令和4年度科学技術分野の文部科学大臣表彰を受賞

IoTの可能性を広げるわずか1mm角の省電力プロセッサを設計
その成果と今後の展開 〜 原祐子准教授に聞く［ 東京工業大学
工学院情報通信系 ］
この4月に発表された「令和4年度科学技術分野の文部科学大臣表彰」
において、東京工業大学の関係者から12名が表彰された。
そのうち、若手技術者賞を受賞されたひとりが、工学院 情報通信系 准教授の原祐子氏。評価された「低消費電力かつ高信頼な組み込みシステム設計に関する研究」
は、多様化するIoTデバイスの高機能化とは逆の、ローエンドデバイスを限界まで追求したプロセッサの開発だ。現状のプロセッサではオーバースペックとなる軽易な処理にマッチし、増加が懸念される電力消費量の課題解消の期待もかかる。
「高機能化と逆の方向で役立つことを」（原氏）と臨んだ研究の成果や、今後の展開など語っていただいた。

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サであるARM Cortex-M0の1.4倍高速で「着手したのは2017年ごろ。当初はシ‫و‬ٞ‫ئشج‬ありながら電力効率は2.7倍、エネルギーミュレーションだけでしたが、実際に開まずはそのプロセッサの概要を紹介する。 効率は3.8倍を達成した。

（＊1）

で 思 い 切って進 めました 。1 m m 角 はポイント● IoT化を促進する小型で省電力なプロセッサアーキテクチャを設計● 65nm CMOSプロセスを用いながら小ր⽜♐‫עعشج‬‫ח‬ն㵸㑔⴫‫⛥כ‬寕鞝

65nmプロセスで製造できる最小のダイ꧅ⱱ⴫؅䥵ֹؓ‫و‬ٞ‫׌ךز٭‬ց

サイズですが、もし0.5mm角があれば、本研究で開発した組込みプロセッサは、 それでも収まっているほどのデータサイ型（1mm×1mm）
プロセッサLSIの開発

減算・シフト・論理演算・メモリアクセスの4に成功

種類の命令のみからなる。
「新しい開発と●既存の最小プロセッサより2.7倍の電力効率、3.8倍のエネルギー効率を実現● 条件次第ではアルカリボタン電池で約100日連続稼働可能発したほうがインパクトがあるというこというよりは、高機能化の流れに逆らってズです」
成果の詳細は、米国の科学誌「IEEEAccess」
サイト（＊2）を参考にされたい。

みようと」（原氏）とその意図を語る。
「最近RISC-Vが注目されていますが、ど ր‫⮆׾׌زشُ׵כז׵‬ꄇֿ
んなに命令セットが少なくても30種類はあったかと記憶しています。それに対して、

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応用分野としたヘルスケアは、意図する原氏を含む研究チームは、小型のエッジ

このプロセッサは減算・シフト・論理演活用と親和性が高いとの判断から。

端末で必要とする計算を実用的な時間で算・メモリアクセスの4つだけの簡単な命「そもそも複雑な処理は実行しないと処理できる機能に限定することで、従来の令しかありません。高機能ですごく複雑いう発想がありました。
プロセッサをどれプロセッサに比べて回路面積を大幅に削なアプリケーションを動かすのではなく、 だけ小さくしてもメモリが大きくなれば減し、小型化と省電力化を両立するアーキ

センサー側のすごく小さな部分の処理省電力や小型のメリットは失われてしま

テクチャ「SubRISC+」を開発した。に適しています。今後のIoT環境におけるいます。
ソフトウェア次第で工夫できる余65nm CMOSプロセスを用いたプロアプリケーションのすみ分けを原点に、 地はありますが、そこまでしても対応でき

セッサLSIは、1mm 1mmと超小型であ小型化と低消費電力化を担うというアプない分野なら、対象とするドメインではり、わずか77.0µWの消費電力で、異常検ローチです」

ないだろうと。その点、ジャイロや心電な出やデータ探 索などの実 用的なアプリ

発想のきっかけは、顕在化したIoTの課

ど身近なセンサーが多く親和性が高いケーションをリアルタイムに処理すること題。小型エッジ端末では、比較的単純な異印象で、プロセッサの有用性を評価し得ができる。

常検出などの処理で十分な場合もあり、既る分野がヘルスケアだと感じていました。

存プロセッサではオーバースペックである身の回りのわかりやすいアプリケーショという問題があった。

ンであり、要求される性能も人間の行動応用分野のヘルスケアデバイスを想定した異常検出において、商用の最小プロセッ（＊1）2021年2月19日付プレスリリースより https://www.titech.ac.jp/news/2021/048954（＊2）https://ieeexplore.ieee.org/document/9133073 IEEE Accessは、Institute of Electrical and Electronics Engineers発行のオープンアクセス科学ジャーナル

