21世紀情報通信研究開発センター
（組織）

組

織

センター長(教授)：坪内 和夫
技術職員：
寒河江克巳

企画開発部
特任教授：

種市百器
南門から望む IT-21 センター

研究開発部

次世代モバイルインターネット端末開発プロジェクト
代表・教授(兼)：坪内和夫
教授：
高木 直
客員助教授：岩田誠

超小型大容量ハードディスクの開発プロジェクト
代表・客員教授：中村慶久
教授：
青井 基
教授(兼)： 村岡裕明
助教授： 島津武仁
客員助教授：山川清志
研究員： 渡辺 功

代表的設備▼ 超高速無線端末用 SiP 実装システム▼ 高密度ストレージ熱緩和特性測定装置▲ 110GHz デバイス評価システム

IT 21 センター

▲ 超高感度リーダ用超高真空製膜装置

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めざせ！理想の産学連携と社会貢献（種市企画開発室）

研究目的
・真に効果的な産官学連携体制の構築
・地域社会への技術的貢献体制の探索
・次世代ITへのプロジェクト展開研究

主な研究テーマ

ｅ-Japan戦略の趣旨
知識創発型社会と世界最先端のIT国家の実現

文部科学省による“IT プログラム”の創設 （平成 14 年度）

・e-Japan 戦略の達成に向けた ITプログラム
実施体制の効果的運用
・来るべきユビキタススーパーコンピュー
ティング時代を先導する世界最先端プロ
ジェクトのたちあげ

産学官連携体制
電気通信研究所は、創設以来独自に保有する最先端技術を核として、平成１４年度から、文部科学省ITプログラム「世界最先端ＩＴ国家実現重点研究開発プロジェク
ト」 ３課題を受託し、関係10企業と産学連５年以内に一定の成果が見込まれる
実用化指向の中規模プロジェクト○「e-Japan戦略」の達成に向けた9つの研究開発課題を設定○産学官連携体制を前提にして研究開発機関を公募○平成 14 年度からの 5 ヵ年計画で実施

研究開発課題プロジェクトリーダー

協力企業

次世代モバイル
坪内和夫
三菱電機、日本電気、インターネット端末の開発
教授 松下電器産業、日本テレコム
超小型大容量中村慶久
日立製作所、東芝、富士通、
ハードディスクの開発
教授 三菱総研、富士電機、日立 GST
高機能・低消費電力
大野英男
アルバック、日立製作所
メモリの開発教授

携研究共同実施協定による強力な実施体制を築いて研究開発を推進中。
特に“産官学連携による新情報通信産業の創成”を目指す中核拠点として「ＩＴ２１センター」(センター長：坪内和夫教授)を整備し、世界最先端のLSI設計・実装・評価を一箇所で実現。 ここでは、モバイル無線端末の通信素子を５ミリ角・厚さ0.5ミリ以下の超小型３次元システムチップとし、１ギガビット毎秒以上の超高速通信を実現する次世代モバイルインターネット端末の開発や、１テラビット毎平方インチ以上の超高密度磁気記録、１ギガヘルツ以上の動作速度で２ギガビット毎秒以上の超高速データ転送を可能にする超小型大容量ハードディスクの開発を実施。

