カーエレクトロニクスの進化と未来 (2) 最先端65nm技術を使ったルネサスの車載半導体から見える自動車の近未来

　

　ルネサス テクノロジが8月末に発表した、カーナビゲーション向けマルチコアプロセッサは65nmという最先端のプロセス技術を使っている。これまでのカーエレクトロニクスでは最先端のプロセス技術で作られた半導体ICはほとんどなかった。自動車は高い信頼性を要求するため、枯れた技術を使うことが多い。特に、エンジン回りでは最先端の微細なチップは今でもほとんど使われていない。

　今回の65nmプロセス採用プロセッサは、カーナビという命に係るわけではない応用にまず入り込んできた。カーナビが使われる環境は真夏の室内温度に耐えるようなICでなくてはならない。クルマ応用では命にかかわるミッションクリティカルな機器では、冗長構成をとることが多い。全く同じシステムを一つのECU(電子制御ユニット)の中に搭載し、一方が故障してももう一方が正常に動いているという状態を作り出す。こういった冗長構成システムは銀行業務や鉄道業務などミッションクリティカルなコンピュータシステムではよく使われている。コストダウンが要求されるカーエレクトロニクスの世界でも当面は冗長構成で、安全が確認されたらシングル構成に設計変更するということも行われている。

　カーエレクトロニクスの世界でも最先端の半導体技術を使う時代になってきた。用途はカーナビゲーションだが、ここに最先端の技術を採用したデュアルコアプロセッサ「SH7786」をルネサスが10月からサンプル出荷する。最先端技術には65nmプロセスだけではなく、対称型・非対称型の両方に対応するマルチコアアーキテクチャや、最高速のDDR3のDRAMインタフェース、PCI Expressバスインタフェースも含んでいる。

　今回ルネサスが発表した最先端プロセス採用のデュアルコアプロセッサはエンジンルームではなく室内近くに設置され、しかも命にかかわらない用途で使われるため、65nmという最先端のプロセスが使われた。ただし、このプロセッサは後述するかなりの高機能を含むため、カーナビというよりカーコンピュータの頭脳と位置づけられる。

　ルネサスはこの最先端デュアルコアプロセッサだけではなく、同じ車載用途でもこれほどの高性能を必要としないボディ系には16ビットのR8Cフラッシュマイコンで対応する。車載センサは取り扱わないが、センサからのインタフェースやA/DもしくはD/Aコンバータなどのミクストシグナル回路などはマイコンやSoCに取り込み、ソフトウェアも含めて車載のシステムソリューションとして顧客の開発システムをサポートする考えだ。これにより、車載用半導体で現在世界市場シェア4位からさらに上を目指す。

　「SH7786」の発表会に登壇したルネサス テクノロジ 業務執行役員マイコン統括本部副本部長 三木務氏

　今回、発表されたSH7786は、ハイエンドのカーナビ用デュアルコアプロセッサであって、カーナビで地上デジタル放送や携帯音楽プレーヤ、CD/DVD、SDカード音楽・映像再生といったマルチメディア機能だけではなく、ETC(自動電子課金システム)やBluetooth、これからのWiMAX(無線LANのデータレートを維持したままカバー範囲を数kmまで広げる新しい通信方式)などとの接続性、さらにはパーキングアシスト情報やカメラの死角改善、画像認識などの運転支援機能などにも使える。

　すなわちこれからのカーナビはナビゲーション専用というよりカーコンピュータに近づいていく。マルチコアを使い、カーコンピュータの処理能力を高めることは、より安全なクルマを指向する使われ方になる。例えば、WiMAXを利用し、渋滞情報や故障車情報、緊急車両接近情報、路面情報などに関する映像を道路から走行中のクルマにリアルタイムで送ることができる。これにより道路情報をリアルタイムで映像として知ることができる。その映像処理に今回のSH7786は威力を発揮する。従来のプロセッサの能力では、ここまでの情報は処理できない。

　スーパースケーラ型のパイプラインアーキテクチャに加え、デュアルコア方式にして並列度を上げた。性能としては、533MHzの周波数で960MIPS(million instructions per second)の性能を持つSH-4コアを2個搭載し、1920MIPSを実現している。対称型のマルチコアアーキテクチャは、OSを共用し共有メモリを使うが、非対称型の応用ではCPUコアは決まったメモリしかアクセスできないようにアクセスを監視している。

　画像や映像の大量の表示や転送には、高速のデータレートが必要となるが、533MHzで動作する専用の32ビットバスを搭載しているため最大4.27GB/秒と高速のDDR3メモリにも対応できる。この結果、高精細な高画質を表示できる。

　「SH7786」のシステムイメージ

　また、PCI Expressインタフェースも搭載しており、最大800MB/秒の高速データを外部とやりとりできる。特にPCI Expressインタフェースを搭載した外部グラフィックスLSIとやり取りできるため、カーナビのディスプレイにリアリスティックな3次元画像を素早く表示できる。

　チップの外部にFPGAなどでPCI Expressインタフェース回路を設けると、DVDやHDDから3次元映像や画像データをPCI Expressバスを通してグラフィックスICからディスプレイに表示できる。実際の映像に加え、3Dグラフィックス画像も高速に表示できることは、交通情報を表す手段が幅広くなる。

