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参考資料1 （PDF形式：834KB
「情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発」 成果報告 平成１９年８月２３日 産業技術総合研究所 目 次 １．背景と概要 ２．研究計画 ３．個別成果とその意義 ４．成果及び達成度 ５．まとめ 1 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 将来の情報通信機器のエネルギー問題 ハードウェア面からの解決 オンＣＰＵ電源 ＣＰＵの高集積、高速、低電圧、不揮発化 ・電源にも高速動作、低電圧大電流仕様が要請され、電力 損失が増大。 ・現行技術とは全く異なった電源構成技術の必要性 ・電源を切ってもデータが消失せず、電源オンで高速に 動作復帰する機能 課題１ ・ＣＰＵと一体化した電源 ・要素技術として、高速低損失スイッチング素子技術、高密度実装 技術と診断法としてのミクロ熱計測技術 低エネルギー消費型デバイス 課題２ ・不揮発ロジック基本回路の設計・試作 ・要素素子として強誘電体ゲートFET 情報処理機器のネットワーク化 ・様々なインフラへの情報処理機器の組み込みと有機的 ネットワーク化の促進 （ユビキタスコンピューティング） ・非公開性が開発効率化を阻害 ソフトウェア面からの解決 省エネ型オープンコンピューター 課題３ ・コンピューターの中身をオープン（オープンソース） ・ユビキタスコンピューティング実現とそのためのソフト開発の効率 化を通した省エネ 期待できる成果 ・情報処理機器の機能向上と省エネルギー政策の両立 ・情報処理機器の心臓部である電源技術、及びオープンコンピューター概念を押さえることで、日本の産業競争力確保。 ① オンCPU高速･大容量電源技術開発 Ron･Cが極めて低いスイッチング素子。超 高密度実装技術。超高速高空間分解能の熱・ 電磁計測技術。チップ積層型パワーモジュー ル等の電源回路構成技術。 ② 低エネルギー消費型デバイス開発 強誘電体ゲートFETの高性能化と微 細化。回路試作のための作製プロセス 開発とその回路応用 ③ 省エネ型コンピューターシステム開発 オープン化のためのハードウェアプラッ トフォーム及びシステムソフト開発。 Linuxの移植や実時間化など基本ソフト ウェア開発。オープンコンピュータ用ネッ トワーク基盤技術開発。オープンコン ピュータの公開普及活動。 情報通信機器の将来情勢 ＣＰＵの高集積化、高速化、低消費電力化に応える 電源の低電圧、高速・大電流化、一体化のトレンド ＣＰＵ自体の低消費電力化 Vdd 静的リーク電流 PMOS ①ゲートリーク電流 ②ソース・ドレイン 間リーク電流 現状・将来の問題とニーズ NMOS 低減の必要性 高速動作・低電圧 大電流仕様が要請 され、電力損失が 増大。 CPUのクロック周波数と 電源のスイッチング周波数の推移 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 近未来の情報処理機器の構成（2012年〜：クロック周波数40〜90GHzの一体化CPU） スイッチング周波数45MHz級、出力電圧0.4V級、出力電流100A級の電源、オープンプラットフォーム、 サブミクロン級集積化不揮発ロジック素子／回路 高速熱・電磁計測 ｱｰｷﾃｸﾁｭｱ 1. オンＣＰＵ高速・大容量電源 パワーＩＣ 集積化実装・部品 Si,GaN,SiC 2.省エネ型コンピューターシステム 3. 低エネルギー消費型デバイス オープンソース 不揮発ロジック メモリ 不揮発メモリ 構成部品の大容量、低消費電力化、一 体化に応える基盤技術 CPUの高集積化、高速化、低電圧化 →大電流化 ＣＰＵ メモリ 外部記憶 データバス、制御バス スイッチング電源 電源ライン 現状の情報処理機器の構成 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 (H16-H18年度) １．