「東京大学VDEC20周年記念会」

ＶＤＥＣ利用者からの成功事例報告「アナログ・ミックストシグナル設計」
川人 祥二
静岡大学 電子工学研究所㈱ブルックマン テクノロジ

LSI設計の研究の契機
修士課程の研究(1984)

・豊橋技術科学大学のクリーンルームでCMOS LSI製造工程確立
・日本の大学で初めて作られたＬＳＩ(Tr.数：約2000, 5umルール)
・心電図解析用ディジタルフィルタ
・指導：中村哲郎先生、石田誠先生

博士課程の研究(1987)

・電流モードで動作する
32b x 32b 並列乗算器（世界初の多値論理LSI）(Tr.数：約20,000, 2umルール)
・東北大学、パナソニック共同
・指導：樋口龍雄先生、亀山充隆先生

画像圧縮CMOSイメージセンサ
ＩＳＳＣＣ ’97, JSSC’97
・ Double-poly triple-metal
20.35mm CMOS (5.4 x 4.3 mm )・豊橋技術科学大学とパナソニック（当時、松下電器）の共同研究
・当時、パナソニックの研究開発センター部長の松澤昭先生（現在、東工大教授）のご配慮により、共同研究成立、最先端工程で試作

 「大学でのＬＳＩ設計の研究育てる」。
 アナログ回路設計の神髄を学ぶ。

自己紹介(静岡大学のTV研究との関係)
1926 高柳健次郎先生が、世界で初めて、ブラウン管に、映像を表示 (“イ”の字)1965 静岡大学に、電子工学研究所が設立される(1981年 文化勲章受章時)

高柳健次郎先生1999 静岡大学・電研に赴任。イメージセンサの研究重点化。
文部科学省 知的クラスター
2002～2011 創成事業 にて、広ダイナミック
レンジイメージセンサ等開発

Wide DRCISHigh Speed
Low NoiseCIS

2006 株式会社ブルックマン テクノロジを浜松に設立
2011 - 超高感度広ダイナミックレンジイメージセンサ等を製品化

4ベンチャー企業㈱；ブルックマン テクノロジ

高感度・広DR
イメージセンサ• 2006年2月設立（第1期知的クラスター創成事業による成果を活用して起業）• 高性能イメージセンサ設計技術（A/D変換器等）を活用して、デザインハウスとして出発
高速・低ノイズ• 2010年度から、ファブレスベンチャーとしてイメージセンサ自社製品開発を開始。2012年サンプル出荷。
• 静岡大学から関連特許ライセンス（包括契約）• 社員等約20名、年商>５億円（２０１５年度）

5

CMOSイメージセンサの ３大構成要素画素(ピクセル)
デバイス技術・新機能
列並列AD変換
低ノイズ回路技術

画像信号処理新機能回路
6

CMOS Image Sensor (CIS)

7= Pixel Devices + Column Readout Circuits (ADC)PIXEL

CIS＝デジタルセンサ

ADC

列並列A/D変換
シングルスロープ (Sony等)

VinGateClockVRAMP

Count- 回路が簡単 ～微細画素に適する(1.12mm 画素)- 高速と高分解能が両立にくい。
ｎビットA/D変換 ２n回カウント

サイクリック型(Shizuoka Univ./Brookman Tech.)- 回路がやや複雑 ～比較的大きな画素(2.8mm～画素)- 高速と高分解能の両立が可能。
ｎビットA/D変換 n-1回クロック(例えば)・12b ADC (14b ADC) :- シングルスロープ：4096 (16384)クロック- サイクリック:11 (13) クロック8

Hyper-bit CMOS (HbCMOS®) Technology～静大/BT社オリジナル巡回型ADCを基本要素とした高速・高分解能カラムADC技術の総称

•
•••
•
•

電荷再利用サイクリックADC(初の12bカラムADC): ISSCC 2005
ディジタル誤差補正技術(初の14bカラムADC): ISSCC2008
小面積シングルエンド型サイクリックADC(13b,上図): ISSCC2009
低ノイズ(<1e-)・高階調(>18b)積分型サイクリックADC: ISSCC2011
2段パイプラインサイクリックADC: ISSCC 2012
3段パイプラインサイクリック+SAR ADC: ISSCC 20169

