研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

廣瀬 哲也

神戸大学 大学院工学研究科准教授

サブスレッショルド動作
超低消費電力LSI設計技術
ナノワットの超低消費電力で動作するLSI設計技術確立を目指して研究の背景

研究の成果

レータなど）を動作させるために，バイアス電流や信号処理用リファレンス電圧をオ

これまで，半導体集積回路（LSI）の消費超低消費電力で動作するLSIの実現

ンチップで生成する必要がある．従来は，電力は素子の微細化と電源電圧の低減にに向けて，従来の設計手法とは異なり，MOSトランジスタとともにバイポーラトランよって実現されてきた．これにより，LSIの高MOSトランジスタをサブスレッショルド領域ジスタと抵抗を利用した．しかし，ナノアン集積化，高性能化，高機能化が実現され，で動作させる設計手法の開拓研究に取りペアオーダーの極低電流動作を実現する

近年では小型バッテリで数日間動作する電組んできた．図2に示すとおり，サブスレッ

場合，電流量が低いため，抵抗を用いると子デバイスが実現されている．一方で，IoTショルド領域におけるMOSトランジスタの大きな抵抗が必要となる課題があった（例（Internet of things）のキーワードに代表

電流はナノアンペアオーダーの微小電流えば，10 nAの電流で0.5 Vの電位差をされるように，様々なセンサを活用したセンであり，超低消費電力で動作するLSIを実生成するためには50 MΩの抵抗が必要とシング技術が注目されている．このようなセ現できる．一方，製造プロセスばらつきやなる）．

ンサは，超小型で，長期間にわたって「バッ温度変化に対してトランジスタ特性が敏感テリレス」かつ「メンテナンスフリー」で動作に変化し，実用化への課題となっていた． を用いないリファレンス回路技術を開拓しできることが求められ，デバイスの骨格をな

しかし，その魅力的な超低消費電力特性た【1, 2】．提案回路は，温度と共に減少すすLSIを極めて低いエネルギーで動作させを活かすことができれば，バッテリレス・メンる電圧に，温度と共に増大する電圧を加る超低消費電力回路設計技術が必要となテナンスフリーを実現する集積システムが算し，温度に対して一定のリファレンス電る．図1に示すとおり，このようなLSIが実現期待できる．そこで，これらの課題を考慮し圧を生成する．従来は抵抗を用いて温度できれば，小型環境発電デバイス（ハーベたLSI設計研究の蓄積を行ってきた．

と共に増大する電圧を生成していたが，こスタ）を用い，太陽光，室内光，温度差，振動，電磁波といった身の回りの微弱な環境エネルギーで動作する小型集積デバイスを実現できると期待される．

これらの課題を解決するために，抵抗れを差動対回路で生成する手法を開拓し
1. 超低電力で動作するリファレンス回路た．差動対回路により，小面積化とばらつアナログ信号処理を行う上で，基本回きの影響を緩和する構成とした．測定評

路ブロック（例えば，オペアンプやコンパ価により，出力電圧745 mV，消費電力

図1 LSIの消費電力の動向と研究分野．これまでの設計技術では実現できなかったナノワットオーダーでの設計技術開拓を目指す．

図2 MOSトランジスタの電流特性の例．
しきい値電圧以下のサブスレッショルド領域で回路システムを動作させることでナノワットオーダーで動作する超低消費電力LSIを実現できる．

丸文研究奨励賞 受賞者
300 nW，温度依存性7ppm/°
C，ラインレギュレーション20ppm/Vを実現した．

型センサ応用には不十分であった．

費電力で動作するLSIを実現することで，そこで，図3に示すとおり，バッテリレス

これまでにない新しいLSI応用が期待できセンサ応用に向けた高効率昇圧コンバー

る．特に，小型ハーベスタを利用したシス

2．低電圧デジタル回路のためのレベルシフタ

タを開発した【6, 7, 8】．MOSFETドライバを

テム構築は現在基盤技術の確立が急務

デジタル回路の低消費電力化を実現す利用した高効率チャージポンプと，ナノワッとなっている技術分野であり，現在推進中

るために，回路ブロック毎に異なる電源電トリファレンス回路，低電力レベルシフタ回の研究テーマとなっている．今後，本研究圧を利用するマルチ電源設計が利用され路を利用した極低電力で動作する最大電成果を応用し，センサ信号の読み出しのてきた．
しかし，回路ブロック間の電源電圧力追従制御（MPPT）回路を新たに構成

みならず，アクチュエータ利用を目指し，次の差が大きくなると，従来レベルシフタは消することで，完全オンチップ集積した3端子世代エレクトロニクス分野のLSI設計基盤

費電力が増大し，また動作不良が生じて信昇圧コンバータを開発した．チップ試作と構築を目指して，研究を推進していきたい

号伝達ができなくなる課題があった．

測定評価を行い，提案回路は0.21 Vのと考えている．

そこで，幅広い電圧レベル変換を実現

低電圧で動作を開始し，348 μWの出力

最後に，本研究成果は，東京大学大する低消費電力レベルシフタを開拓した

条件において73.6%の高効率での動作

規模システム設計教育センターを通し，日【 3, 4, 5 】．提案回路は，プリアンプで入力を実現した．

本ケイデンス株式会社，シノプシス株式会

信 号を増 幅し，ラッチ回 路でフルスイン社，メンター株式会社の協力で行われたもグ信号を得る．レベル変換が必要なとき

将来の展望のであり，また多くの共同研究者の方々と回路（LECC：Logic Error Correction

これまで，MOSトランジスタのサブスレッ

く感謝申し上げます．この度の受賞を励みCircuit）を開拓することにより，超低消費ショルド動作を前提としたLSI設計技術をとし，今後さらに研究を推進していきたいと電力特性を実現した．チップ試作評価の推進してきた．ナノワットオーダーの超低消考えています．

のみ動作電流を供給する論理誤り補正行ったものである．関係各位の皆様に深結果，最低入力電圧は0.1 V（入力信号周波数1 kHz）であった．また，入力電圧0.4 V（信号周波数100 kHz）時には，1周期あたり0.26 pJの低エネルギーでの

図3 小型ハーベスタの利用を前提とした環境発電利用システムの例．
ナノワットオーダーの超低消費電力で動作するフルオンチップ昇圧コンバータ．

動作を実現した．
3．小型ハーベスタを利用した環境発電利用システム
小型ハーベスタは出力電圧が低く，出力電力も限られるため，高効率な昇圧コンバータを利用する必要がある．これまで様々な昇圧コンバータが提案されてきたが，オフチップデバイスを必要とすることや，電力変換効率が低い課題があり，小References（参考文献 ）【1】T. Hirose, T. Matsuoka, K. Taniguchi, T. Asai, Y. Amemiya, Ultralow-power current reference circuit with low temperaturedependence, IEICE Transactions on Electronics, vol. E88-C, no. 6, pp. 1142-1147, 2005.
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【8】T. Ozaki, T. Hirose, H. Asano, N. Kuroki, M. Numa, Fully-Integrated High-Conversion-Ratio Dual-Output Voltage Boost Converterwith MPPT for Low-Voltage Energy Harvesting, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 51, no. 10, pp. 2398-2407, 2016.