オンCPU高速･大容量電源 現在の情報処理機器の構成 ＣＰＵ 電源が別であるために、CPU の高集積化、高速化、低電圧 化に伴う大電流化、熱問題に対 応できない 外部記憶 メモリ スイッチング電源 データバス、制御バス 電源ライン 近未来の情報処理機器の構成 CPU・メモリと電源を一体化し、不 要な電力損失を低減する 電源回路 パワーＩＣ Si-MOS,GaN-HFET 集積化実装部品 必要な技術 ｱｰｷﾃｸﾁｭｱ設計 メモリ 高速 熱・電磁計測 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 (H16-H18年度) ２．低エネルギー消費型デバイス ＣＰＵメモリに電力を送らなくても、ロジックを記憶できる トランジスタの静的リーク電流抑制 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 (H16-H18年度) ３．省エネ型オープンコンピューター 低消費電力ＣＰＵ 実時間Linux オペレーションシステム + すべてオープン化したコンピューター ＝ 簡単に改良可能 ＣＰＵの低消費出力機能をフル活用した組込システム機器を、迅速かつ低コストで開発可能に！ ホーム ネットワーク 家 電車 車 アドホック ネットワーク 駅 駅ナビ オンボード ネットワーク 駅 歩行ナビ 歩行 駅ナビ ビジネス ネットワーク 仕事先 省エネ型携帯電話・情報家電の普及促進 省電力機器の普及により、0.2 W/台 の節電を見込める。 2010年における機器数を 60台/人 とすると 12 W/人、 日本全体（1億人）では 1.2 GW の節電となる。 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 (H16-H18年度) １．社会的要請・ニーズ： 情報通信機器や通信システムの急速な高性能化と普及に伴う消費電力の大幅な増加が懸念されている。特に、半導 体CPUの高温化問題が深刻化しており、低消費エネルギーの設計が必要とされている。更に、「新産業創造戦略2005」における「情報家電」の省エ ネルギー化を推進する技術が必要とされている。 ２．研究開発の概要： 情報通信機器・システムについて、ハードウェアの点から、(1)CPUと一体化した電源の開発、(2) 不揮発ロジックデバイス・ 回路による低エネルギー消費型デバイスの開発（新規課題）、更に、ソフトウェアの面から、(3)省エネ型オープンコンピューターのためのシステム開 発を行い、情報通信分野の発展における省エネルギー化に資する。 ３．効果・波及効果： 本技術開発により、CPU用電源の省エネルギー化、低エネルギー消費型デバイスの実現により、情報処理機器の機能向上 と省エネルギー政策の両立を図ることができる。 ・情報処理機器の心臓部である電源技術、不揮ロジック及びオープンコンピュータ概念を押さえることで日本の産業競争力の向上に資する。 開発のポイント： １．ＣＰＵと一体化した電源（オンＣＰＵ電源）の開発。 ２．不揮発ロジック基本回路等の低エネルギー消費型デバイスの開発 ３．内部開放型コンピュータの開発、ユビキタス･コンピューティング実現とそのためのソフト開発の効率化。 不揮発ロジックデバイス CPUと一体化した電源 電源回路をCPU上に実装することで電力損失を低減 電源を切っても情報を記憶しており、 CPUへの電源供給が不要 強誘電体ゲートに 直接データを記憶！ 