地上・宇宙向け高信頼集積回路とその実応用に向けた取り組み

学振158委員会講演より一部改訂
2016年12月13日
京都工芸繊維大学
工芸科学研究科
電子システム工学専攻

小林和淑，古田潤講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ


2

集積回路の用途
Kobayashi Lab.

デジカメ
タブレット・スマホ・
携帯電話

デジタルテレビ

白物家電
自動車
ロボット

電気で動くものほとんどに集積回路が搭載
3

ナノスケールの巨大さと信頼性
Kobayashi Lab.

10mm角に最小14nmのパタンを書くのは，アジア大陸に9mの道路を9m間隔で書くのとほぼ同じ
 さらにLSIは多層配線（立体交差道路）
 このような微細で巨大なシステムの信頼性を担保しなければならない．
mmumnm

250nm LSIの配線

2(10,000,000)
14km

m

2

(6,600,000)
94信頼性の低下が引き起こす問題
Kobayashi Lab.



日常生活は、LSIを使った電子機器に大きく依存

交通

銀行

トラブルの影響大
世界で50機(日本で25機)が運行停止

2013年1月 ボーイング 787 バッテリトラブル

4.8万人に影響．ネットワー
クSWのLSIが故障原因
5

2016年3月 ANA 予約システムダウン

微細化による信頼性の低下
エラーの頻度

Kobayashi Lab.

初期不良

経年劣化（BTI)

劣化による故障

欠陥、ばらつき 経年劣化

負バイアスによるストレス

GND

VDD

VDD
XXXXXXXXXX

一時故障
ソフトエラーなどP+

N-Wellバスタブカーブ
使用時間

一時故障（ソフトエラー）

熱中性子
高エネルギー中性子

particles

欠陥、ばらつき

P+

アルファ線

LER
Voids
Wires or Gates

核反応6自動車安全規格
Kobayashi Lab.

ISO26262– FIT(109時間あたりの故障数）Level
ASIL-AASIL-B, C
ASIL-D

無対策だと数万FIT.Chip

FIT rate Objective< 1000 For convenience (Rear-camera)<100 For safety (Break assistance, Dashboard display)<1 For automatic driving (Google Car, Tesla)

自動車向け半導体大手– ルネサスエレクトロニクス（トヨタ，日産，ホンダ）– ボッシュ（欧州車）



ルネサスは1ppm(1/100万）の故障率を実現– システムとLSIのワークショップ2016の講演より

7

集積回路の大規模化
Kobayashi Lab.

微細化

印刷スライドP11トランジスタ

微細化によりチップあたりのトランジスタ数が増加– ムーアの法則に従い、1年半で2倍に– 性能や用途が増加している

スパコンは高性能化によりCPU数が大幅に増加– 地球シミュレータ(2002年) 1,280CPU, 0.13PF– 京コンピュータ(2012年) 88,128CPU, 11.28PF



全トランジスタが正常動作することが求められる9

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ

10

一時故障とは？
Kobayashi Lab.

内乱/外乱要因による一時的な故障– 電源を入れ直せば元に戻る⇔永久故障

内乱要因– 内部動作によるノイズ（クロストークノイズなど）– 電圧ドロップによるタイミング違反

外乱要因– ソフトエラー ⇔ハードエラー：永久故障
 粒子線による一過性の現象(Single Event)によるSEE:
Single Event Effect (シングルイベント効果)
 ≠ソフトウエアのエラー
11シングルイベント効果
Kobayashi Lab.

OUT

n+n+Current

中性子

OUT

核反応
二次イオン発生p-wellTime

放射線による励起電流

放射線の電離効果により電子正孔対が発生
 トランジスタのドレイン領域に電荷が収集– ファネリング、ドリフト、拡散

トランジスタの出力が一時的に反転– LSIの誤動作(ソフトエラー)の原因に

12

半導体を取り巻く放射線環境
Kobayashi Lab.

ＪＡＥＡ小野田氏スライドより

地上に生物がすめるのは大気が放射線を防いでいるから
13

放射線と集積回路
Kobayashi Lab.



