我々のゴール

東北⼤学フォーラム2023in東京

⼈材育成各機能の⼀体運営による共鳴場の構築
国際産学共創コンソーシアム

スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献

研究

２０２３年７⽉１５⽇

⼤学の機能拡張と⼈材育成の⾼度化

産学共創＜ CIESの活動領域︓半導体・集積回路・そのシステム ＞◆カーボンニュートラル実現に⼤きく貢献

国⽴⼤学法⼈東北⼤学
国際集積エレクトロニクス研究開発センター
⼯学研究科、電気通信研究所
スピントロニクス融合半導体創出拠点

CO2削減効果︓全産業領域の約２１％◆社会変⾰（デジタルシフト、Society5.0等）を先導
IoT、AI、5G/6G、⾃動運転、セキュリティ等の基盤技術

遠藤 哲郎◆経済安全保障に不可⽋⽶中対⽴等︓システム覇権を⽬指して、半導体・集積回路の輸出⼊規制
1

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

カーボンニュートラル達成における半導体・集積回路の貢献

2

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

AI・ビッグデータ等の新市場による必要情報処理・データ量の急増
Chat-GPT等の⽣成系AI新市場2010年〜必要情報処理能⼒︓１０倍/年に急増
AI・ビッグデータ等の新市場により、世界中でデータセンターの建設ラッシュ︕

必要情報処理・データ量の急増
vs.
カーボンニュートラルの達成？
？

⾰新的技術とデジタルシフト等の社会変⾰が必要◆1950年代〜2010年の必要情報処理能⼒︓２倍/２年

カーボンニュートラルの達成には、CO2排出抑制貢献⽐率で２０％以上を占める半導体・集積回路の低消費電⼒化が必要
3

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

https://ark-invest.com/analyst-research/ai-training/
T. Endoh, “3D integration of memories including heterogeneous integration”,VLSI-TSA 2021

4

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

社会課題︓⾼度情報化社会とカーボンニュートラルとの両⽴
新たなゲームチェンジ技術が必要

半導体・エレクトロニクス市場のゲームチェンジの原動⼒:省電⼒化（出典︓⽇経エレクトロニクス 2020年6⽉）

サーバやAIプロセッサーの消費電⼒も急上昇

スマホの電池が直ぐに無くなる

社会ニーズ
半導体の消費電⼒を1/100に下げたい︕
ストレージメモリ
メインメモリ：NANDメモリ：DRAM（揮発性メモリ） （不揮発性メモリ）

ロボットも直ぐに電池切れ
東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

6

記憶情報＝電子の電荷

記憶情報＝電子のスピンの向き（スピントロニクス）＋＋－ －電源を切るとデータが消える（揮発性）
低消費電力化・大容量化の限界“0”=0.75 mm

磁気トンネル接合素子：MTJ*(*Magnetic Tunnel Junction)
平行WL

電源を切ってもデータ保持 (磁⽯の向き:N極・S極は保持)

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

2.9GHz (350ps)
Write operation
＠ IEDM 2019

反平行SL

新動作原理のスピントロニクス半導体による省電⼒プロセッサ・メモリを実現◆スピントロニクス/CMOS融合技術のコンセプト︓
論理演算・情報制御はCMOSが担い、データの記憶をスピントロニクスが担う。
7

9.57 mm

4.7 mm

CIES Confidential

1-99.9%0.001

CMOS-based Spintronics

1-99.9%0.001

CMOS-based Spintronics1-97%

0.03

CMOS-based Spintronics

Power Consumption

STT-MRAMBLSOT-MRAM

0.3 mmPower Consumption/Processing speed

DRAMの例or2020 IEEE Symposium on VLSI Circuit

STT-MRAM

4.7 mm“1”=

IEEE IEDM 2018

FPGA MPU

7.79 mm

スピントロニクス半導体

IEEE ISSCC 2019

AI Chip

0.9 mm

従来の半導体Jpn. J. Appl.Phys. 2016

0.55 mm

大野英男総長スピントロニクスの世界を代表する研究者“1”＝電荷有“0”＝電荷無CIES Confidential

スピントロニクス省電⼒半導体技術によるメモリからロジックLSIの低消費電⼒化の実証@ 東北⼤学

ゲームチェンジ技術である
スピントロニクス省電⼒半導体

Power Consumption

5

技術の限界︓システムからの発熱量 ＞ 放熱性能
⇒ 省電⼒化が、研究フェーズから実⽤化への原動⼒

燃費の低下

Power Consumption/Processing speed

ロジック
：MPU

1-99%

0.01

CMOS-based Spintronics

ロジックLSIの消費電⼒を1/100にできる技術は、スピントロニクス半導体技術のみ⇒消費電⼒が実⽤化の壁となっているAIプロセッサやＩｏＴデバイス分野における圧倒的な差別化技術
8

