研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
三浦 典之

神戸大学 大学院システム情報学研究科准教授

配線と回路の近接電磁界相互作用のLSIシステムへの応用
ムーアの法則の限界を超える新構造・新機能LSIシステムの実現を目指して研究の背景とともに進化を遂げてきた「配線」の未開拓TSVと同水準の性能が得られる。一方で領域の可能性に注目し、金属配線の物理課題は、この方式の潜在的利点を最大限1970年代初頭に世界初のワンチップ構造の工夫が生み出す電磁気的に有効に活かす、通信方式の検討、通信コイルとマイクロプロセッサが開発されて以来、ムーな特性と、この特性を機能化し動作を互い回路の設計にあった。本研究では、
この技

アの法則に従う半導体微細化がもたらしたに補助し合うトランジスタ「回路」の電子応術の基礎理論の確立に取り組み、特に、情報処理性能の飛躍的な向上が、これま答とともに協調設計する研究を行った。そ無変調のデジタルベースバンド信号を直接での高度情報化社会を牽引してきた。
このの結果として高度化する配線と回路の相伝送する高速・低電力のパルス通信方式

技術社会の根底を支えるムーアの法則に互作用を駆使して、配線の周辺に生じる近の提案、そのためのコイルの超広帯域モデ限界が見えつつある今日、限界を突破する接電磁界を、以下の3つの新構造・新機能

リングと解析手法の構築、コイル配線構造

新たなLSIシステムが求められている。一つ

LSIシステム実現のための基盤技術へと具と送受信回路の統合設計方法論の体系の方向性は、古典的なCMOS半導体微細現化した。

化を行った【1】。
また、応用研究にも取り組化に頼ることなく、今後も永続的に情報処理性能の向上を達成する新構造LSIシステムの追求にある。
もう一つは、単なる情報み、実用形態に近い三次元積層LSIを製
1. 近接磁界結合通信による三次元積層LSIシステム造して、提案方式の妥当性や効果を定量的に実証した。特に、帯域8Tbit/s【2】とエ処理性能の向上だけではなく、直接的に情ムーアの法則の予測を超えた性能を実

ネルギー効率10fJ/bit【3】の三次元チップ

報社会の新たな付加価値に繋がる新機能

現する新構造として、三次元積層LSIが注

間通信性能は、特筆すべき性能レコードでLSIシステムの創出にある。

目されている。垂直方向に集積化軸を追加ある。また、積層枚数に応じて性能を制御することで、微細化に頼ることなく性能向上する三次元磁界結合プロセッサ【4】では、高研究の成果できる。課題は、積層チップ間の垂直方向速Linux OS動作をデモ実証した。の通信にあった。TSV（Thru-Si Via）
は、本研究では、上述の新構造・新機能LSI積層チップ間を貫通電極で直接接続するシステムを実現するための基盤要素技術を技術である。本研究で提案した近接磁界研究開発した。特に、トランジスタの微細化結合通信は、いわば低コスト無線版TSVでさらに本研究では、LSIシステムの性能をある（図1）。対向配置追い求めるだけでなく、社会の付加価値に

図1 近接磁界結合通信技術の従来技術（TSV）との比較

2. 近接電磁界外乱検出による耐タンパLSIシステムした金属配線コイル間繋がる新機能を探求した。一つは、耐タンパの近接磁界結合を介セキュリティ機能である。この高度情報化して、積層チップ間で社会の深刻な課題の一つは、情報のセキュ無線通信する。コイル

リティにある。暗号は、セキュリティ強化に有は、既 存 I C 配 線で形効であるが、処理を行うハードウェアそのも成でき、TSVに必要なのに対する物理攻撃によって、その安全性追 加 製 造プロセスがは著しく低下する。暗号処理中の回路から不要である。
しかも、この漏洩電磁波の解析により秘密情報を盗のコイルは、IC保護膜聴する電磁プローブ攻撃は、非侵襲の物理下に形成され、外部とタンパ攻撃として深刻な脅威とされてきた。の 接 触を一 切もたな

これに対し、本研究では、配線形状の異ない。これにより、負荷とる二つのLC発振器の相対的な発振周波なる静電破壊保護回数差から、プローブの接近を電磁界の外乱路が省略でき、有線のとして高精度に検知するセンサの基本構造