国の厳格な予算執行が大前提○単年度ごとの厳格な予算執行○初めて大学からの再委託認可

先が見えない状況下での対応○複数企業による最先端研究協力○国立大学法人化への大学改革

文部科学省（研究振興局長）

自由で柔軟な枠組みを導入○“包括的”かつ“長期的”な枠組み！
○臨機応変に変えられる枠組み！
○自分たちで変えられる枠組み！

委託契約

東北大学電気通信研究所
東北大学（事務局長）
再委託契約

再委託契約

再委託先企業再委託先企業

産学連携研究共同実施協定
知的財産規定（秘密保持契約）
あえてファジィマッチング

複数参加企業（再委託先企業）

さらに、電気通信研究所は、宮城県産業技術総合センターと相互協力協定を締結するなど、地域社会と協力して地域産業の振興に貢献できるよう努力中。

種市企画開発室

次世代モバイルインターネット端末の開発（プロジェクトリーダ：坪内和夫）

研究目的
無線端末が様々な場所に存在するユビキタス（「何処にでも」）を生み出す、超小型・超高速次世代ワイヤレス通信端末の実用化技術を完成させる。

主な研究テーマ

次世代モバイルインターネット端末の開発
プロジェクトリーダー： 電気通信研究所 坪内 和夫（産学連携企業： 三菱電機、日本電気、松下電器産業、日本テレコム）

・ブロードバンドワイヤレス通信用低消費LSI開発
超高速無線通信端末を実現するLSI開発を、世界最先端プロセス用いて行う。

・異種材料統合/3D SiP開発
ワイヤレス端末を耳の中に入るぐらいの超小型化する実装技術の開発

背景： 携帯電話・無線 LAN など無線通信技術の発展
開発のポイント：ブロードバンド化、超低消費電力化、超小型化
ハイビジョン動画像も通信できる
ハイビジョン動画像も通信できる<ブロードバンド化のためのキーテクノロジー>
超高速無線通信方式の開発/端末の試作

次世代無線LAN端末の試作開発と世界標準化への提案

・ホットスポットネットワークの開発
どこからでも高速に無線インターネットが可能となるネットワークと通信プロトコルの開発。大学にホットスポットネットワークを構築し実証試験を行う。

産学官連携体制<超小型のためのキーテクノロジー>
異種材料統合/三次元システムチップ

無線周波数を効率良く利用し、高速かつ正確にデータを伝送する無線端末設計技術

・超高速ワイヤレス通信装置の試作開発

何にでも付けられる何にでも付けられる電池が長持ちする電池が長持ちする

ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞLSI
フィルタチップ〜500ミクロン
ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞIF LSI(GaAs)
ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾊﾞﾝﾄﾞIF LSI

100Mbps 無線通信装置<低消費化のためのキーテクノロジー>
低消費電力動作無線通信用 LSI 開発

バッテリシステム特性を低下させずに、回路の構成を工夫し、低消費電力動作を実現するLSI設計技術

超広帯域RF LSI
ﾌﾞﾛｰﾄﾞﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞLSI
電源回路

無線システムに必要な様々な部品を三次元化して集積し、超小型のパッケージの中に無線システムを作りこむ技術

サングラスにも無線端末が内蔵できる

5mm角

System in Package (SiP)
5GHz 変調ミキサ IC
ベースバンド増幅器付 (SiGe)

データ駆動型プロセッサ LSI 写真 60GHz アップコンバータ用
ミキサ IC (GaAs)

超広帯域RF LSI(GaAs)

インダクタ

開発技術は次世代無線LAN規格世界標準として提案
IEEE802.11n、IEEE802.15.3c

60GHz RF 電力増幅器
IC (GaAs)

三菱電機㈱

文部科学省
文部科学省

超高速無線端末用LSIの設計技術
示達
設計技術・データ

日本電気㈱60GHz帯小型モジュールの開発
60GHz超高周波RF ICの設計
ASKによる1Gbps無線モデムの開発
設計技術・試作協力

東北大学IT-21センター

東北大学主導の協力体制・技術開発により、60GHz帯
BB/IF帯
低消費技術
メーカー単独では成し得ない新しい技術開発を目指す。
60GHz超高周波RF ICの試作
超高速無線端末用LSIの低消費電力通信用
日本の移動体通信のトップメーカと試作・評価コア回路の開発
高度変調の導入 60GHz帯三次元システムチップ開発
協力し、次世代モバイルインターネットIF帯モデムの試作・伝送評価
端末開発の技術的リーダーシップを60GHz帯超小型実装技術開発
三次元システムチップの開発獲得する。
通信キャリアの協力により、実際のサービスに適用可能な技術開発をシステム評価技術
超小型化多層基板技術
超小型化多層基板技術目指す。
日本テレコム㈱松下電器㈱システムチップ試作用多層基板の提供
多層基板高周波特性解析・パラメータ抽出
GHz帯多層基板設計技術の確立