電源回路 電源回路 強誘電体 ゲートFET 強誘電体 CPU メモリ 強誘電体ゲートFET 等で、不揮発ロジッ クを実現 ソース領域 ドレイン領域 Si基板 情報通信機器の省エネルギー技術開発 全体計画 研究区分名 エネルギー需給構造高度化技術開発等委託費 研究項目名 平成15年度以前 試験研究所名 独立行政法人 産業技術総合研究所 中項目名 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発 小項目名及び細分 要求様式ー２ 年 度 別 研 究 計 画 書 （平成１９年度） 平成16年度 平成17年度 平成18年度 平成19年度 平成20年度 オンＣＰＵ高速・大容量電源技術開発 オンＣＰＵ高速・大容量電源技術開発 統合化 省エネ型コンピューターシステム開発 省エネ型コンピューターシステム開発 低エネルギー消費型デバイスの研究開発 低エネルギー消費型デバイスの研究開発 所 要 経 費 （千円） 110,444 181,105 181,105 181,238 177,000 情報通信機器の省エネルギー技術ロードマップ H16年度 H17年度 H18年度 横型低損失スイッチング素子 高密度実装（バンプ接合etc.） 局所電磁計測技術 産総研 委託費 省エネ型オープンコアの開発整備 オンCPU電源 プロトタイプ作製 H21〜23年度 統合 最終目標：オンCPU電源・不揮発ロジック 回路基本動作実証（周波数45MHz級、出 力電流10A級及び不揮発staticレジスタ） 統合 不揮発ロジック回路 作製評価 省エネ効率： 115万kL/年(H32年) 203万kL/年(H42年) FeFET100個の電圧閾 パワーエレクトロニクスインバータ 値の標準偏差（対メモリ ウィンドウ）<10% スピントロニクス不揮発性機能技術プロジェクト 目的：省エネルギー型情 報通信機器開発 NTT-ファシリティーズ etc. 民間など の活用 目的：オープンなＩＰコアとソフ トウェア資産の蓄積 企業との 技術交流 NEDOでの実証研究 導入開始（H27） オンCPU電源65M台 不揮発CPU5B個 (H32) オープンコンピューの組合設立・発展 ダイヤモンドデバイス GaNデバイス 戦略マップやNEDOな どロードマップ H24年度以降 GaN-HFETでオン抵抗 0.1mΩcm2以下 サブミクロン・μ秒級分解能の 電磁計測技術 省エネ対応ハードウェア実 省エネルギー高度 CPU基盤技術） プラットフォーム対応 微細化FeFET素子 不揮発ロジック回路設計 関連研究 関連施策 H20年度 H19年度 リコンフィギュラブル機 能の実現 書き換え回数 書込・読出時間10ns ＞１E15 オープンソースソフトウェアの開発・普及支援 普及 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発の成果 (オンCPU 高速･大容量電源） オンCPU高速･大容量電源技術 窒化物半導体横型ヘテロ接合素子 source 必要となる要素技術：目標 gate 素子の耐圧 - オン抵抗の関係 drain 10 2 R on for 4H-SiC limited by R and R n+ Barrier n+ - - - - 2DEG channel n- epilayer Highly resistive buffer Semi-insulating substrate On-Resistance ch • 低オン抵抗スイッチング素子 横型集積可能、ノーマリオフ • 高密度実装･設計 低配線抵抗、低インダクタンス • 高速微小領域熱測定技術 素子の熱分布→熱設計 R DS for Si c 10 1 10 0 R 10 R DS for 4H-SiC 10 -2 1 10 10 10 3 低オン抵抗スイッチング素子技術 ノーマリオフ化の方策 1. p-InGaNキャップ 2. AlGaN/GaN/AlGaNダブルヘテロ構造 1 00 and R 10 4 B ゲート構造微細化 e-beam描画によるT字型ゲート チャネル長2.2μmで0.089mΩcm2 Rsp (mΩ cm2) 10 LT =1.9 L T =0.37 