超高感度・広ＤＲイメージセンサ
M. W. Seo, et al., ISSCC’11• 新ディジタル撮像技術（折返し積分/巡回型ADC）により、超高感度（1e-)と高ＤＲ(>85dB), 高階調(18b)を同時実現。
• 電源３Ｖ, 非冷却可能。
折返し積分/巡回型ADC
従来

fcyclic

17b線形性fintegCount

0 12 3 414

スーパーハイビジョン用
超高精細高速度撮像素子
Direction ofmovement

Direction ofmovement

60 Hz

120 HzT. Watabe, et al., ISSCC’12
・ハイビジョン用撮像素子(33M)で最高速度となる120fpsでの撮像・新方式A/D変換技術により、従来の高精細高速度撮像素子(18M,120fps,3W)に比べて、消費電力を大幅低減(33M, 120fps, 2.5W)

Capture the moment “Clearly” and “Sharply”

2000fps 13.Mpixel 12b CIS
New Low-Noise
Global Shutter Pixel

An example of High Speed Image
BT130A (Low Noise Global Shutter )K. Yasutomi et al., ISSCC 2010,

知的クラスタ事業で基礎開発
JST, A-STEP(H21-H23年度)で、高速度イメージセンサとして製品開発

ブルックマン テクノロジにてサンプル出荷開始(H24年度)- 1.3M(1280x1024)画素- 最高 2000fps- ノイズ 7電子
(330k画素, 8000fpsも同時開発)

ラテラル電界制御電荷変調素子(LEFM)～第三の単一電子高速輸送制御原理～

DVp

S. Kawahito, et al. IISW 2013

DVp

基本構造の研究～科研費、基盤研究(S)で実施(H25～H29)

No.15光電荷変調素子LEFMを用いたTOF(time of flight)距離画像センサ
Intensity image

Range resolution @1.3m
0.5cm (w/o BG)
1.5cm (w/ BG 4000lx)
16Han et al., ISSCC2014

世界初のサブミリメータ
分解能半導体ToFセンサ!
K. Yasutomi et al., ISSCC’14
測定対象光飛行時間(ToF)法をもちいた半導体(CMOS)センサで、初めてサブミリ(σ=0.3mm)を実現。
17蛍光寿命イメージセンサ
M. W. Seo et al., ISSCC’15N0Excitation

Inv. tree & LEFM driverEm.(Fluorescence)
N(t)=N1exp(-t/t)

N1V. scanner

Intensity N(t)Typical FLIM
image of a cell

Effective
pixel array:

Test
Pixels256(H) X 512(V)Inv. tree & LEFM driver

N1/e0tTime (t)Column-parallel
FI/cyclic ADCs
Logic block & H. scanner
Output buffers (LVDS)ISSCCで発表したイメージセンサ等の論文
Wave-parallel
Computing(1994)

Imagerwith 14bADC(2008)

ImageCompressionsensor（1997）

Low-noise
13b ADC(2009)

2D Fluxgate
Mag. Sensor（1999）

Low-Power
ADC(2002)

High-Sens.
Imager with
AdaptiveAmp.
（2003）

Spatial
OpticalCom.
(2010)

High-Sens.
Wide DR(2011)

33M, 120fps
SHV Imager(2012)

Low-noise
GlobalShutter(2010)

Rank
Sub-mm TOF
Range Imager(2013)FLIMImager(2015)

Ultra-FastImager(2015)

Wide DR
Image
Sensor（2005)

Magnetic
RotaryEncoder(2005)TOF Range
Imager(2013)# ofResearcher
papers1
13 S. Kawahito

Shizuoka Univ. (Japan)

2
3

TU Delft (Holland)
FBK (Italy)

7 E. CharbonD. Stoppa

Organization

6 E. Yoon
Univ. Michigan (USA)
過去15年間のイメージセンサ発表
5 論文数
5 A. El
GamalStanford
Univ. (USA)(2001-2015):13件
433M, 240fps
Imager(2016)FLIM(2017)

HSC(2017)

総数20編（うちCIS16編）

6A. Theuwissen
4 R.Henderson

TU Delft (Holland)

78

イメージセンサに限れば、第1位
Y. OikeSony (Japan)

Univ. Edinburgh (UK)93 K. Asada, M. Ikeda Univ. Tokyo (Japan)
S. SugawaTohoku Univ. (Japan)
C. Posch
AIT (Austria)