放射線は人体だけでなく、集積回路にも悪影響– 複数の影響が報告

トータルドーズ効果 (Total Ionizing Dose Effect)– 多数の粒子が入射することで発生– 放射線によって生成された電荷がゲート酸化膜に蓄積し、トランジスタの特性が劣化

シングルイベント効果 (Single Event Effect)– １つの粒子が入射することで発生– 放射線の電離作用により生じた電子正孔対がトランジスタの出力を一時的に反転する ＝ 回路の誤動作
14地上でのソフトエラー
Kobayashi Lab.

宇宙線(プロトン, 重イオン)
ミューオン
プロトン

太陽中性子
大気地表

高エネルギー中性子が主要因– 宇宙線が大気と核反応して発生– 高度10km(飛行高度)では地表の100倍に相当

材料の放射性不純物から放射されるアルファ線も一因



SRAM 1Mbitで約200年に1回ＳＥＵが発生– Intel core i7-6920HQ(キャッシュ8MB)なら4年に1回

15Fault, Error, Failureの定義
Kobayashi Lab.

Fault

Error

Failure・Local transient（including SET）
・Noise・ Impact is not deterministic on device, circuitand system
・Generally difficult to monitor

・SEU（Single Event Upset)・Data is flipped in more than 1 memoryelements
・Impact is not deterministic on circuit, system
・Detection and resumption are possible
・Nondestructive device level errors

・Misoperation of electronic system（Shut-down, abnormaloperation, miscalculation）
・Final output of PCB・Resumption is not possible without physical or
economic damage in system（Reboot, re-configuration, etc）

日立伊部氏より



テニスに例えるとFault– ファーストサブミス

Error– ダブルフォールトFailure– ゲームやセットを落とす

16

Soft Error Rate
Kobayashi Lab.

SERを気にする分野と気にしない分野

気にしない

とっても気になる•高い信頼性を要求する分野•民生品•複数のチップのシステム•チップは一つ•クリティカルじゃない•携帯電話•MP3プレーヤ

Catalog
DSP,MSP, etc.

•命にかかわる分野•安全システム•医療用電子機器•自動車•無線チップ• 飛行機

1 MFIT/chip ok(~1 error/month)< 1000 FIT/Chip17

RadGround@RADECS2012 R. Baumann(TI)より

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ

19

ソフトエラー？実体験
Kobayashi Lab.



ハワイ行きの飛行機– iPod touch (初代)の、ボリュームが誤動作– 再起動で復活

日本原子力機構(JAEA)の加速器見学時– デジカメが誤動作– 何もできなくなる。電源OFFすらできない– バッテリーを抜いて対処

大阪大学核物理センター（RCNP）の休憩室– プラズマテレビの画面半分がブラックアウト– 電源入れ直してもダメ？
20

実動機器における一例
Kobayashi Lab.



ソフトエラーに弱いSRAMを、DRAM+ECCに換えると、エラーは約1/10に
日常の一時故障の90％はソフトエラー

21ソフトエラー問題：実害
Kobayashi Lab.

金輪際IBM社のSRAMは購入しない!!!



サーバ用メモリで生じたソフトエラーによってシステムがクラッシュ
たまたまソフトエラーに脆弱だったIBM社のSRAMを使用
ソフトエラーは製品の信頼性を低下
22

中性子線量の高度依存性
Kobayashi Lab.

Altitudefeet

relative% Urban

metersflux

Pop00

1.0

35%

1200

366

1.5

80%

1700

518

1.7

90%

3600

1097

2.4

95%

5000

1524

2.9

99%

10000

3048

11.4

>99.99%After Eugene Normand, “Single EventEffects in Avionics”, IEEE Trans. Nucl.
Sci., 43(2), April 1996, pp. 463.

.