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1mm

プロセッサ
レイアウト図
●

●

ロジック

●

命令メモリ

●

データメモリ

1mm

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東京工業大学工学院情報通信系准教授。国際デバイスおよびシステムロードマップ（IRDS）委員兼任。2010年名古屋大学大学院
情報科学研究科博士課程修了。その後、日本学術振興会特別研究員PD、米国・カリフォルニア大学アーバイン校客員研究員、ドイツ・カールスルーエ工科大学客員研究員、奈良先端科学技術大学院大学助教を経て、2014年より現職。組込みシステムの上流設計自動化技術、特に高位合成、ハードウェア・ソフトウェア協調設計、アーキテクチャ・プロセッサの研究に従事。博士（情報科学）。
原研究室では、次世代のIoT・組込みシステムのための設計自動化技術や計算機システムについて、ハードウェアとソフトウェアの両面から幅広く研究している。 原研究室URL http://www.cad.ict.e.titech.ac.jp/

きないとされています。ぜひ私たちのプに合わせたスピードで処理できれば十暗号化と復号で同一の秘密鍵を用いる方分と考えると、総合的に見てヘルスケア式で計算量など圧倒的に減らせることから、 ロセッサ上で、意図したとおりに情報をがもっともマッチする分野でした」

リソース制約が強いデバイスに対しても広分散できて保護できているということをく適用が可能だ。
そうした動きに対しても対実現したいと思います」

アルゴリズムには監視や検出アプリケーションで使用されるスケーラブルで軽量な応は問題なさそうだ。

アルゴリズムであるDTW（Dynamic time

「新しい軽量暗号の評価軸がARM Cor-

学生の頃から組込み技術に親しんできwarping）が採用されている。センシング

tex-M0ですが、それよりも機能が少なくた。
名古屋大学では、JASAとも縁の深い高データから異常検出やデータ探索し警告ても問題ないだろうと。共通伴暗号系で田広章教授の下で学んだ。ET展には毎年するなど限られたデータのみを送信する用はいくつかの暗号アルゴリズムがありまのように会場に足を運んだという。
そうした途に応える。

すが、われわれの命令セットで十分に対なかで、いまプロセッサを選んだ理由を「一口にヘルスケアといっても幅が広い。 応できます。

語っていただいた。

これまでどのようなアルゴリズムがある暗号を解読する手法に、機器が暗号を「もともとはアクセラレータ設計を学んかなと調べつつ検討したところ、行き着処理する際に生じるサイドチャネル情報でいました。IoTによってアプリケーショいたのがDTWでした。定義されたテンプを狙う攻撃があります。消費電力もそのンが非常に多様化していくなかで、ARMレートパターンがあれば、そのパターン情報の一つですが、処理する命令とデーはどんどん多機能化して、そのあとからとの 違 い が 検 出できます。用 途も広く、 タ双方に依存してアップダウンする波形

IoTの概念が出てきてローエンドに広ネットワークへの侵入検知に応用されてを統計的に解析することで暗号伴が解がっていくのに、プロセッサは果たしています。生態の研究なのか不明ですがかれ、生データも知られてしまうのです。 マッチしているのか、Cortex-M0で十分昆虫学にも用いられているようです」

そこで、波形を解析されても解読されなという発想でいいのかなと。高機能化といような実装を進めています。

逆の方向でもっと役立つことができるのրꦘ갭‫وם‬ٞ‫⟊ذ٭ظסئشج‬閾؅䙫㍲‫מ׽ֽל‬㲔杯‫ַג׊‬ց

電力の消費量をフラットにしてアップダウンをなくすハイディング方法や、生ではと思ったことが組込みプロセッサに進んだいきさつです」
今後の本格的な市場投入に向けては、今後はIoTセキュリティ、軽量暗号を用

データを乱数で複数のデータにバラしていたデータの暗号化に向けた拡張に取りすべてが揃わないと元の正しい情報がプロセッサの実装に企業とのコラボレー組む。小型のIoTデバイスは実装リソースわからないようにするマスキング方法がションを期待する。
そのために展示会の場制約が課題となるが、メモリにリソースがな考えられます。ハイディングもマスキングでプレゼンテーションの機会を設けるなど、くても小さなフットプリントや計算量を実現

もCortex-M0のソフトウェア実装で長く積極的な交流を図っていきたいという。新する暗号方式である軽量暗号の国際標準おこなわれていますが、ハードはプロたなI o Tサービス創出の期 待も高まる。

化やガイドライン作成が欧州などで進んでセッサのなかでいろいろなリソースを共IoTの将来性を見据えると、原氏の研究のいるという。種類の一つ共通鍵暗号方式は、 有していることから、思ったよりも保護で可能性は大きく広がっていきそうだ。

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