映像投影
サングラス型

高速伝送無線モデム設計
60GHz帯伝送評価

これまでの研究開発成果

世界最高速324Mbps 5GHz無線LAN端末試作に成功
ハイビジョン画像伝送デモ系の構築
送信側

アンテナ

アンテナ

受信側

共同開発
東北大
三菱電機
中日電子
ネットクリアス

ハイビジョンカメラ
ハイビジョンテレビ
次世代超高速無線LAN装置

次世代超高速無線LAN装置

パソコン

開発した無線LAN装置
中心周波数 ： 5,530 MHz
バンド幅： 120MHz
データ通信速度： 最高324Mビット毎秒
市販無線LAN装置（IEEE802.11g）

パソコン

市販無線LAN装置（IEEE802.11g）

パソコン
ハイビジョンテレビ開発装置のワンチップ化進行中■特徴
開発した次世代超高速無線LAN装置による画像● 複数チャネルを使用することで無線伝送を大容量化（Band Expansion)● 時々刻々変化する電波の状況に応じて使用するチャネル数やデータ量を最適化する伝送制御機能（Link Adaptation)

エラーによる雑音● IEEE802.11のデータフレームを複数個束ねて伝送することによるMACの高効率化(Frame Aggregation)
市販の無線LAN装置(IEEE802.11g)による画像

モバイルブロードバンド実証実験

超高速無線通信用LSI開発

RFアンテナ偏波ダイバーシティ

大学の研究所で、本格的なMixed Signal LSIの設計・試作ができる環境を日本で初めて実現。

２GHz帯実験周波数（実験局免許）取得

超高速無線通信LSI設計システム
キュービクル
無線機、データ駆動型プロセッサ LSI 写真 （シリコン）

最先端90nm、0.13µmアナログ・ディジタル混在LSI設計が可能。
主なファウンドリ：STMicroelectronics、TSMC、AMS

ＢＢインターネット接続
ワイドスポット端
末FlashOFDM 基地局
ＩＴ２１センター ２階

本格的な電波伝搬実験とアプ
リケーション実験

ルータ、Internet

メディアサーバの機器

5GHz 変調ミキサ IC(SiGe)

低消費電力動作電流モード
パラレルシリアル変換 LSI(シリコン)

60GHz アップコンバータ用
ミキサ IC (GaAs)

60GHz RF 電力増幅器
IC (GaAs)

東北大学キャンパス

FlashOFDM PCカード端末

三次元実装・計測

60GHzミリ波LANシステム

世界ではじめて温度特性まで含めた110GHzまでのIC・モジュール特性評価を可能とした60GHz帯の全てのディジタル変調波を送受信可能。世界に唯一の装置。
第二ステップの60GHz 1Gbps超無線装置の変復調方式の検討を行っている。

周波数変換（60GHz → 1GHz)

60GHz GaAs IC

60GHzモジュール

100dB(S(2,1))

周波数変換（5GHz → 60GHz)

600×300µmのチップ部品、表面実装LSIなどの実装が可能。

-10-20-30-40

局部発振器

局部発振器

ディジタル変調器(5GHz)

高速サンプリング
オシロスコープ（20Gs/sec）

任意変調波発生器
約2Gbpsの変調波を発生可能（ベースバンド、1Gs/sec）
LANによるデータ送信

110GHzデバイス評価システム
RF IC、RFモジュールの伝送特性を110GHzまで測定可能。-65~200度の温度テストが可能
0

モバイル端末実装システム
・スクリーン印刷機
・チップマウンタ
・赤外線リフロー装置など

受信装置

60

80

100120

異種材料統合/三次元システムチップへ向けて

LANによるデータ受信

制御用PC
PC上で、任意のディジタル変調波を生成・解析する。
装置とのデータのやり取りは、LANにて行う。

40

freq, GHz

ミキサIC
ドライバIC RF増幅器IC

60GHz ICモジュール

送信装置

20

GaAs ICSi, SiGe IC
1mm角以下のIC用
2mm角程度のIC用IC実装システム・フリップチップボンダ

変復調・IF IC(SiGe)
変復調・BB IC(Si CMOS)

