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私の研究

Internet of Things に向けたデジタル集積回路の設計技術と応用
齋藤寛（さいとう ひろし）

公立大学法人会津大学
コンピュータ工学部門コンピュータ構築学講座
上級准教授

１．はじめにの中にあるデジタル集積回路の設計技術や応用にインターネットやコンピュータシステムの発展焦点を当てている。デジタル集積回路とは、デジによって、様々なモノがインターネットに接続し、タル信号０と１にて動作する集積回路である。集必要な時に必要な処理を行う Internet of things

積回路はトランジスタと呼ばれる素子によって実[１]（IoT）の時代がやってきた。人が直接指示す現されている。ほとんどのコンピュータシステムることなく、ネットワークに接続したモノ同士がに含まれるプロセッサ（あるいは中央処理装置、処理や通信を行う。例えば、家の各コンセントにCPU）やメモリ（あるいは主記憶装置）はデジ

電力消費を計測するセンサー、各部屋に温度センタル集積回路であり、プログラムを実行するなどサーや人感センサーが備え付けられていれば、電コンピュータシステムにおける最も重要な部分で力消費量、温度、人感の検出有無をネットワークある。

を通じて集約し、過去の使用状況なども考慮した

現在、本研究室においては、低消費エネルギー上で効率よくエアコンを制御することが可能となな非同期式回路の設計技術と応用に関する研究、る（Home Energy Management System の例と非同期式回路による高セキュリティな暗号回路のもいえる）。

研究、および高信頼なマルチコアシステムの設計

IoT では、実に様々なコンピュータシステムが用いられるが、ほとんど全てのコンピュータに対して高性能、低消費電力といった要求や、高セ技術に関する研究を中心に研究を行っている。
以下では、それぞれの研究の概要と今後の方向性を述べる。

キュリティ、高信頼といった要求がある。例えば、リアルタイム処理が必要な場合、高性能が求めら２．低消費エネルギーな非同期式回路の設計れる。そのため、IoT 向けコンピュータシステム

技術と応用に関する研究の研究開発においては、アプリケーション毎の要

現在のデジタル集積回路は、グローバルなク

求を考慮する必要がある。
本研究室では、こうしたコンピュータシステムロック信号によって回路全体を制御する同期式回路である（図１左）。多くの設計資産や設計支援

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私の研究ツールがあるため、デジタル集積回路のメインスは同期式回路と比べ難しく、また、設計資産や設トリームとなっている。しかし、トランジスタの計支援ツールも限定されている。

微細化技術が向上し、より多くのトランジスタを非同期式回路の設計の難しさに対し、本研究室集積できるような今後において、クロック信号をでは非同期式回路の設計自動化を研究として取り広範囲に高周波で供給しようとすると、クロック組んでいる。設計自動化とは、設計手法をプログ信号における消費電力が無視できないものとなる。

ラミングすることによって設計支援ツールを実現

また、微細化によってトランジスタのスイッチンし、ツールに設計してもらうということである。

グ遅延に比べ配線遅延が相対的に増加するため、

図２の通り、既存の設計支援ツールや本研究室開クロック信号のずれが顕著となり、回路全体の同発した設計支援ツールを利用することで、プログ期をとることが困難になる。

ラミング言語によるアプリケーションの機能モデ

非同期式回路（図１右）は、グローバルクロック信号の代わりに、要求・応答信号によるハンドルより製造に必要となるレイアウトデータを自動生成することが可能となる。

シェーク信号にて、必要な時に必要な回路部品を研究は主に、現在の同期式回路の設計支援ツー制御する。グローバルクロック信号がないため、ルを最大限活用し、足りないところを自前でツー同期式回路と比べ低消費電力、低電磁放射といっル開発すること、非同期式回路に対する電力最適た特徴がある [２]。しかし、非同期式回路の設計化手法を提案すること、性能要求を考慮すること

図１

同期式回路と非同期式回路

図２56

福島の進路 2016. 12

設計自動化

私の研究である [３]。デジタル集積回路の消費エネルギーは、実行時間と消費電力の積によって求めることが多い。性能要求を満足しつつ、低消費電力な非同期式回路を実現することで、低消費エネルギー化を図る。
ツール開発後は、プロセッサ、画像処理、暗号処理などを対象に非同期式回路を実現し、同期式回路との比較を通じて非同期式回路の有用性を示す。

３．非同期式回路による高セキュリティな暗号回路の研究
図３

IoT においては、様々なコンピュータシステムサイドチャネル攻撃がネットワークに接続している。通常のデータる。非同期式回路は、同期式回路と違い、グロー（暗号の世界では平文と呼ぶ）を送信すると、悪バルクロック信号を用いないため、低消費電力、意ある人がそのデータを傍受し、情報が漏洩する低電磁放射な回路が期待できる。また、クロック恐れがある。そのため、重要なデータは暗号化し、信号は一定の周期で動作するが、非同期式回路の暗号文を送ることで情報漏洩を防ぐといった対策

場合、部品毎に要求、応答信号を準備するので、が取られている。

それぞれに必要な処理時間で制御することができしかし暗号化をすれば安全性が保障されるわける。その結果、時間軸に対して、消費電力や電磁ではない。例えば、暗号化に利用した鍵が漏れて波放出を平坦化させることができ、サイドチャネしまうと、暗号文が解読されてしまう。鍵を解読

ル攻撃による鍵解読を困難にさせることが期待でするための様々な攻撃法が分かっており、そのなきる。

かでも処理の際に発生する消費電力や電磁波をオ現在、Advanced Standard Encryption と呼ばシロスコープなどで観測するサイドチャネル攻撃れる標準的な暗号化手法を非同期式回路として設（図３）は、オシロスコープなどを使いこなせれ計している段階である。今後は、評価環境を準備ば割と容易に鍵解読ができてしまうので、注意がし、サイドチャネル攻撃に対する非同期式回路の必要である。

