
生体認識（顔、指紋、声紋）
8プラットフォーム（PF）化の流れ（現在の半導体設計状況）
システムの複雑度への半導体設計の対応（H/W, S/W）
ハードウエアもソフトウエアもアプリケーションに最適化して構築
携帯アプリケーション
ソフトウェアＣＩＳ(Car Information System)
アプリケーション
ソフトウェアＤＴＶアプリケーション
ソフトウェア

携帯向けプラットフォーム
携帯向けプラットホーム

ＣＩＳ向けプラットフォーム
ＣＩＳ向けプラットホーム

ＤＴＶ向けプラットフォーム
ＤＴＶ向けプラットホーム

ＬＣＤ-Ｄ

ＡＡＡ

暗号

ＵＳＢ‐Ｄ

ＢＢＢ
認識

地デジ
ＣＣＣ
ＬＣＤ‐Ｄ ＵＳＢ‐Ｄ

ソフトウェアＭＢＸ
ＶＰＵ４ＵＳＢ2.0認識

ＤＤＲ ＩＦ 暗号
ＵＳＢ‐Ｄ グラフィック

ハードウェア

ＵＳＢ-Ｄ
音声合成ＶＰＵ４ ＤＤＲ ＩＦ
ＵＳＢ2.0 ＣＰＵ

インターコネクト技術：：短期間にアプリケーション別に最適なPFを実現
インターコネクト技術：：短期間にアプリケーション別に最適なPFを実現
ＨＷインターコネクト
コンポーネント技術

ソフトウェアミドルウェア
ドライバ

ＳＷインターコネクト
新規開発ソフト
ミドルウェア

ドライバ群

ＬＣＤ-Ｄ

ＶＰＵ４

ＭＢＸ

地デジ

音声合成

ＡＡＡ

ＢＢＢ

認識

暗号

ＵＳＢ-Ｄ

差別化ＩＰ

ＨＷ ＩＰ

評価検証ツール

コモディティＩＰ

ＤＤＲ ＩＦ

ＵＳＢ2.0

新規開発ＩＰ

ｸﾞﾗﾌｨｯｸ

認識

新規導入ＩＰ

暗号

ＣＰＵ

ユーザから見ての価値？チップサイズ（コスト）、消費電力等々。それ以外に、価値をみてくれな
9い場合は、効率化の仕組みとなる。価値が見出される場合は、価値部分を尖がらさせるべき。

代表的な現在の半導体技術：マルチコア
動作周波数向上による処理性能向上からCPU数増加による処理性能向上へ（CPU：：マルチコアÆメニイコアへ）
more performance@ same frequency

Super-scalar multi-core CPU

MIPS/W

Performance

2CPU
Super-scalar
1.8x performance√ # of core
Performance up@ same power

Super-scalar CPU
higher performancehigher frequency
Consume more power

Single CPUtimeline

動作周波数をあげると消費電力増大
半導体デバイスの本質問題（単なる微細化はNG）Æデバイス、H/W・S/W協調設計

10Core2Core1Core4GCPG

DBSC

MX-2

Core3SHWY

Core6Media
IPs

Core7

Core 0-3

VSWC

LBSC

D$DDR3

Core 2

Core 3URAM

Peripherals

SNC

Core0
DLRAM

SNC1

Core 0 Core 1

S-ATA

PCIe

I$

ILRAM

SNC0DAA

RP-X (ISSCC2010 5.3)

Core5
GCPG

FE

B us R
outer

MediaIPs

Core 4-7

DDRPAD

90nm, 8-layer, triple-Vth, CMOS

90nm, 8-layer, triple-Vth, CMOS

45nm, 8-layer, triple-Vth, CMOS

97.6 mm2 (9.88 x 9.88 mm)

104.8 mm2 (10.61 x 9.88 mm)

153.8 mm2 (12.4 x 12.4 mm)

1.0V (internal), 1.8/3.3V (I/O)

1.0-1.4V (internal), 1.8/3.3V (I/O)

1.0-1.2V (internal), 1.2-3.3V (I/O)