400
Relative Neutron Flux (sea-level=1)

Pop. data frompublic World Bankand CIA
Databases

350
300
250

TerrestrialAltitudes

200150100

FlightAltitudes

5000

高度3000mでは、放射線量は11倍

20k

40k
60k
Altitude (Feet)

80k

1万m（30kフィート）では，１００倍

住環境
RadGround@RADECS2012 R. Baumann(TI)より

飛行中
24

Kobayashi Lab.

6.0

緯度依存性（極は中性子量大）

Adapted from Eugene Normand, “Single Event Effects inAvionics”, IEEE Trans. Nucl. Sci., 43(2), April 1996, pp. 463.

North

Relative Neutron Flux

Flight altitudes
5.0
4.0
3.0
Sea-level
2.0
1.0

equatorialpolarSouth

0.00A computer simulation of

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Earth's magnetic field structureLatitude (degrees)
NSF homepage. Research by G.A. Glatzmaier and P.H.

RadGround@RADECS2012 R. Baumann(TI)より

Roberts, "Rotation and magnetism of Earth's innercore," Science, 274, 1887-1891 (1996).

25

航空機への放射線の影響
Kobayashi Lab.



フライバイワイヤの制御システム故障により急降下– 2008年10月Airbus A330
– 1/3の乗客と3/4の乗員が怪我



B787のバッテリトラ
ブルもSEEかも– GSユアサは化学の会社で電子関係はよそから買ってきているだけ．
26

地上環境と宇宙環境
Kobayashi Lab.
重イオンにより発生– 重イオンは通過すると必ず電子正孔対発生– 遮蔽困難数が少なく損害大

宇宙– ロケット，人工衛星 数台/年，30億円/台


少量の耐性を強靭に

α線，中性子により発生– α線は低α材料で低減可– 中性子は間接的で遮蔽可

数が多い– スマホ 1億台/年– 自動車 100万台/年

http://aer.nict.go.jp/people/spe_yokoyama.html



地上問題を起こすと大変．エアバッグは3000億大量の耐性を強靭に

27

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ


28

信頼性とプロセス・チップサイズ
Kobayashi Lab.

Die size

HPC

航空宇宙自動車
富士通上村氏ソフト
エラー勉強会資料より

医療

180nm


130nm

90nm

65nm

45nm

32nm

22nm

高信頼が求められる製品は、古いプロセス– 「90nm以降は怖くて使えない」 トヨタの数年前の発言

HPC（スパコン）向けデバイスだけが最先端プロセスかつ大規模

29

スパコン京における信頼性Kobayashi Lab.

ＣＰＵを8.8万個搭載– 普通のＰＣは多くても8個1個のＣＰＵが1年間故障0(<0.1MFIT)としたＭＴBＦ(平均故障間隔）

CPU 8個なら、1か月以上動作

8.8万個なら1年/88128台=約6分

24時間稼働させるには、240年エラーの起こらないＣＰＵ(<15FIT)が必要
30

京コンピュータとソフトエラー
Kobayashi Lab.

「88,128個のCPU などから構成されるシステム全体が29時間28分にわたって無故障で動作したことは、世界最大級の超大規模システムの安定性を実証することになりました。」(理化学研究所:広報活動 2011/11/2)



京コンピュータではシングルイベントが数十分に1回発生– 京コンピュータ全体で4.4Tbit SRAMを利用しているため– 100倍の耐性または99％のエラー検出でようやく1日稼働

31

HPC(スパコン）における一時故障対策
Kobayashi Lab.

メモリ
– ECC： エラー訂正，やり直し

ラッチ，フリップフロップ– パリティ： やり直し
– 多重化： エラー隠蔽

チェックポイント– すべての状態を保存，エラーが起こるとそこまで戻る
32

HPC用プロセッサの対策[1]Kobayashi Lab.

22nm IBM System z Microprocessor[ISSCC15, 4.1]

– 8Coreの計算チップ– ラッチに無駄なトランジスタを付加– SOIプロセスはMOSFETをスタック（縦積）するとソフトエラーに強靭に33

HPC用プロセッサの対策[2]Kobayashi Lab.