丸文研究奨励賞 受賞者

図2 近接電磁界外乱検出による物理ID生成技術の従来技術との比較

図3 金属ナノドット構造と近接電界計測による永久ストレージの概要を提案した【5】。
さらに、この外乱検出技術を一方で、記憶密度には制限があった。当ICチップの真正性確認技術と融合し、パッ初、恒久記憶素子としてマスクROMが用ケージやボードを含むLSIシステムの偽造・いられたが、1ビットの記憶に1個のトランジ本研究で具現化した基盤要素技術を実改竄検知技術を開発した。情報奪取や操スタが必要で、1桁近く記憶密度が低かっ際のコンピュータシステムに適用し、高度な将来の展望作を目的とした配線の追加や変更、スパイた。そこで、本研究では、多層LSI配線の情報サービスへと醸成する応用研究が今ウェアの挿入は、サプライチェーンの根底を直交点に配置した金属ナノドットの有無に後必要となる。継続研究は、本年度発足さ覆す物理タンパ攻撃である。本研究では、よる構造体形状に記憶を恒久保存する多れたJSTさきがけ「革新的コンピューティンパッケージやボードの構造的変化を外乱と層・高密度の永久ストレージの記憶原理をグ技術の開拓」に採択されており、今後も見なし、物理IDを更新する真正性確認技考案した【 9 】。記憶の読み出しには、高精引き続き研究に精進していく所存である。

術を開発し、半導体IC製造から組み立て工

度タッチセンサの近接電界計測技術【10】程までを包含したサプライチェーンのセキュを応用し、システム動作を実証しており、リティフレームワーク（図2）を提案した【6】。
ま標準CMOS製造技術に準拠したプロセ本研究は、慶應義塾大学・黒田忠広教

た、本技術を発展させ、情報理論的に最もスフローも確立し、加速試験装置を用い授、神戸大学・永田真教授研究グループ

強力な物理攻撃の一つとされるICへのレーて千年超級の超長期信頼性を実機実証の下で行われた。関係する全ての共同研

ザ故障注入攻撃の検知・対策回路を開発した。

究者に心から感謝申し上げたい。

謝辞

した【7】。
3. 金属ナノドット構造と近接電界計測による永久ストレージLSIシステム
もう一つの新機能は、情報の恒久保存機能である。2020年には、全世界で生成・複製されるデジタル情報は、40Zバイトに達するほど爆発的に増大している。この膨大なデータの中には、後世へと引き継ぐべき貴重な情報資産が大量にあり、これらをメンテナンスフリーで低コストに保管するために大容量の永久ストレージが求められている。本研究では、近接磁界結合を利用して、通信と給電を完全無線化した半導体永久ストレージの原型を開発した【8】。完
全無線化により、ストレージを安定膜で完全密封して酸化や腐食から保護することで、千年を超える超長期信頼性を確保できる。

References（参考文献 ）【1】N. Miura, D. Mizoguchi, T. Sakurai, and T. Kuroda, IEEE JSSC, Vol. 40, No. 4,
pp. 829-837, Apr. 2005.
【2】N. Miura, K. Kasuga, M. Saito, and T. Kuroda, ISSCC Dig. Tech. Papers,
pp.436-437, Feb. 2010.
【3】N. Miura, T. Shidei, Y. Yuan, S. Kawai, K. Takatsu, Y. Kiyota, Y. Asano, and T. Kuroda,
IEEE JSSC, Vol. 46, No. 4, pp.965-973, Apr. 2011.
【4】N. Miura, Y. Koizumi, E. Sasaki, Y. Take, H. Matsutani, T. Kuroda, H. Amano, R. Sakamoto,M. Namiki, K. Usami, M. Kondo, and H. Nakamura, IEEE Micro, Vol.33, No.6,pp.6-15, Nov. 2013.
【5】N. Miura, D. Fujimoto, D. Tanaka, Y. Hayashi, N. Homma, T. Aoki, and M. Nagata,Symposium on VLSI Circuits Dig. Tech. Papers, pp.172-173, June 2014.
【6】N. Miura, M. Takahashi, K. Nagatomo, and M. Nagata, IEEE JSSC, Vol. 53, No. 10,pp. 2889-2897, Oct. 2018.
【7】K. Matsuda, T. Fujii, N. Shoji, T. Sugawara, K. Sakiyama, Y. Hayashi, M. Nagata, andN. Miura, IEEE JSSC, Vol. 53, No. 11, pp. 3174-3182, Nov. 2018.
【8】N. Miura, M. Saito, M. Taguchi, and T. Kuroda, ISSCC Dig. Tech. Papers,
pp. 214-215, Feb. 2013.
【9】N. Miura, S. Liu, T. Watanabe, S. Imai, and M. Nagata, ISSCC Dig. Tech. Papers,
pp. 270-271, Feb. 2017.
【10】N. Miura, S. Dosho, H. Tezuka, T. Miki, D. Fujimoto, T. Kiriyama, and M. Nagata,IEEE JSSC, Vol. 50, No. 11, pp. 2741-2749, Nov. 2015.