有効性を実証する。

サイドチャネル攻撃を考慮すると、プロセッサによる暗号化は注意が必要である。プロセッサの４．高信頼なマルチコアシステムの設計技術

電力消費や電磁波は、クロック信号の変化時がに関する研究ピークとなるため、解読すべきタイミングが容易

最近のデジタル集積回路は、トランジスタの微にわかってしまう。そのため、暗号化は、専用の細化技術、および集積技術の向上により、１つの暗号回路で行う場合が多い。

集積回路に数億トランジスタを集積することがで

本研究室では、暗号回路を非同期式回路で実現きる（最先端のトランジスタのサイズは、14ナノすることで、サイドチャネル攻撃に対する耐性をメートルで、ナノは10の−９乗を表す）。デジタ高めること（鍵を解読させないこと）が目的であル回路の機能はトランジスタを組み合わせて実現

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私の研究するため、沢山のトランジスタを集積できるといシステムを実現する。図４に示す通り、例えば、

うことは、小型で多機能なシステムの実現につな二重化されたタスクを異なるプロセッサに割り当がる。

てれば、プロセッサ p３が故障したとしても、他こうした背景より、最近のパソコンやスマートのプロセッサ p１と p４にも同じタスクがあるのフォンは、１つのデジタル集積回路に複数のプロで、プロセッサ p１と p４にてプロセッサ p３のセッサコアが乗ったマルチコアシステムとなって処理を代用することができ、サービスを提供し続いる（現在は２つから８つのプロセッサが載ってけることが可能となる。なお、タスクの多重割りいるが、今後は16個、64個と増えていくことが予

当ては、システムの信頼性や性能に影響を与える想される）。

ため、信頼性と性能の両立を目指したタスク割り

その一方で、微細化されたトランジスタは、劣当て手法を提案している [４]。

化しやすい、放射線の影響を受けやすいといった問題がある。これらは、故障の原因となるため、５．今後の方向性についてシステムの信頼性の低下をもたらす恐れがある。

これまでに、３つの研究概要を紹介してきたデジタル集積回路の信頼性向上のために広く用が、これらは要素技術に過ぎない。今後は、研究いられる手法は、プロセッサのような部品を冗長開発した要素技術の応用にも取り組むことで、非にすることである。例えば、プロセッサを二重化同期式回路や高信頼なマルチコアシステムの有効し、同じプログラムを実行させその結果を比較す性を検討したい。応用に関しては、スマートフォ

れば、故障などによる異常の判断が可能となる

ン、家電と行った汎用用途から、情報通信技術に（結果が異なった時に異常と判断）。三重化すれば、よる社会的課題の解決を想定している。後者に関結果の多数決を取ることで、どのプロセッサが異しては、総務省の支援の下、会津地方に特有な積常動作をしているのか判断することができる（３

雪による障害を解決すべく、除雪支援システムをつのプロセッサのうち、他の２つと違う結果をも開発してきた [５]。安価なマイコン基板に距離セたらすプロセッサを異常と判断）。プロセッサがンサーを取り付けることで積雪量を計測し、セン多数あるマルチコアシステムでは、こうした冗長サーネットワークを構築することで様々な場所の化がしやすい。

積雪データをサーバーに集約した上で、積雪量の本研究室では、マルチコアシステムにプログラ可視化や最適な除雪経路の探索ソフトウェアを開ムのタスクを多重に割り当てることで、高信頼な発してきた（図５）。この研究で明らかとなった

図４58

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タスクの多重割り当て

私の研究

図５

開発した除雪支援システム

課題の一つは、センサーノードのバッテリーライ

Processor Core”, IEEE Micro, vol. 27, issue 2,フである。市販のリチウムイオン電池をフル充電

pp.58 68, 2007.

し、プロセッサや無線モジュールを不必要に動作[３] Keitaro Takizawa, Shunya Hosaka, Hiroshi

させないといった取り組みにも拘わらず、バッテ

Saito, “A Design Support Tool Set for

リーは１か月強しかもたなかった。ソフトウェア

Asynchronous Circuits with Bundled-data

的な低消費エネルギー化には限界があるので、非Implementation on FPGAs”, Proc. FPL,

同期式回路を利用したハードウェアによる低消費pp.1 4, 2014.

エネルギー化に取り組むことで、要素技術を活か[４] Hiroshi Saito, Masashi Imai, and Tomohiro

し、実社会の問題を扱えるようにしたい。

Yoneda, “A Task Allocation Method for theDTTR Scheme based on the Parallelism of

文[１]献Tasks”, Proc. MCSoC, 2016.
東洋経済オンライン， ｢IoT｣ とは何か、[５]

森合洋介，中島正光，保坂隼也，小平行秀，

今さら聞けない基本中の基本 ，http://齋藤toyokeizai.net/articles/‑/113807

雪量の可視化 ，電子情報通信学会 総合大会

[２] Arjan Bink and Richard York, “ARM996HS :The First Licensable, Clockless 32 Bit

寛， センサーネットワークによる積講演論文集，B‑18‑40，Vol.B，pp.587，2015
年３月．

＜プロフィール＞
1975年生まれ。1996年 会津大学コンピュータ理工学部卒業、2000年 会津大学大学院コンピュータ理工学研究科博士前期課程修了、2003年 東京大学大学院工学系研究科博士後期課程修了

博士（工学）。2004年より会津大学に赴任

現在に至る。専門は、デジタル集積回路の設計技術と応用。特に低消費電力な非同期式回路の設計技術に関する研究、センサーネットワークの応用に関する研究、マルチコアシステムの設計技術に関する研究に従事。

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