1 0.1 L T =0μm 0 .01 1 10 0.1mΩcm2以下の超低オン抵抗 c R DS for GaN 2 Vlocking Voltage V 低オン抵抗横型AlGaN/GaN ヘテロ接合トランジスタの試作 ch -1 100 p-InGaNキャップAlGaN/GaN HFETのI-V特性 Vth : +0.5V, gm : 120mS/mm 最小ゲート長：40nm 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発の成果 (低エネルギー消費型デバイス） 低エネルギー消費型デバイス 必要となる要素技術：目標 CPU自体の省エネ化解決方法：不揮発ロジック回路で適宜電源オフ • CPU内の一時的記憶回路キャッシュとレジスタを不揮発記憶型に！ • 自己整合ゲート強誘電体FET（FeFET）： • FeFET スケール則に従った微細化のため •動作時の消費電力小：他の不揮発素子より優位 • CMOSと同様の回路構成、膨大なCMOS設計資源活用 • 長期保持特性：実用的には108s • FeFETによる要素論理回路（NOT, NAND, NOR etc.） 自己整合ゲートFeFETの作製と評価 50μm 120μm 33日間データ保持を検証 （世界最高） 情報通信機器の省エネルギー基盤技術研究開発の成果 (省エネ型コンピュータシステム） オープンコンピュータ要素(REX2)の試作 省エネ型コンピュータシステム 必要となる要素技術：目標 • オープンソフトコアプロセッサ • オープンコンピュータ上での実行開発環境 • 高度組込機器開発を通した実証 オープンソフトコアプロセッサと実行開発環境 • 32ビット組込用プロセッサコアを開発 • 開発環境：高速通信ポートやフレームバッファなどの 仮想デバイスを開発、 実時間OS ART-Linuxを移植 ART-Linux 実時間ＯＳ PPP over RocketIO NFS, MPI, 仮想デバイス AISTソフトコア プロセッサ ソフトコア用キャッシュ とフレームバッファ 先進的組込システム 開発環境＝原則オープン REX２ 高速通信機能付 大容量ＦＰＧＡボード 柔軟で強力な 先進的組込機器開発プラ ットフォーム プロセッサを含むハードウ ェアからＯＳ，ミドルウェア まで 完全に中身が見えるので 省エネにも有利！ AISTベンチャーから 市販 高速通信機能をもつ大容量論理 プログラマブルデバイスボード （メモリ2GB、通信帯域36Gbps） REX2に搭載したソフトコア上で ART-Linuxが動作！ 成果及び達成度 個別要素 技術 目標 目標の達成度を測定する指標 及び目標値 AlGaN/GaNへテロ接合FETによるサブミク ・１ミクロン以下のゲート長素子作製 ロン級ゲートプロセスの作製とノーマリオフ ・ノーマリオフ動作実証 動作の実現 成果 ・40nmまでのゲート長作製に成功 ・DH構造及びp-InGaN cap構造でノーマリオフ動作実証 Ron ･ C が 現 行 素 子 （ 2m Ω cm2 程 度 ） の ・オン抵抗0.2mΩcm2 以下のスイッチング ・特性オン抵抗0.089 mΩcm2 を達成 1/10以下のスイッチング素子の実現 素子作製 ①オンCPU 高 速 ･ 大 容 低インダクタンスの超高密度実装技術に ・バンプ接合におけ るバンプピッチ(従来 ・バンプピッチ20μm、ギャップ3μmのフリップチップ接合微細化を実 量 電 源 技 おいて、フリップチップに適用できる、バン 120μm程度)とギャップ(従来80μm程度)を 術開発 プ接合微細化技術の開発 現 1/3以下に微細化し、フリップチップに適用 （バンプピッチ・ギャップ1/3以下） サブミリ秒、サブミクロンの時間/空間分解 ・空間分解能700nmで、測定感度10-5以下 ・１ミリ秒、1ミクロン以下の時間/空間分解 能を持つ高感度温度計測技術の開発 