銅ボールによるレイヤ間接続

超小型大容量ハードディスクの開発（プロジェクトリーダ：中村慶久）
超テラビット級記録媒体
新聞 230年分
データとして記録

高分解能記録ヘッド

世界一の記録密度を誇る
CoPtCr-SiO2垂直磁気記録媒体(粒径約8nm)

超高速ｼﾘﾝﾀﾞ・ｽﾄﾚｰｼﾞ用
超高真空スパッタ装置

500円玉サイズHDD(65ギガバイト)

開発した高Bs-FeCo膜とｻｲﾄﾞｼｰ
ﾙﾄﾞﾖｰｸを用いた高磁界勾配ﾍｯﾄﾞ

次世代超大容量磁気ストレージ
1Tbits/inch2の要素技術の確立

携帯電話に大量のデータを蓄積可能。映像付き留守番電話なども可能。

超高感度再生素子

超小型ストレージ(ユビキタス・ネットワーク対応)
プロトタイピング

超大容量HDDレコーダ（5テラバイト）高密度ｽﾄﾚｰｼﾞ熱緩和特性測定装置

LP (long play) モードで4500時間
ハイビジョン動画で500時間
ﾊｰﾌﾒﾀﾙ酸化物/磁性半導体、プレイナーCPPを用いた
超高感度再生素子(185日分)(20日分)

LPモード：2.5 Mbps
ハイビジョン映像：22 Mbps
超高感度リーダ用超高真空製膜装置

・1・1 Tbits/inch
Tbits/inch22 の超高記録密度実現のための要素技術開発の超高記録密度実現のための要素技術開発（プロジェクトスタート時の70倍。本所が提案した垂直磁気記録方式による実現（プロジェクトスタート時の70倍。本所が提案した垂直磁気記録方式による実現 ））・記録密度500
・記録密度500 Gbits/inch
Gbits/inch22の実証の実証（世界を先導するレベルでの実用化への道を拓く）（世界を先導するレベルでの実用化への道を拓く）

・2・2 Gbpsを超える超高速データ転送レートのための要素技術開発
Gbpsを超える超高速データ転送レートのための要素技術開発（同10倍）（同10倍）

産学官連携体制・東北大学主導の協力体制・技術開発による各社の研究員をIT21センターに派遣した集中研方式を採用
・プロジェクトの成功により小型ストレージの世界市場(現状日本シェア90%)における日本の優位性を確保する。
特に日立製作所、富士通、東芝、富士電機、日立GST、キヤノンとの連携を通し、我が国の国際競争力の強化を図る。
・テラビット垂直磁気記録方式の実用化

トップ５社との産学集中研

文部科学省
委託契約

学内研究者の協力

ナノスピンセンター
施設利用

東北大学電気通信研究所 IT21センター
超高感度
リードヘッドテラビット
媒体

単磁極ライトヘッド

1インチドライブ技術

共同実施協定 ＋ 再委託契約書 ＋ 知財権規定
東芝

富士電機

日立

富士通

日立GST

キヤノン
協定等のみ

文部科学省平成17年度科学技術試験研究(ITプログラム、超小型大容量ハードディスクの開発)

これまでの研究開発成果
要素技術
・ 垂直磁気ディスクとして世界最高の記録密度を達成
・CoPtCr-SiO2垂直磁気ディスクの記録膜で146 Gbits/inch2を達成（平成14年度）
・160 Gbits/inch2級記録密度の実証試験に成功（平成16年度）

開発に成功した
垂直磁気ディスク
（粒径約 8 nm）

・ 400 Gbits/inch2級垂直磁気ディスクと記録ヘッドの仕様決定
・書き込み易く熱減磁しない垂直磁気記録媒体の仕様決定
・サイドシールド型高分解能単磁極ヘッドの設計が終了（平成16年度）