Intel Xeon E5-2600 v3 ( 22nm 18 Core)[ISSCC15 4.5]

危ないレジスタファ
イルとSRAMにParityかECCを付加
SERを1/4に34

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ

35

ソフトエラー率の実測方法
Kobayashi Lab.

フィールド試験– 地上や高い山に多数のデバイスを並べてソフトエラーを実測– 実データが取れるが、時間と多数のデバイスが必要



加速試験– 粒子線のエラーを加速– α線： 取扱いが簡単、エネルギー小– 中性子線： 要加速器、地上でのエラーを加速観察可能．２
次効果のため、エラー数少．
– 重イオン： 要加速器、チャンバーに入れる必要あり．エラーは多数観測可
36

アルファ線照射試験
Kobayashi Lab.



241Am（測定機器校正用)をデバイス直上に– アルファ線は紙でも遮られるので，モールドパッケージでは測定不可能．
– セラミックパッケージにて測定

α-source
アルファ線照射試験の様子 (真上から)照射の模式図 (断面図)37中性子線による加速試験の概要
白色中性子をチップに照射– 大阪大学RCNPの加速器を利用– 1時間で10万年分– 地上と同等のエネルギースペクトル
実使用環境でのソフトエラー率に近い値が得られる



Neutron Flux (n/MeV/cm2/sec)

Kobayashi Lab.

10-3
10-5RCNP(normalized)Tokyo

10-7110100
1000
Neutron Energy (MeV)

加速試験での問題– 発生個所を指定できない– 測定回路の信頼性も重要– 加速しても発生数が少ない

38

RCNP福田先生資料よKobayashi Lab.

39

RCNPを利用している企業
Kobayashi Lab.

自動車用半導体
 スパコン向け半導体
 DRAM，フラッシュメモリ製造
 インフラ系
 耐放射線LSI専業
 興味を持っている企業
– 日本電器大手– 韓国電子大手 (2017年2月実施予定）– 米国ネットワークスイッチ製造 (2017年2月実施予定）– ロシア宇宙研40

中性子実験セットアップ
Kobayashi Lab.

可搬型LSIテスタにより実施
 ビーム射出口直後に測定器はおけない

DUT
ビーム射出口– ソフトエラーで誤動作– 4m離す治具を作成– 要暫時再起動→リモート電源
遮断装置

延長ケーブルLSIテスタ


PCは実験室外– USBをLANに変換

41

中性子実験セットアップ
Kobayashi Lab.

観測室

実験室

コンクリート扉
LSIテスタ

信号線

DUT

加速器

DUT

加速器

PC

100mのLANケーブルx3USB/LAN， テスタ遠隔再起動，インタフォンに利用測定機器の上面図42

テスタ遠隔再起動装置
Kobayashi Lab.

サーボモータ

物理的にスイッチをオン・オフしないと再起動しない スイッチ切り替えモジュール
– サーボモータ
ON

サーボモータの制御モジュール

OFF

LSIテスタスイッチ– マイコン制御によるデジタル回路
マイコンボード

プッシュスイッチ

サーボモータ
信号送信(50Hｚ)
100mのLANケーブル
43重イオン照射試験
Kobayashi Lab.

JAEA(現qst)高崎量子研究所(TIARA)にて実施
 JAXA所有の大型チャンバーを用いて測定
 申請枠で安価に利用

– 1.5万円/h (別途操作補助費用必要）

チャンバー(真空容器)

ＬＳＩテスタ重イオン実験

44

高崎量子応用研究所
Kobayashi Lab.

45

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ

46

ソフトエラー対策
Kobayashi Lab.



多重化して結果を比較

組み合わせ回路FF1– 面積、消費電力の増加大– 複数ビット反転(MCU)の対策が必要


FF2
FF3

電荷収集量を抑制– トランジスタ直下に絶縁層を持つFD-SOI– 製造コストが高い– ソフトエラー耐性は10-100倍D– 面積、消費電力の増加なし



多数決回路

再実行/同時実行– 2回実行– 実行時間/ハードウェアが倍

G

S

S
BOX

Fully-depleted
Silicon on Insulator(FD-SOI)47

省面積な耐ソフトエラー回路
Kobayashi Lab.

