世界で初めて半導体ソフトエラーを引き起こす中性子のエネルギー特性を測定
NTTおよび名古屋大学，北海道大学は共同で，中性トエラーを検出できる高速エラー検出回路を開発しまし子の持つエネルギーごとの半導体ソフトエラー発生率をた． 実 験 は 米 国 ロ ス ア ラ モ ス 国 立 研 究 所 の 高 出 力800

“連続的な”データとして実測することに成功し，その全MeV陽子線形加速器施設において，それぞれデザイン貌を世界で初めて明らかにしました．

ル ー ル の 異 な る 3 種 類（28 nm, 40 nm, 55 nm） のこの「ソフトエラー発生率の中性子エネルギー依存性FPGA（Field Programmable Gate Array）についてのデータ」は，宇宙線による半導体影響の研究 ・ 対策に行いました．この実験では，図 １ に示すようにエネルギーおいてもっとも重要なものですが，これまでは飛び飛びのエネルギーでの測定値しかなく，連続的な測定データごとのソフトエラー発生率を連続的に高分解能で実測することができました．

を得ることは不可能でした．本研究では，光速に近い中ソフトエラー発生率のエネルギー依存性は，大まかに性子の速度を測定可能にする超高速エラー検出回路を開は 3 種類のFPGAでほぼ同様の傾向がみられ，3 MeVか発し， １ MeVから光速に近い800 MeVまでの非常に広ら20 MeVで急速に増加していて，それ以上はほぼ一定範囲なエネルギーの中性子によるソフトエラーの測定をのままであることが分かりましたが，詳細に見るとそれ可能としました．

ぞれ別々の振る舞いをしていることが分かります．

今回測定に成功したソフトエラー発生率のデータは，その発生に関するもっとも基本的かつ重要なデータの■技術のポイント（1） 飛行時間法

１ つです．このデータにより，地上のみならず，上空 ・中性子の（運動）エネルギーEは中性子の速度，すな

宇宙 ・ 他惑星などあらゆる環境下での中性子起因ソフト

わち，中性子をある一定の距離を飛行させたときの時間エラーの故障数を算出できるようになります．今後，宇を測定することにより測定可能となります．それは特殊宙ステーションにおける半導体信頼性の評価，半導体の相対性理論によって式(1)で表され，中性子の静止質量

材料レベルのソフトエラー対策，加速器によるソフトエm0と速さvに依存します（c：光速）．

ラー試験，さらにはソフトエラーの発生過程シミュレーションへの適用など，さまざまな領域への貢献が期待されます．

Em0c 2
1

本 成 果 は2020年11月19日 にIEEE Transactions on
Nuclear Scienceにて公開されました(1),(2)．

vc2

m0c 2

式（1）

そのため，今回の実験では，125ピコ秒（ １ 兆分の １ 秒）
式(1)という非常に短時間で中性子を発生させ，20 m飛行さ■背せたときの時間を測定することにより，このようなほと景高性能な電子機器が，さまざまな分野で私たちの暮らしを支えている一方で，宇宙現象による「ソフトエラー」能としました．

が増加しています．宇宙から降り注ぐ宇宙線が，大気圏（2） 超高速エラー検出回路（NTT，名古屋大学，北にある酸素や窒素に衝突すると，中性子が発生します．

122

んど光のスピードとなった中性子エネルギーの測定を可海道大学）

この中性子が，電子機器の半導体に衝突すると，保存さソフトエラーを発生させる中性子は非常に高速で，それたデータが書き変わる現象「ソフトエラー」を引き起のエネルギーを識別するにはナノ秒オーダの分解能でソこし，場合によっては社会インフラに重大な影響をおよフトエラーを検出する必要があります．しかしながら，ぼす可能性があります．

通常のSRAM（Static Random Access Memory）な■研究の成果どのメモリはデータを順次読み出すため，ソフトエラー

本研究では，光速に近い中性子のエネルギーを飛行時を検出するのに十分なデータ（メガビットオーダ）をス間法で特定するため，数ナノ秒（10億分の数秒）でソフキャンするには数ミリ秒（1000分の １ 秒）必要なため，2021.3

飛行時間法による中性子エネルギーの測定は不可能でし（図 ₂ ）．

た．そこで，FPGAを用い，ソフトエラーに起因する論これにより，FPGAの論理回路を構成する数十Mbit

理回路の誤動作を超高速で検出する回路を開発しましたに 相 当 す る 容 量 のCRAMに 発 生 し た ソ フ ト エ ラ ー をソフトエラー発生率（SEU Cross section [cm2/Mbit]）

中性子エネルギーごとのソフトエラー発生率10810910 10FPGA 28 nm
FPGA 40 nm

10 11FPGA 55 nm
10 12110（光速の4.6%）

1000 （MeV）

100（光速の14.5%）（光速の43.85%）（光速の91.8%）

中性子エネルギー

図1

今回の技術（ソフトエラー発生率の測定結果）

世界初の超高速検出回路◎
CLK (b)

D Q[0x0000̲0000]

32bit all ”1”[0xFFFF̲FFFF]

◎(a)

1

32bit all ”0”032bit all ”1”

1[0x0000̲0000]

Registers 1[32bit]

0D Q

x 32

[0xFFFF̲FFFF]

CLK(c)◎D Qx 32

CLKDetection=?

x 32Error◎(f)◎Equal (e)Registers 2[32bit]

MUX

Clock32bit all ”0”

MUX

Flicker

従来の 1/100万◎(d)

ナノ秒オーダ（4 ns〜8 nsで検出）

x 32

Register comparator

FPGAFPGAʼ s internal signals when soft error occurred in CRAM
Detection
SEU04812162024283236Time(ns)Clock (a)Flicker out (b)Registers 1 [32bit] (c) 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF

Registers 2 [32bit] (d) 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x0000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x 1000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x 1000̲0000

0xFFFF̲FFFF 0x 1000̲0000

0xFFFF̲FFFF

Equal (e)Error (f)図2

超高速エラー検出回路

2021.312₃

FPGAの動作周波数（ナノ秒オーダ）で検出することがルギースペクトルを測定しています．

世界で初めて可能となりました．この高速エラー検出回■今後の展開路を用いてソフトエラーを引き起こした中性子のエネル

今回得られたデータにより，地球上のみならず上空 ・ギーを特定しました．

宇宙 ・ 他惑星などあらゆる環境における中性子によるソ（3） 高出力800 MeV陽子直線加速器施設と中性子計

フトエラー故障数を算出できるようになりました．ま測技術（ロスアラモス国立研究所）

た，ソフトエラー試験に最適な加速器の選択や，中性子今回，ロスアラモス国立研究所の大型加速器を用いて，源の開発，半導体の材料レベルのソフトエラー対策，さ開発した超高速エラー検出回路での連続的なソフトエらには発生過程シミュレーションへの応用など，さまざラー発生率の測定を行いました．本加速器は，陽子を光まな領域の研究開発を劇的に促進 ・ 向上できる可能性が速の約90％の800 MeVまで加速し，ターゲットであるタ広がっています．

ングステンに当てることによって，800 MeVまでの，自然界とほぼ同じエネルギー分布の中性子を照射できます．また，本施設ではフィッション ・ チャンバーと呼ばれる特殊な中性子検出器によって照射した中性子のエネ不可能を可能にした中性子ビームの新しい使い方佐藤博隆

北海道大学 大学院工学研究院
応用量子科学部門

物質量子工学分野

研究者
紹介

中性子ビーム応用理工学研究室

准教授

今回の研究における重要な技術の １ つが，中性子の飛行時間（TOF）分析による広エネルギー帯域にわたる中性子のエネルギー分解です．この技術自体は決して珍しいものではなく，私自身も北海道大学（北大）の電子加速器駆動パルス中性子実験施設「HUNS」において頻繁に利用しています．しかし，それは低速中性子の場合の話で，HUNSにおける高速中性子を利用したソフトエラー加速試験においては利用していません（できません）．
１ 番目の理由は，HUNSの中性子源の長いパルス幅（ ４ マイクロ秒）では高速中性子のTOF分解ができないためです．２ 番目の理由は，高速中性子の検出効率が極めて低いうえに，超高速TOF分析が求められるためです．また，そもそも中性子強度が十分ではありません．
以上のような理由から，中性子実験に慣れている私ですら難しいと感じる「高速中性子起因ソフトエラーの発生確率の中性子エネルギー依存測定」という研究課題を，NTT岩下秀徳氏を中心に解決することができました．間違いなく，発想力と実行力の賜物です．ちなみに，中性子が速すぎてTOF分析の際に特殊相対性理論を使う必要があったことに途中で気付き，岩下氏と計算法を確認し合ったことは良い思い出です．
学生時代に北大の鬼柳善明教授研究室の同期であった岩下氏から「HUNSで宇宙線対策のソフトエラー実験ができないか」と電話を受けて ８ 年以上が経ちます．研究ステージはどんどん新たな局面を迎えており，今後まさに「宇宙全体」に貢献できそうな勢いの研究活動に発展してきています．私も微力ながら貢献していく所存です．

1242021.3

■参考文献（1） https://ieeexplore.ieee.org/document/9201514（2） https://youtu.be/nPWsmpF9qiY◆問い合わせ先
NTT情報ネットワーク総合研究所
企画部 広報担当
TEL 0422-59-3663
E-mail inlg-pr-pb-ml hco.ntt.co.jp
URL https://www.ntt.co.jp/news2020/2011/201125a.html

米国ロスアラモス国立研究所での中性子照射実験
岩下秀徳

NTT宇宙環境エネルギー研究所
レジリエント環境適応研究プロジェクト

研究者
紹介

プロアクティブ環境適応技術グループ

主任研究員

今回測定したデータは，中性子によるソフトエラーを研究するうえで，もっとも重要な基礎データです．2013年にNTTがソフトエラーの研究を始めた当初から，この実測データが存在しないことが大きな課題でした．また，今回の測定手法である飛行時間法を可能とする超高速エラー検出回路自体は2016年に私たちが考案したものですが，実験可能な施設は国内にはありませんでした．そこで，海外で測定が可能な施設を探索し，海外研究者との調整を経て，ついに米国ロスアラモス国立研究所が保有する加速器施設で実験ができるようになったのです．
今回の実験は，中性子エネルギーごとに，ある程度ソフトエラーを発生させる必要があったため，合計で １ 万回以上のソフトエラーを発生させる必要がありました．そのためには，中性子線を30時間以上照射する必要があり，深夜も自動で測定ができるように測定機器を開発しました．さらに，このような大量の中性子線を照射するとFPGAや周辺回路でもさまざまな誤動作が発生します．そこで，まずは国内の加速器施設にて，どのような誤動作が発生するのかを確認し，それを復旧させるための処理について何度も確認実験を行い，ロスアラモス国立研究所にて念願の照射実験に挑みました．
全く新しい手法による測定のため，うまくデータが取れるかどうか，かなり心配しましたが無事にデータが測定できたときは感動しました．この結果は，中性子によるソフトエラー研究の基礎データとなるため，応用範囲が広く，今後，幅広い領域に貢献できるよう研究に取り組んでいきたいと思います．

2021.3125