研究紹介
丸文研究奨励賞受賞者

ソフトウェア制御によるシステムLSIの低消費エネルギー化と微細化への対応
ナノスケール時代のシステムLSI設計手法

石原 亨
九州大学システムLSI研究センター 助教授

研究の背景

アップが頻繁に行われるため、これらの状

下記①に関連した研究成果として、プ況に柔軟かつ低コストで対応できる方法

ロセッサの電源電圧をソフトウェアから制

今日の高度情報化社会は図１に示すとしてソフトウェアベースのアプローチが御することを可能にした可変電源電圧プ

通り、多くのコンピュータシステムによって高い注目を集めています。本研究の特徴

ロセッサ【1】を考案しました。また、このプロ支えられています。コンピュータシステム

は、主にソフトウェアの工夫により、システセッサの消費エネルギーを最小にする動の頭脳の役割を果たしているのがシステ

ムLSIの高集積化に伴う諸問題の解決

作電圧の設定方法を定理としてまとめ、ムLSIです。システムLSIとは多数の機能に取り組んでいる点です。

その証明を行いました【1】。さらに、可変電を1個の半導体チップ上に集積した超多機能集積回路です。システムLSIチップ

研究の成果

源 電 圧プロセッサをリアルタイムOS ※1から制御し、消費エネルギーを削減するタは典型的には10mW 〜 10W程度の電今日のコンピュータシステムは、プログラスクスケジューリング手法を考案しました

力を消費します。仮に、日本人が１人あたムに従って演算処理を行うハードウェアとそ【2】。計算負荷に応じてプロセッサの電源り１つのシステムLSIチップを使用していのハードウェアを制御するソフトウェアによ電圧を柔軟に調整することによって30％るとすると、単 純 計 算では日本だけで最って構成されています。本研究の特徴は、〜 60％のエネルギー削減が達成されるこ

大130万キロワットにも及ぶ電力を消費主にソフトウェアの工夫によりシステムLSIとを確認しました。小型のオンチップメモリすることになります。これは、石油火力発の低消費エネルギー化を実現すると共に、に、使用頻度の高い関数（プログラムの電 所 約3基 分に相 当する電力です。今半導体デバイスの微細化に伴う特性ばら一部）を配置することによって、プロセッサ後も今日の高度情報化社会を発展させつきの問題に取り組んだ点です。主な研究の消費エネルギーを削減する方法を提案

るためには、コンピュータシステムをより低成果は次の2つです。

しました【3】。この小型のメモリの電源電圧いエネルギーで稼動させる技術が鍵となります。一 方で半 導 体 集 積 回 路の微 細化と高集積化に伴い、ハードウェア設計は複雑化し、ハードウェアの設計コスト、マスクコスト、検証コスト、およびテストコストが急 激に上 昇しています。製 品ごと

1
ソフトウェア制御によるシステムLSIの低消費エネルギー化を実現する
プロセッサアーキテクチャとソフトウェア制御技術の考案にハードウェアをスクラッチから作り直す
従来のアプローチでは半導体ビジネスで収益を得ることが難しくなっています。特に携帯電話やデジタルカメラなどのデジタル情報家電は製品サイクルが短く、仕様変更やバグフィックスおよびバージョン2
システムLSIチップ（ハードウェア）の製造後にソフトウェアを変更することによってデバイス特性ばらつきの負の影響を軽減する技術の考案

図1 システムＬＳ
Ｉとその応用分野とバックバイアス※2を適切に設定する方

モリセルの故障や遅延時間のばらつきを法も考案しました。ハードウェアには大幅考慮して、アプリケーションプログラムのむすびな変更を加える必要が無く、用途に合わ目的コードを生成する手法を考案しました

システムLSIの高性能化に伴う消費エせてプログラム変更と小型メモリの電圧【5】。また、オンチップメモリの異 常リークネルギーや半導体デバイスの微細化に伴変更を行うことでプロセッサの消費エネル電流を抑制するソフトウェア技術を考案しうデバイス特性のばらつきをソフトウェアギーを削減できる点が特徴です。また、オました【6】。デバイス特性のばらつきをモデによって軽減する我々の取り組みを紹介

ンチップメモリのバックバイアスを部分的ル化する研究は数多く行われていますが、しました。今後は、デバイスの経年変化ににかつ実行時に変更することによりメモリチップ設計段階で遅延時間やリーク電流よる故障およびリーク電流や信号遅延のの平均アクセス時間をほとんど増加させるのばらつきを精度良く見積もることは非常増大をソフトウェアによって診断し補正すこと無くメモリのリーク電流を削減する方に困難です。本手法は、チップ製造後にる技術の研究に取り組む予定です。シス法を提案しました【4】。バックバイアスの変メモリブロックのアクセス遅延時間やリーテムLSIはハードウェアだけでなくその上で更は、ソフトウェアが行います。アクセス頻

ク電流を計測し、計測結果に基づいてア動作するソフトウェアを含めたシステムとし度の低いメモリブロックで消費されるリープリケーションプログラムの目的コードを生て考えることが重要です。ナノスケール時

ク電流を大幅に削減できることを確認しま成することにより、デバイス特性のばらつ代に必要不可欠であり、今後の科学・産した。

きによる負の影響を無視できるほど小さく業分野への大きな貢献が期待される研究することを可能にしました。と考えています。

左 記②に関 連した研 究 成 果として、メ補足説明※1 リアルタイムOSプロセッサ上で実行されるプログラムをリアルタイムに処理することを重視し、そのための機能を実装したOS（基本ソフトウェア）のこと。産業機械を制御するコンピュータなどでは、応答時間が一定の範囲内にあることが要求されるため、OSにもリアルタイム性を実現するための様々な機構が必要とされる。
そのため、リアルタイムOSは、複数の処理要求が同時に発生した場合でも目的の時間内に処理を完了させるための機構を備えている。自動車のエンジン制御装置や工作機械の制御装置などの組み込み分野で利用される。
※2 バックバイアス
トランジスタのバックゲートに印加するバイアス電圧で、逆方向にかけるとトランジスタのチャネル部に電流が流れにくくなり、リーク電流は減少するが、トランジスタの遅延は増大する。

Re f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）【1】T.Ishihara, H.Yasuura, Variable Voltage Scheduling Problem for Dynamically Variable Voltage
Processors , Proc. of International Symposium on Low Power Electronics and Design, pp.197-202（1998）【2】T.Okuma, H.Yasuura, T.Ishihara, Software Energy Reduction Techniques for Variable-Voltage
Processors , IEEE Design & Test of Computers, vol.18, no.2, pp.31-41（2001）【3】T.Ishihara, K.Asada, A System Level Optimization Technique for Application Speciﬁc Low Power
Memories , IEICE Trans. on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences,
vol.E84-A, no.11, pp.2755-2761（2001）【4】石原亨、浅田邦博 オンチップメモリの高速化と低スタンバイリークを実現する閾値電圧の静的スケジューリン
グ手法 情報処理学会論文誌 第44巻第5号 pp.1284-1291（2003）【5】T.Ishihara, F.Fallah, A Cache-Defect-Aware Code Placement Algorithm for Improving thePerformance of Processors , Proc. of International Conference on Computer Aided Design,
pp.995-1001（2005）【6】M.Goudarzi, T.Ishihara, H.Yasuura, A Software Technique to Improve Yield of Processor Chips
in Presence of Ultra-Leaky SRAM Cells Caused by Process Variation , Proc. of Asia and South
Paciﬁc Design Automation Conference, pp.878-883（2007）