IN

DelayElement

OUTC-element
BISER by Intel, Stanford [S. Mitra et al. ITC2006]
BISER (Built-In Soft Error Resilience)– ラッチの値が異なる場合、C-elementが高抵抗状態になり、weak keeperが値を保持


ラッチが反転してもエラーにならない = SEUに耐性– 三重化回路よりも面積、消費電力が小さい
48

BISERの問題点
Kobayashi Lab.

SETSoft Error Rate

Particle hit

Storage C-element
dominant dominant

Clock Frequency
C-elementでSETが生じるとエラーとなりやすい– 2つのスレイブラッチの入力に直接接続しているため– 動作周波数が高いとエラー率が上昇



BISER内部で生じるSETを除去する必要がある
49

改良型耐ソフトエラーFF
Kobayashi Lab.

DQ

Comb.
Cir.

ML0τ

Q

Q
SL0Q
Q

ML1CCQCQQ
Q

SL1CQBCDMR(Bi-stable Cross-coupled DMR) FF– C-elementも2重化して別々のラッチに接続– weak keeperはC-element間で共有

weak keeperを両側から書き換えるため、ばらつきにも強く動作速度も改善

日米で特許取得済
50

ソフトエラー耐性評価結果
Kobayashi Lab.

通常FFのSER
344 FIT/Mbit



BISERは300MHｚで最もSERが高い– ソフトエラー耐性が通常FFの2倍程度にTwin well, triple wellは製造工程の差異– Twin wellは基板電位が安定でSERが低くなる

51

各種プロセスによる耐性比較
Kobayashi Lab.

６５，28, 16 nmにて試作評価済

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中性子に対するエラー耐性比較

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重イオンに対するエラー耐性比較
52

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ


53

宇宙ミッションの課題
Kobayashi Lab.

失敗すると損害甚大（30億円）
 COTS(既製品)を使いたい– 入手の容易性と低コスト– スペースシャトルの退役は部品が入手できなくなったから


過酷な環境– 電力，温度，放射線– 低電力，高耐環境，高放射線耐性



微細化に伴うLSI試作の初期コスト増大– FPGAを使いたいが，SRAMが放射線に脆弱– 放射線に強いワンタイムプログラムFPGAは高額


開発時に高コスト

原子スイッチFPGA

54

宇宙環境での放射線の影響
Kobayashi Lab.

SEE

TID

DDD

ソフトエラー勉強会2011，JAEA小野田氏スライドより

55

原子スイッチFPGA LEAPプロジェクト資料より
Kobayashi Lab.

56

Kobayashi Lab.

LEAPプロジェクト資料より

57

原子スイッチFPGAの宇宙応用
Kobayashi Lab.

動機
– 国産・対外輸出可能・安価・書き換え可能なFPGA– SRAM型FPGAは米国の2社独占



開発時には書き換えるが実装時には固定– 開発コストと部品点数低減



原子スイッチは放射線に強い– 高い電圧を長時間かけない限り変化しない

下地の回路も放射線耐性が必須– BCDMR FFを用いて耐放射線化



人工衛星に搭載予定
59

講演内容
Kobayashi Lab.

信頼性一般
 一時故障（ソフトエラー）とは？
 ソフトエラーの実例紹介
 スーパーコンピュータの信頼性
 ソフトエラーの実測方法
 ソフトエラーに強靭な回路構造
 宇宙応用に向けて
 まとめ


60

まとめ
Kobayashi Lab.

ソフトエラーは身近な問題
 HPCではソフトエラー対策なしには動かない– ミッションクリティカルな分野ではソフトエラー対策必須

中性子・重イオン実験には加速器が必須– 重イオンは真空チャンバー内

低電力・低遅延・高耐性の回路が必須– BCDMR FFにより実現– 65nm，28nm, 16nmで実証済



共同研究– 地上用：半導体関連会社2社– 宇宙応用：JAXA関連2社（1社は交渉中）

61