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

エナジーハーベスティングで駆動する
IoTマイコンの開発に成功＠東北⼤学

スピントロ⼆クス省電⼒半導体技術の優位性と価値
1/100～（データ保持に電力不要） 1/1,000（稼働時のみ電力消費）

小面積（低コスト）

高速動作（性能向上）
9 Google Tensorに比べ1/1,000実現
 47uWマイコン
試作

1000000
ハーベスティング電⼒[μW/cm2 または μW/cm3]

低消費電力

リーク電流（SRAM)

1/5～ 1/10
MRAM100万倍vs.
NANDメモリ

CPU100000

指先からのエネルギーで指紋認証するICカード

ｲﾝﾀﾞｽﾄﾘｱﾙ
1-10 mW/cm2

10000～kHｚ機械

1000

CIES Confidential

消費電⼒を1/2000に削減できる
画像認識向けAIプロセッサーの開発に成功@ 東北⼤学

~800 μW/cm3

屋内
100 μW/cm2

100

エナジーハーベスティング供給電力

⼈体 60 μW/cm2

10～Hz-人体~4 μW/cm2

1

光新コンピュータ
ア ーキテ クチャ

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

内閣府ImPACT
大野分科会で開発した
スピントロニクス 不揮発性マイコン

屋外
100 mW/cm2

FPGA等

不揮発性

指先からの体温や,モータの排熱など、その場にあるエナジーハーベスト電⼒で稼働する軽いＡＩハード(ICカード,ICタグシステム,センサーノード等）への道を拓く。
⇒電源インフラ(電⼒供給,電源ライン)に強い制限を有するフィジカル空間に⼤きな市場。

熱エネルギー源

47 μW
開発したスピントロニクス
不揮発性マイコン

振動M. Natsui, …, T. Endoh, T.Hanyu, ISSCC2019

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

10

CIES Confidential

宇宙空間等の耐環境空間へのIT技術の拡張を可能にする
スピントロニクス省電⼒半導体技術@ 東北⼤学 & JAXA
宇宙空間〜地上

スピントロニクスによる新AI半導体技術で⾰新的なAIチップの開発に成功⇒既存のAIチップと⽐較して、同⼀演算性能で３桁の低消費電⼒化を実証

銀河宇宙線

太陽⾵

未踏空間（地底・海底）SpaceX

ヴァン・アレン帯

コアサイズ

0.3mm x 0.9mm

周波数20 MHz

供給電圧

0.9 V

平均動作電⼒600 μW(30μW/MHz)

スループット(cycles/vector)

16

太陽フ レア中性⼦

スピントロニクス半導体による超省電⼒耐環境システム
既存の半導体技術の課題
１

T. EndohMMM2016, T. EndohSEMICON China2017@ Tohoku Univ.

テンソル・プロセッシング・ユニット(TPU) 1/2000

２(40〜57mW/MHz)３

 プロセス: 28 nm CMOS
 周波数: 700 MHz
 動作電⼒: 28〜40W

＠Google©JAXA

放射線耐性 [MeV･cm 2/mg]

90nm-CMOS/70nm-MTJ

放射線耐性を2桁向上。

素⼦⼨法 [nm]https://pc-farm.co.jp/pc_column/trend/3639/

11

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

従来

⼿のひらにエッジＡＩ

プロセス

12

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidentialスピントロニクス省電⼒半導体（メモリ・プロセッサ）によるNTT IOWN構想・グリーンデータセンターへの貢献

スピントロニクス省電⼒半導体を活⽤した製品事例

MRAMがついに表舞台︕︕
ソニー&Huawei

Ambiq MicroCortex-M33ベースのIoT端末向 ソニー:GNSS向けSoC
けテストチップに、今後はMRAMを『CXD5605』に採⽤⽤いることを発表＠サンプルチップ Huawei:スマートウォッチ
名︓「Musca-S1」「GT2」に搭載「Apollo4」と「Apollo4Blue」を発表
MRAM採⽤により、動作時消費電流を半減