600MHz,600MHz,648MHz,

4.32 GIPS, 16.8 GFLOPS

8.64 GIPS, 33.6 GFLOPS

13.7GIPS, 115GOPS, 36.3GFLOPS

11.4 GOPS/W (32b換算)18.3 GOPS/W (32b換算)37.3 GOPS/W (32b換算)

マルチコアチップRP-1/2/Xの概要
11DDR3RP-2 (ISSCC2008 4.5)

CSM

RP-1 (ISSCC2007 5.3)

マルチコア・アクセラレータのマッピング

Low

Power Consumption
HighLow

ParallelismHighィ
あらゆる先端プロセッサ技術を組み合わせて、安全、安心、快適
テ
リビ
で、持続可能な社会を実現する。
ラCustom Accelerator
MX-2
MX

成熟したアルゴリズムを利用するアプリケーションでは専用ア
クセラレータで電力効率、コスト効率を最大限に追求

能性
IMAPCAR2

Programmable Accelerator
Reconfigurable CE

IMAPCAR LiteEMMA

VPU5Media Processor (VLIW)DSP命令 性V850

RX

未成熟分野ではアルゴ
リズムの変更に対する柔軟性を重視の
能SH

DSP

Low
12ーケスの78K0
R8C

CPU

Flexibility

さまざまな技術を組み合わせて、最適化、高性能化を推進。

Highィテリビ
ラースケマルチコア

今後の豊かな人間社会：：半導体にとっての今後の展望
グリーンソリューション提供により“スマート社会”実現へ スマート社会を構成するそれぞれの分野に最適なソリューションを提供、世界のスマート社会実現に貢献していく
スマートビルディング

スマートファクトリ

スマートな社会

スマートホーム
スマートグリッド
13

スマートカーSmart Car

自動車向けの新たなテクノロジー

 スマートカー（ＨＥＶ/ＥＶ）向けの新たなテクノロジーへの取り組み
ハイブリッドＥＶ
セキュリティ対応
バッテリーチャージャ

モータ及びジェネレータ
制御

PLC ネットワーク- モータとジェネレータ制御用のリゾルバ インターフェースを統合する低消費電力MCU- セキュリティ機能を備えたバッテリーチャージ用のEVSE （EV ServiceEquipment) ソリューション- MCU+パワー/アナログデバイス
によるHEV/EV システムソリューション( Pre driver, IGBT, Power MOS)

- EVとホームネットワーキングを接続するPLCネットワークソリューション

バッテリー
バッテリー管理- MCU + アナログ (バッテリーモニターIC)によるEV/HEVバッテリーの管理- 自己診断機能( cell balance, safety charge/discharge)- セルモニターとバッテリー認証用
セキュリティMCU

EV: Electric Vehicle, HEV: Hybrid Electric Vehicl
マーケ的な資料はある程度作れます。ここから、“顧客がどうしても欲しくなる技術”、“イノベーションを与える技術“にどう発展させるかがポイント
14