VDECの利用• 研究室に配属された、新4年生等へのLSI設計の導入プログラム（VDECツール使用）• センサ、基本アナログ、ミックストシグナル回路の設計と試作（基礎研究）。 基礎的な研究の成果を発表する学会にて成果発表。(試作サービスとVDECツール使用)• 試作のための専用Fabが必要な大規模ＣＩＳチップの基礎研究プロジェクト。(VDECツール使用）

イメージングデバイス研究室(Imaging Devices Laboratory)

オリエンテーション＆研究計画2016
2016年5月12日

CAD(EDA)ツールの使用方法について
本研究室で利用可能なCADツールには、２種類のライセンス形態がある。
(A)正規料金で購入し、導入したツール(B)VDEC（東京大学大規模集積システム研究教育センター）に導入され、これをネットワーク経由で使用するツール(アカデミックライセンス)
VDECライセンスを使用した研究発表、論文は謝辞を必ず入れる。
(C)研究室が直接VDECベンダーと契約して購入したアカデミックライセンスツール(B),(C)については、教育機関に所属する、教官または学生のみが使用でき、その使用目的も、学生の教育と学術研究のみに限られている。
本研究室では、民間企業との共同研究も行われているが、アカデミックライセンスの使用方法として許される範囲を越えて使用することがないよう、ツールの使用方法については細心の注意を払い、以下のように規定する。
•民間企業から派遣されている研究者は、(A)のみを使用する。
•民間企業との共同研究テーマに関係したチップ試作に関わるものを設計する
場合は、原則として(A)のみを使用する。
•新人のCADの演習、自己の設計技術力の向上、純粋に学術的研究と考えられるテーマの場合、または自己の興味に基づく研究の目的の場合(B)(C)を使用して良い。
•判断に迷ったら、指導教員に相談する。
なお、アカデミックライセンスに対する規定に違反した場合、特に、VDECのツールに関して問題が生じると、全国の大学に迷惑をかける。各位の注意をお願いしたい。

まとめ(ＶＤＥＣ利用者からみたＶＤＥＣのこれまでの貢献と今後への期待)
1. ＶＤＥＣによって、ＬＳＩ設計の研究が、大学等におけるアカデミックな研究の一分野として“市民権？“を得た。
2. VDECによって、日本の大学がISSCCを初めとするＬＳＩ設計の世界的学会で、活躍する土台ができた。世界で闘える若手のリーダが生まれた。
3. ＶＤＥＣによって、日本から半導体ベンチャーを生み出す土壌が形成された。
4. VDECは、日本の半導体産業の躍進のシンボルである。
ＶＤＥＣがリードする姿を、全国の大学、企業に見せ続けなければならない。

謝辞• ＶＤＥＣ設立、運営に貢献された浅田邦博先生、池田誠先生（東京大学VDEC)を始めとするご関係するすべての大学の先生方、文部科学省、企業の皆様に深く御礼申し上げます。
• ＬＳＩ・センサの研究について、ご指導いただいた、豊橋技術科学大学、故中村哲郎先生、石田誠先生、東北大学、樋口龍雄先生、亀山充隆先生、故大見忠弘先生、江刺正喜先生に感謝いたします。
• ＩＳＳＣＣ等での発表論文は、ＬＳＩチップの設計を実際に担当された研究室の学生や研究者、共同研究企業の研究者の皆様の熱意のたまものです。その熱意と努力に敬意を表し、御礼申し上げます。
• 共同研究者の静岡大学、安富啓太先生、徐珉雄先生、香川景一郎先生、寺西信一先生、袴田正志先生に感謝いたします。
• 本研究の成果は、以下の研究助成・共同研究等によるものです。
 MEXT知的クラスター創成事業（’02-’11), NEDO(‘02-05), JST A-STEP (’09’11), AMED 産学共創(’12-’17), COI STREAM(’13-), JSPS 科研費, 特定領域(‘01-’02), 基盤(A)(‘04-06, ‘07-09), 基盤(S)(’13-), 新学術(‘13-), 東北大学電気通信研究所, NHK放送技術研究所, STARC, パナソニック㈱, ソニー㈱, ヤマハ㈱, シャープ㈱, ㈱ 豊田中央研究所, NTN㈱, アズビル㈱.