Arm

東北⼤学
IOWN Global Forumのアカデミックメンバー

スピントロニクス半導体による、新しい光電融合システムを⽀える
省電⼒⾼速不揮発メモリ
省電⼒プロセッサ・アクセラレータなどへの貢献

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

13CIES Confidential

⽂部科学省「次世代X-nics半導体創⽣拠点形成事業」
スピントロニクス融合半導体創出拠点（拠点⻑︓遠藤 哲郎）
 我が国が先導してきた集積回路の省電⼒化のゲームチェンジ技術であるスピントロニクスを中核に据え、新材料・素⼦の研究開発とその特性を引き出す回路・アーキテクチャ・集積化技術の研究開発を推進し、CMOS半導体の発展を加速させる動く省電⼒半導体チップに向けたプロトタイプ検証までを、連携・協⼒機関と共に総合的に展開する。
 スピントロニクス融合半導体研究の展開の中で、光・ニューロ・トポロジーとエレクトロニクスの融合領域や、医療・宇宙・情報セキュリ
ティ等の新応⽤を開拓して新学理と情報社会の変⾰までを先導し、我が国の半導体に係る研究開発⼒の向上に寄与する。
 本拠点に若⼿研究者や学⽣も積極的かつ戦略的に参画させて、実践⼒と俯瞰⼒を持った⼈材を育成する。
＜研究開発戦略＞＜研究開発の⽅向性＞＜⼈材育成戦略＞
社会・産業ニーズを踏まえた研究領域の策定「スピントロニクス半導体材料×素⼦・回路・システム領域」
動く半導体チップに向けたプロトタイプ検証
プロセス・インテグレーション

拠点
東北⼤学

新学理

波及効果・新応⽤

スピンxフォトニクス
スピンxニューロモルフィクス
スピンxトポトロニクス

医療、宇宙、情報セキュリティ等

材料・素⼦

物性・材料
素⼦

スピントロニクス省電⼒半導体開発拠点★設計・材料・デバイス・チップ実証・システム化までを⼀貫して開発★開発実証による世界を先導する省電⼒技術の創出
スピントロニクスロジック半導体とその応⽤システム開発で世界を先導
スピントロニクスロジック半導体開発における世界で唯⼀の300mm対応R＆D施設

知識の幅広さ

我が国が先導する
ゲームチェンジング技術

スピントロニクス融合半導体

より広く

深

深

拠点の内外との連携の下で、半導体集積回路の⾰新的省電⼒化を⽬指す

より広く＜連携機関＞

設計の⾰新

TIA/ファンドリとの連携

材料・製造技術の⾰新

評価技術の⾰新

システムの⾰新

スピントロニクス
省電⼒半導体設計

CMOS製造

スピントロニクス
材料・デバイス製造

スピントロニクス
省電⼒半導体チップ実証

スピントロニクス
省電⼒半導体を活⽤するシステム開発更なる⾰新をもたらす

10機関

連携

＜協⼒機関＞

社会実装による産業競争⼒強化への貢献

23機関

15

ロジック半導体の消費電⼒を1/100にプロセス・「動く」インテグ
チップ
回路・実装・システム
アーキテクチャ・ソフト技術新機能・新概念・新応⽤

CIES Confidential

OJT研究開発による半導体集積回路の技術バリューチェーン全体を俯瞰できる⼈材

回路・アーキテクチャ(2端⼦・3端⼦素⼦)

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

14

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
15
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

16【東北⼤学発ベンチャー】

半導体製造プロセス・部素材・イメージセンサ開発実証拠点
MEMS設計・プロセス開発実証拠点

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential最近のパワースピン㈱の報道事例

パワースピン㈱ 東北⼤学発ベンチャー
日経新聞
2022年１月３１日

⾰新的技術で、消費電⼒と演算性能のジレンマを解決していきます。

強力な連携
仙台本社＠東北⼤学キャンパス内

17

Design, Evaluation,Scientific Analysis,Trial Production,
Consulting

Customers
事業化の加速日経産業新聞 2022年10月31日

横浜事業所＠クイーンズスクエア横浜A棟

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

メタバース・エッジコンピューティングの実現
省電⼒半導体(プロセッサ、メモリ、パワエレ等)がキーテクノロジー
出典︓第⼀⽣命経済研究所

出典︓NTT18

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

ゲームチェンジ技術であるスピントロニクス省電⼒半導体が切り拓く未来

カーボンニュートラル（省電⼒化）と⾼度情報化社会(AI、ビックデータ、DX、耐環境等)のジレンマを解決!
クラウド・データセンター

出典︓トヨタ⾃動⾞

出典︓エレコム

出典︓トヨタ⾃動⾞19

CIES Confidential

社会インフラシステム

出典︓NEC

出典︓NTT

⾃動運⾏システム

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential

20

メタバース・AI

エッジ端末

出典︓エレコム

耐環境(宇宙・成層圏)次世代通信システム

出典︓第⼀⽣命経済研究所

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

出典︓NTT

CIES Confidential

産と学の⼒＆理⼯学と社会科学の⼒を結集し、⾰新的コア技術群と⾼度⼈材を創出してまいります。
そして、学術の発展と⾼度⼈材育成を産業界による本格的研究開発につなげ、我が国の産業競争⼒強化とイノベーション創出に貢献して参ります。
今後とも、⾼所⼤所より、ご⽀援・ご指導のほど、よろしくお願いいたします。

21

東北⼤学フォーラム2023in東京 2023年7⽉15⽇ 東北⼤学 遠藤哲郎
「スピントロニクス省電⼒半導体によるゲームチェンジと、カーボンニュートラルへの貢献」

CIES Confidential