市場技術トレンド
スマートカーで見た場合
スマートコミュニティーとスマートカー（グリーンカー）

低炭素で安全・快適な移動手段の実現
ゼロエミッションの実現
・ＥＶ，ＰＨＥＶ

販売店・ﾃﾞｨｰﾗ
警察・保険会社 遠隔車両診断 ｺﾝﾃﾝﾂｻｰﾋﾞｽ

エネルギー消費量の削減
・ECO・安全運転支援
・渋滞抑制、回避
・車輌の軽量化

ｺﾝﾃﾝﾂ配信

手配車両追跡
盗難車両追跡

緊急通報センター

ｸﾗｳﾄﾞｻｰﾋﾞｽ

事故情報把握緊急車両手配キャリア

地図データサービス
経路探索
充電端末情報配信

電力管理センター

需要、発電変動の吸収
・電力負荷の平準化
・電力蓄積機能の活用

電力変動把握電力配分管理ETC
5.8GHz1Mbps

DSRC
5.8GHz
4Mbps

・Home-車輌
情報共有

路-車間通信5.9GHz,700MHz帯
10Mbps

車-車間通信・￥・夜間充電・発電変動吸収15

前方監視カメラ

5.9GHz,700MHz帯
10Mbps

逆に言えば、このような情報は、入手しておくべき。
各分野での自分の専門の価値が語れるか？（中堅）スマートカー実現の課題

課題と必要技術

情報技術と制御技術の融合
課題
ゼロエミッションの実現
・ＥＶ，ＰＨＥＶ・電池、高圧電源系の安全性確保
・機器の電動化・航続距離の確保

制御技術・情報技術
・ﾊﾞｯﾃﾘ充放電制御技術
・電力管理技術
・認証技術
・ﾓｰﾀ、ｿﾚﾉｲﾄﾞ制御技術
・給電ｲﾝﾌﾗエネルギー消費量の削減
・車輌
・制御・回路の高効率化 ・ﾓｰﾀの高電圧駆動化
・部品の小型軽量化
・ｲﾝﾃﾘｼﾞｪﾝﾄｱｸﾁｭｴｰﾀ
・ﾓｰﾀの高速化
・交通システム・ECO・安全運転支援
・画像認識、HUI技術
・渋滞抑制
・車-路/車-車間通信
・ｸﾗｳﾄﾞ技術

16

需要、発電変動の抑制
・充放電制御/売買決済 ・LTE
・電力蓄積機能の活用 若手エンジニアは、そこまで、情報収集できるのか？
情報のデータ保護
・PLC技術・認証技術
そうではなく、情報を受け入れる柔軟性、ふところの深さが重要。逆に言えば、若いから、どう考えるのか？

EV/PHEV実用に向けた電子技術
電池と高電圧に対する安全性の確保と、航続距離の拡大
電力供給
・電圧変換
・電力品質向上（高調波抑制）
・高電圧漏電検出
電力蓄積
・電池充放電制御

電動パワー
ステアリングECU

駆動力変換
・ﾓｰﾀ駆動・回生制御
・電動ｱｸﾁｭｴｰﾀ
セキュリティ
・機器認証
・情報保護

エンジンECU

エンジン
駆動力

HV ECU

トルク
コンバータ
4-600V

バッテリ充放電
ECU

電動エアコン
ECU

セル
バッテリ 監視

コンプレッサ
DC/DC
Conv.

発電機

モーター

Power
Module

ブレーキECU

HEVモータ発電
ECU

デバイス・回路エンジニアは、これらを知ってどうする？
17
若い発想？

14V系電源

DC/DC
Conv.

DC/DC conv.
ECU

DC/DC conv.
ECU

電源制御用半導体

アナログ半導体
パワー半導体マイクロコントローラ

モーターの高電圧駆動による高効率化
・IGBTによる高効率電圧変換
電力品質の確保・PFCによる電力ラインの高調波抑制・漏電検出デバイスによる高圧ライン事故防止

14V system
ECU

CAN
Battery Management ECU

PLC
ECU

ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

電力

充電器
I/F部

充電ｼｽﾃﾑ18AC/DC変換
PFC*IGBT

ﾌﾟﾘﾍﾟｲﾄﾞｶｰﾄﾞ
ｸﾚｼﾞｯﾄｶｰﾄﾞ

電力
会社

AC100V/200V
充電電力

Fuel gauge
MCU

昇圧Currentmonitor昇圧
Fullbridge
IGBT

Cell monitor
MCUmonitor
AFE

MG
ECU

EngineECU

PhotoCoupler

PhotoCoupler

Engine昇圧

Inverter

IGBT

IGBT

降圧

Inverter Generator

IGBT

IGBT

IGBT

Motor

…

Li-ion Battery Cell
電池モジュール

自分の技術・研究の未来設計図。
EV/PHEV * PFC: Power Factor Correction
メッセージを出していこう。
最近は、多くの人の目に触れる機会がある。

19

マルチコアチップコネクションÆメニイコアへ
JEITAマルチコアハンドブックから引用マルチコアÆクールマルチコアへ PC/サーバ系マルチコアより高効率(同一電力で、より高い性能を実現)
 組込み系シングルコアの効率を上げる低電圧化技術
 スケーラビリティを維持する高効率並列化・超並列化技術マルチコア技術を例にしています
が、この周りにも、大きな課題が山積していますし、異なる分野で、自20分なりのプランが書けますか？