達成 能で、反射率測定感度10 -5以下 ・時間分解能は数ミリ秒達成 （反射率測定感度10-5以下） 長期データ保持特性をもつ自己整合ゲー ・自己整合ゲート強誘電体FETでデータ保 ・自己整合ゲート強誘電体FETを作製し、33日間のデータ保持を実 ②低エネル ト誘電体FETの作製 持時間1ヶ月以上 証 ギー消費型 （データ保持１ヶ月以上） デバイスの ・相補型構成の強誘電体FETによるNOT回 ・相補型強誘電体FETによるNOT回路を作製し、所望の入出力特 研究開発 相補型構成の強誘電体FETによるNOT回 路作製 路作製とその入出力特性の実証 性を実証 ・その入出力特性実証 オープンソフトコアプロセッサの開発とそれ ・インフィニバンドによる36Gbpsの高速通信機能を備えた大容量の ・全ての回路ソース及びOSソースが閲覧 が動作するハードウェアプラットフォームの FPGAボード上で動作するソフトコアプロセッサを開発 可能なプラットフォーム実現 開発 ・ソフトコアを含む全ての回路ソース及びOSソースが閲覧可能 ・ハードウェアがオープンなコンピュータ上で、OSソースコードが ③省エネ型 オープンコンピュータ上でのGNU/Linux及 ・オープンコンピュータ上でのGNU/Linux及 オープンであるGNU/Linux及びそれをベースに実時間機能を強化 コ ン ピ ュ ー び実時間ART-Linuxの実行・開発環境の び実時間ART-Linuxの実行・開発環境の したART-Linuxを動作させ、複数台連結による分散処理システムも 整備 タ ー シ ス テ 整備 構築可能な統合開発環境を実現 ム開発 ・10Gbpsのネットワーク攻撃防御装置、同模擬攻撃装置、スー 高度組込機器開発を通してのオープンコ ・オープンコンピュータ組込機器の機能実 パーハイビジョンのインテリジェント表示装置VMDをオープンコン ンピュータの機能実証及び省エネ効果の 証と従来装置の1/10以下の省エネ効果の ピュータ上で実現 確認 確認 ・従来装置の1/10以下の消費電力を達成 達成度 達成 達成 達成 一部達 成（ほぼ 達成） 達成 達成 達成 達成 達成 情報通信機器の省エネルギー技術研究開発 (H16-H18年度) H16年度 H17年度 H18年度 横型低損失スイッチング素子 高密度実装（バンプ接合etc.） 局所電磁計測技術 産総研 委託費 省エネ型オープンコアの開発整備 H20年度 H19年度 H21〜23年度 10A級スイッチング レギュレータ NEDO省エネ先導研究 情報通信機器用低損失電源 総務省戦略的情報通信研究開発 超高速ネットワークに対応した悪意ある通信の遮断技術の研究開発 NEDO省エネ先導研究 微細化FeFET素子 不揮発ロジック回路設計 低消費電力プロセッサのための不揮発論理回路基盤技術 関連研究 関連施策 パワーエレクトロニクスインバータ スピントロニクス不揮発性機能技術プロジェクト 目的：オープンなＩＰコアとソフ トウェア資産の蓄積 導入開始（H27） 企業との 技術交流 NEDOでの実証研究 オンCPU電源65M台 不揮発CPU5B個 (H32) オープンコンピューの組合設立・発展 ダイヤモンドデバイス GaNデバイス 戦略マップやNEDOな どロードマップ サイバーアタック 撃退フィルタ 不揮発性フリップ フロップ回路 目的：省エネルギー型情 報通信機器開発 民間など の活用 H24年度以降 リコンフィギュラブル機 能の実現 書き換え回数 書込・読出時間10ns ＞１E15 オープンソースソフトウェアの開発・普及支援 普及 成果発表 論文 口頭発表 特許出願 その他 （プレス他） 1. オンCPU高速･大容 量電源 ６ ２６ １１ ー 2. 低エネルギー消費 型デバイス ５ ６ ２ ー 3. 