集積システム講座
小林研究室の紹介

小林教授
ディジタル電子回路，集積回路工学担当

古田准教授＠岡山県立大学
2024/4/1に異動

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シリコン半導体（LSI)は産業の米• 半導体不足で自動車が作れない- ETC車載器すら不足- 半導体工場の相次ぐ火事や停電で品不足に拍車• 2020/10 旭化成，2021/3 ルネサス，TSMC火災• 2021/1-3 米国テキサス州オースチンの大停電• 半導体不足でゲーム機が作れない- PS5の品不足で転売屋横行

先端半導体の国産化目指す「Rapidus」北海道 千歳に工場建設へ (NHKニュースより)
日経新聞より• 日米が相次いで半導体支援・増強策- 経産省が2nmに向けて700億円の補助金でRapidus設立- TSMCが熊本に工場，デザインセンター設立- インテルが2兆円を投資して新工場建設
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過半導体• コンセントに刺さるもので半導体が載っていないのは安いトースターのみ
Yahoo Newsで取り上げられました

一方で，なんにでも半導体（「コンセントに刺さるもので半導体が載っていないのは安いトースターのみ」)の弊害が．．
「過半導体による半導体不足」
2022/3の学振１６５委員会での講演スライドより3

テーマ一覧
• 集積回路の一時故障- ソフトエラーを評価するためのデバイスシミュレーション環境の構築- 耐ソフトエラー回路の設計と実測評価• 集積回路の長期信頼性- 集積回路の経年劣化を測定する回路の設計と実測評価• 量子コンピュータ• 量子コンピュータを制御・エラー訂正するための集積回路• (ワイドギャップ半導体向け電力変換回路)

ソフトエラーとは？
• 放射線がLSIに衝突
- α線

アルファ線
重イオン

熱中性子
高エネルギー中性子• 放射性不純物より- 重イオン• 宇宙で問題核反応- 高エネルギー中性子• 宇宙より• 航空機では影響大- 熱中性子◼
LSIが一時的に誤動作- スーパコンピュータ(京)ではすでに対策済

soft error particle

particle

0FF

01

FF

CLKSEUsoft error

CLKSET5

ソフトエラーで大損！

電子機器の不具合で大変

https://mainichi.jp/articles/20160322/k00/00e/040/131000c

4.8万人に影響．ネットワーク
SWのLSIが故障原因
2016年3月 ANA 予約システムダウン

なんと，2023/4/3にも発生

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耐放射線フリップフロップ

従来型のGGFF
フリップフロップ

一般的なFF

遅延時間 消費電力

面積11.76(1)11.05(1)

11.24(1)GGFF

2.20(1.25)

1.06(1.01)

1.47(1.19)

FRFF (提案FF)

1.06(0.60)

1.03(0.98)

1.06(0.85)FRADFF(改良型FF)

1.08(0.61)

1.02(0.97)

1.12(0.90)

Stacked FF

提案のFRFF

提案改良型FRADFF
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ソフトエラー耐性評価実験• 地上での耐性評価- α線：研究室内- 中性子線： 阪大RCNP, 群馬大医学部他- 重粒子： 群馬大学医学部• 宇宙での耐性評価- 重イオン線： QST加速器（ＪＡＸＡ所有のチャンバーにて）
群馬大学医学部での重粒子照射実験
チャンバー(真空容器)

ＬＳＩテスタ重イオン実験

LHe

Chip

Neutron beam

極低温でのソフトエラー測定(予定)重イオンでの測定結果• STDFF- 通常のFF• DFRFF- 耐ソフトエラーFF

STDFF• DFRFFLD- 改良版

DFRFFLDでは通常FFの1800倍の耐性

DFRFF

DFRFFLD
9ゲート酸化膜起因の信頼性低下
BTI~180 nm

HCI

SiO290 - 65 nm

HCI

NBTI

SiON

40 nm~

HCI

NBTI

PBTI

RTN

HK

Siは単一原子のダイアモンド結晶のため，欠陥は少ないが欠陥起因の劣化現象が起こる．
– RTN : 特性がランダムに変動– NBTI/PBTI: 時間とともに特性が劣化

∆Vth◼

Ids

RTNTime10長期信頼性測定系• テスタでは長期間の測定不可-共用＋高電力＋PC制御• マイコンとFPGAで超長期測定

マイコ- 専用＋省電力＋マイコン制御
ンと- マイコンプログラム＋FPGA回路＋定電圧源
FPGA• 7nm FinFETで試作されたLSIを測定- リングオシレータの発振周波数を測定• IRPS2023で発表

京都工芸繊維大学とルネサス エレクトロニクスは共同で、7nm技術で試作したリング発振器のBTI劣化を5カ月にわたって測定(温度125℃、電源電圧0.75V)してみせた(発表番号7A.1)。発振周波数は時間のn乗に比例して低下した。
PC Watch 2023/3/27 福田昭氏記事より- PC Watchで紹介

145日の測定結果11

量子コンピュータ• 小林教授が ムーンショット目標６「2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現」のプロ
ジェクトマネージャ(研究代表者) (2022/8より)- 髙井先生，新谷先生，岸田先生(本学出身)も課題推進者課題推進者一覧

小林佐野三好

髙井

土谷門本

長名

新谷

塩見宮原佐藤今川岸田五十嵐

量子ビット制御，計算機アーキテクチャ，集積回路の専門家で構成

極低温環境での超伝導量子ビット制御回路の設計• FPGAに実装されている回路の一部をLSIに実装して，極低温で測定
Backend to correct
Over 100 I/Oserrors

室温FPGA and SoCs for
scalability up to 1M Qubit

Frontend qubit
controller

Quel社の量子コンピュータ制御器

LHe

Scalable
Network

Small and low powerby SoC

Chip

極低温測定

(70K)

To reduce # of wires
Optical and Cryo
CMOS IC

3-4K
0.8K

10mK
回路ブロック図Superconducting Qubit

量子コンピュータを制御・エラー訂正する集積回路• FPGA実装済の量子ビットの位置推定用ディジタル回路をLSI化- LVDS(高速シリアルインタフェース)からの受信回路を新規設計• エラー訂正するディジタル回路をLSI化- RISC-Vプロセッサと同梱してSoC (System-on-a-chip)化

量子ビット位置推定用
ディジタル回路(160万ゲート)

誤り訂正用FPGAクラスタ

一部をLSI化し，高速低電力にエラー訂正用SoC

2023年度研究実績• 学術論文 4件• 国際会議発表 ５件• 国内会議発表10件- うち４回生３名発表• 受賞7件

詳細はホームページの論文，受賞に受賞一覧- デザインガイア優秀ポスター賞- "フローティングゲートおよびチャージトラップTLC
NANDフラッシュメモリにおけるトータルドーズ効果のデータパターン依存性",小澤太希(2023年１１月17日受賞)- "α線照射による65nm bulkプロセスにおけるPMOS及びNMOSトランジスタのSEU感度",吉田圭汰(2023年１１月17日受賞)- IEEE CEDA All Japan Joint Chapter Design Gaia Best Paper
Award- "アルファ線と重イオンによるソフトエラー率の周波数依存性の測定",杉崎春斗(2023年１１月17日受賞)- Excellent Student Paper Certificate of Honor of 2023 15th IEEE
International Conference on ASIC
- "Ring Oscillators with Identical Circuit Structure toMeasure Bias Temperature Instability", Daisuke Kikuta,
Ryo Kishida, Kazutoshi Kobayashi (2023年10月27日受賞)
IEEE CEDA All Japan Joint Chapter Academic ResearchAward15- 他3件