応用システム技術・ 500円玉サイズディスクの超小型HDD（10GB相当）を試作
・垂直磁気記録方式の超小型ドライブとして世界初（平成16年度10月、7GB相当）
・同サイズで世界最高の記録密度（138 Gbits/inch2, 10GB相当 ）を達成
（平成17年3月）

試作に成功した10GB級
超小型垂直磁気HDD

垂直磁気記録プロトドライブのサーボ系信号波形

・ ユビキタス・パーソナル・サーバの試作
・11 Mbpsの無線インターフェースと１インチドライブを組み込んだバッテリ駆動のユビキタス・パーソナル・サーバを試作（平成15年度）
・ハイヴィジョン画像の伝送に成功（平成17年3月）

試作したユビキタス・
パーソナル・サーバ

文部科学省平成17年度科学技術試験研究(ITプログラム、超小型大容量ハードディスクの開発)

システム・ソフトウェア研究部門

次世代情報ストレージ寄附研究分野
教授： 中村 慶久、客員助教授： 鈴木 良夫

研究目的
テラビット級ストレージ実現のための、（１）磁気記録機構の基礎的な解明、（２）新しいアーキテクチャ（パターン媒体、シリンダ・ストレージ等 ）の検討。

Land 幅Bit 長

2.テラビット高速シリンダ・ストレージの研究
将来のストレージには高密度化とともにギガヘルツ級の高速化が必須である。マ
ルチアクセスを効率よく実現するには、半径位置で線速度が変化するディスク媒体よりも、線速度が一定のシリンダ状媒体が装置形態として優れる。また、記録領域を確保した小型化を図ることができるため、携帯用高速ストレージの可能性を有する。
シリンダ状基体を用いた垂直二層膜媒体を試作し、シリンダ状媒体用に開発したヘッドおよび測定装置を用いた記録再生実験を通じ、高速化に関する系統的な解析・システムの開発などを行っている。

中村・鈴木寄附研究分野

基板

1.E+00

SNRsys =29.5dB

Bit Error Rate

1.E-01

単層パターン媒体

1.E-02
二層パターン媒体
1.E-03連続媒体限界jitter/BL>12%

1.E-04パターン媒体が優位
1.E-05な領域 jitter/BL<8%

二層連続媒体1.E-06
00.05

0.1

0.15

0.2

Jitter / (Bit Length)

Fig. 2 パターン媒体と従来媒体の誤り率

回転軸方向速度一定（マルチヘッド化）
高回転速度化・並列転送（高転送ﾚｰﾄ・高速ｱｸｾｽ）

ﾍｯﾄﾞｱｸｾｽは走行方向（ｽｷｭｰ角問題回避）
高面記録密度化

シリンダ状媒体

マルチヘッド（ﾘﾆｱｱｸﾁｭｴｰﾀ）Fig. 3 シリンダ・ストレージの概念

Normalized output voltage

テラビット級磁気ストレージでは、記録情報の熱安定性と、低ノイズ性を両立させるために、パターン媒体を用いることが有望である。
再生信号の計算と信号処理検討より、垂直パターン媒体では、従来の垂直連続媒体と比べて、エラーレートの小さい、より信頼性の高い特性が得られることが明らかになった。

Land長

Fig. 1 パターン媒体

主な研究テーマ
1. パターン媒体の再生波形・信号処理の研究

Land

Track Pitch

Diameter: 25.4 mm
HC= 5.9 kOe
Preload F: 23.5 mN
Write: SPT
Read: GMR (Twr=140 nm, Gs= 55 nm)
10.9
0.8
0.7

Cylinder

0.6

D50

0.5
0.4
0.3
0.2

Read/Write: 9.6 m/s

0.1 (7200 r/min)
00100200

310 kFCI
300400500600

Linear density [kFCI]

Fig. 4 シリンダ・ストレージの記録特性

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