省エネ型コンピュー タシステム ３ １９ ４ ５ 計 １４ ５１ １７ ５ まとめ ◆ 情報通信機器の省エネルギー基盤技術の要素技術として、ハ ードウェアとしてのオンCPU電源基盤技術、不揮発性ロジックデ バイス･回路基盤技術、及びソフトウェアとしてのオープンコンピ ュータプラットフォーム及びその開発動作環境の開発を進め、各 要素技術とも計画に基づいて順調な成果を生み出した。 ◆ 今までの成果を引き継ぎ、２サブテーマは情報通信機器の省エ ネルギー基盤技術として、NEDOエネルギー有効利用基盤技術 先導研究課題に、１サブテーマは総務省の戦略的情報通信研 究開発推進制度（SCOPE）のICTイノベーション促進型研究開発 課題に展開される。 情報通信機器の省エネルギー 基盤技術研究開発（プロジェクト） プロジェクトの成果目標 ①オンCPU 高速･大容 量電源技術 開発 AlGaN/GaNへテロ接合FETでサブミクロ ン級ゲートプロセスとノーマリオフ動作 Ron･Cが現行素子（2mΩcm2 程度）の 1/10以下のスイッチング素子 超高密度実装技術でワイヤボンディン グの1/10のインダクタンス サブミリ秒サブミクロンの時間/空間分解 能を持つ高感度温度計測技術 低損失スイッチング デバイス開発 小型組込電源 スイッチング電源 ＡCアダプタ 汎用インバータ （電機メーカー） 局所温度計測技術 オンCPU電源 スイッチング電源開発 （電源メーカー） 情報通信機器 電源の省エネ オンCPU電源 サーバー ルータ 局所温度計測機器 開発 （計測器メーカー） 電源回路 ②低エネル ギー消費型 デバイスの 研究開発 電源回路 エネルギー有効利用 基盤技術先導研究 長期データ保持特性をもつ自己整合ゲー ト強誘電体FETの作製 相補型構成の強誘電体FETによるNOT回 路作製 （NEDO事業） （AIST･企業共同研究） 高性能不揮発ロジック 開発 （電機メーカー） メモリ （パソコンメーカー） P-channel FeFET Vin ＰＣ N-channel FeFET 不揮発性ロジック 回路実用化 オープンコンピュータ 開発環実現 オープンコンピュータ上でのGNU/Linux 及び実時間ART- Linuxの実行・開発環 境の整備 ③省エネ型 コンピュー ターシステ ム開発 ２０２０年：７０１万ｋl/y ２０３０年：１１５１万ｋl/y NEDOプロジェクト ・情報通信機器用低 損失電源 ・低消費電力プロ セッサのための不 揮発論理回路基盤 技術 総務省プロジェクト ・超高速ネットワーク に対応した悪意ある 通信の遮断技術の 研究開発 Vout インスタント-オン モバイルパソコン 実用化 オープンソフトコアプロセッサの開発とそ れが動作するハードウェアプラット フォームの提供 情報通信機 器の利便性を 損なうことなく、 省エネルギー 要請に対応で きる社会イン フラ構築 情報通信機器や通信シ ステムの急速な高性能 化と普及に伴う消費電 力の大幅な増加に対応 して、これに対処できる 省エネルギー技術 間接 アウトカム 直接アウトカム （直接カスタマー） 将来像 プロジェクトの目的 目的達成までのシナリオ ハードウェア とソフトウェア の両面からの アプローチ プログラムの目的 （省エネルギー技術 開発プログラム） エネルギー資源の約 ８割を海外に依存す る我が国にとって、こ れを効率的に利用す ること、即ち、「省エネ ルギー」を図ることは 、エネルギー政策上 の重要な課題である 。このため、更なる省 エネルギー技術の開 発・導入を進め、もっ て我が国におけるエ ネルギーの安定供給 の確保を図る。 波及効果 （ソフトハウス、電機 メーカー） モバイル機器 ① 省エネルギーデバイス技術、次世代高パ ワー密度分散電源 高度組込機器実用化 高度組込機器開発を通してのオープン コンピュータの機能実証及び省エネ技 術などの蓄積 （電機メーカー） オープンな高度組込機 器開発環境 ②新材料によるエレクトロニクス革新 ③ソフトウェア開発の効率化とそれによる 省エネ実現 ④個々の応用に特化した大幅な省エネ