高速・高エネルギー効率化Æ更なる付加価値
ディペンダブルシステムへの課題
 「第３世代」の組込み高性能並列システム
z マルチコア、マルチプロセッ
サになりつつある 高信頼性・高性能化への要請
z 高度な認識（画像、音声）を用いた認識・監視装置
z 高性能高信頼・情報家電ア
プライアンスサーバー– ＰＣよりもコンパクト、省電力、高性能、高信頼、高機能組込み機器•••「ディペンダブル並列システム」「ディペンダブル並列システム」
並列システムでのディペンダビリティ
並列システムでのディペンダビリティのサポート（高性能化と信頼性）のサポート（高性能化と信頼性）
 並列システムを利用したディペンダビ
並列システムを利用したディペンダビ
リティの提供（冗長性など）
リティの提供（冗長性など）ディペンダブル。この言葉ひとつでも、非常に大きな技術体系です。
一方、信頼性技術で、お金をとれるかと21いう課題もあります。（日本的）消費電力・発熱と性能マルチコア化– 高周波数による性能向上から並列処理による性能向上
例：SH-4Aマルチコア、MPCore、モバイルPenryn、Griffin
ネットワーク・ユビキタス化– 無線LAN、アドホックネットワーク– セキュリティ低消費電力システム向け異種デバイス融合
Fusion of MEMS and CIRCUIT
More than Moore→
MEMS技術と回路技術との融合によるLSIへの新しい機能の搭載（現状：MEMSを従来のコイルや容量といった受動素子）
MEMSデバイスと回路を物理的に一体化するだけでなく、互いの利点を融合し新しいシステムを実現する真の一体化が必要
・MEMSと回路とを融合するためのアーキテクチャ設計技術、回路設計・検証技術、MEMS素子のモデリング技術、製造プロセス設計技術、テスト技術、ソフトウエアやアルゴリズム等
・MEMSと回路の融合の状況・課題の明確化
MEMS設計者・回路設計者の融合
回路・システム設計技術の融合

新しいマーケット、アプリケーションの創造
もうひとつの指針：完成系にこだわるか？技術開発の当初のゴールは満たさなくても、途中経過の技術でも、使える分野がある可能性が高い。
（ただではこけない）
オープンな世の中で、他の技術との組み合わせでも生きることがある等々。
22

ISSCC2010 Evening Session ES.3より引用

Fusion of MEMS and CIRCUIT
スマートセンサーへの進化
Sensor + Embedded
Intelligence

HW/SW Integration

チャンスがあるか？
異分野の組み合わせは、過去、多数の成功例がある。
23

ISSCC2010 Evening Session ES.3より引用

Any angle融合
モバイル
ソリューション

AVソリューション

アプリ
ミドル
論理回路
デバイス

アプリ
ミドル
論理回路
デバイス

Any angle 統合
異分野
モデル
モデル
アナログ
MEMS

主市場
新規分野
ミドル
アルゴリズム
論理設計
検証
デジタル
ミクスド
CMOS
センサー

従来垂直統合モデル24

このような環境下での、自分の立ち位置を充分に認識。
LSI屋は、システム屋ではなく、新しいLSI屋であるべき。
また、自分の立ち位置は、当然変わっていく。（変化への柔軟性）

未来システム（スマートカー等）を実現していく半導体
つなぎによる、any angle融合（価値創造）とプラットフォームの進化（3D拡張可能なPF等）
・高速・高エネルギー効率技術を旗印に、デバイス・回路・アーキテクチャー・アルゴリズム・ソフトウエアの各レイヤーの融合は更に進んでいく。（デペンダビリティー等も）・今後は、各レイヤのプラットフォーム化が進み、any angleな融合による新規アプリケーションが開拓されていく。
・ Any angleな融合による、高速・高エネルギー効率化は、新たな技術開発という正帰還がかかり進展していく。
・上記はデジタル回路・アナログ技術のCMOSデバイス内の融合から、回路・MEMS等の異種デバイスの融合に展開されていく。

未来優位化技術が上記のプラットフォームに組み込まれて、各種システムアプリケーションに展開されていくと予想される。
25

Thanks
 「未来を予測する最善の方法は、それを発明することだ」（1971年米国パロアルト研究所コンピュータ科学者アラン・ケイAlan Kay 「パソコンの生みの親」 ）（今のはやりは：Stay hungry, Stay foolish??)ＪＡＸＡ ＨＰより引用
26