　PCI Expressとは、全二重方式の高速シリアルインタフェースで、差動信号のペアを1レーンとして送信、受信を分離する。PCI Express 2.0では1レーン当たり2.5Gbps、送受信合計で5Gbpsの高速伝送ができる。このレーンを2個束ねた2レーンだとデータレートはその2倍となる。このチップでは、マルチレーン構成が可能で、4レーン＋1レーン構成か、2レーン＋1レーン＋1レーン構成を選択できる。

　現在のクルマは、ワイヤハーネスが数十kgにも及び、燃費を悪くしているため、ワイヤを少しでも軽くしたい。高速映像、高速画像伝送に数十本もの並列配線などはもってのほか。2本のワイヤで済ませるに越したことはない。だから2本のシリアル伝送ができるPCI Expressがクルマ内の通信に必要となるのだ。これまでのCANやLINなどは遅すぎて映像、3D画像などは送れない。FlexRayでようやく10Mbpsだからこれでも遅い。PCI Expressは車内通信にもってこいの規格ともいえる。

ローム、ブランドロゴを変更

　

　ロームは、創立50周年を機にブランドロゴを変更することを決定した。新しいブランドロゴとなる「ROHM SEMICONDUCTOR」は、2009年1月1日より運用が開始される予定で、製品の標印をはじめ、社員の名刺、各種のPR物のすべてが新しいブランドロゴへと変更される。

　現在のブランドロゴは1979年に制定されたもの。世界的なメジャープレーヤを目指すためには、「半導体のローム」というブランドイメージをグローバルに発信する必要があったことから、今回のロゴ変更となった。

　左が現行(1979年1月1日より適用)のもので、右が2009年1月1日より適用されるブランドロゴ

　新しいロゴのデザインコンセプトは、「The promise of reliability and high quality(信頼と高品質の約束)」で、これまで「品質第一」を掲げてきた同社の企業目的を再確認するとともに、社外に積極的にPRしていこうというもの。

　この新コンセプトに基づいて決定された新たなブランドロゴは以下の3点を表現しているという。

「ROHM オリジナルフォント」(しなやかで安定感のある企業姿勢を表現)「ROHM ベンチャーレッド」(ベンチャー精神のDNAを表現)「ROHM SQUARE」(半導体の外形をイメージし、新しく開始予定の標印とも連動)

　なお、同社ではブランドステートメントとして、「Innovations Embedded」を掲げ、創業以来の技術開発型の企業姿勢を明確に打ち出していくとしている。

ルネサス、ミッドレンジのカーナビ向けSoCシリーズ第1弾を製品化

　

　ルネサス テクノロジは11日、カーナビゲーションなどの車載情報端末機器向けSoCとして、ポータブルナビやローエンドからミッドレンジの組み込み型カーナビなどに機能を絞った「SH-NaviJシリーズ」を開発、第1弾として「SH77721」を製品化したことを発表した。2008年9月30日よりサンプル出荷を開始する。サンプル価格は5,000円。

　車載情報端末機器向けSoC「SH-NaviJ」シリーズ第1弾製品「SH77721」

　同製品は、2Dならびに3D描画機能を持つグラフィックスプロセッサを搭載している。また、USB2.0に対応したホスト/ファンクション、SDカードホストインタフェース、GPSベースバンド処理モジュール、FM多重デコーダ、車載LANであるCANインタフェースなどの周辺モジュールを内蔵している。

　CPUコアには既存製品と同様「SH-4A」を採用し、機能上位互換のグラフィックスプロセッサを内蔵することにより、既存のグラフィックスアプリケーションのプログラムを流用することが可能だ。また、基本バス構造ならびにその他周辺機能も既存の「SH-Naviシリーズ」から継承することで、各種アプリケーションのプログラムが流用可能、ソフトウェアの開発期間の短縮が可能となる。なお、2008年10月からは、同グラフィックスプロセッサの性能を引き出すことが可能なライブラリのサンプル提供が開始される予定。

　既存のSH-Naviシリーズの「SH7770」と比較すると、メモリインタフェースが64ビットバスのDDR SDRAMから16ビットバスのDDR2 SDRAMへと変更されており、DDR2を1個接続するだけで3Dグラフィックス描画が可能である。また、パッケージを520ピンBGA(33mm×33mm)から440ピンBGA(23mm×23mm)へと変更することで、システムの小型化を図ることが可能となっている。

　なお、同社では、ユーザーのシステム開発を推進するリファレンスプラットフォームを、2008年9月30日より提供開始するとしている。

アナログデバイセズ、産業用高性能アナログ半導体で着実に成長へ

　

　米国の大手アナログ半導体ベンダAnalog Devices(ADI)の日本法人であるアナログ・デバイセズは9月5日に東京で記者会見を開催し、同社の産業用アナログ半導体の事業展開と最新製品を報道関係者向けに解説した。

　始めにAnalog Devicesの高精度信号処理(Precision Signal Processing)部門でバイス・プレジデントを務めるDick Meaney氏が、同社の事業概要を説明した。

　Analog Devicesの高精度信号処理(Precision Signal Processing)部門でバイス・プレジデントを務めるDick Meaney氏

　Analog Devicesの売上高は2007年度に25億ドル。製品別では売上高の44%をコンバータIC(A/D変換器ICおよびD/A変換器IC)が占める。次いでアンプICが22%となっている。同社によると、コンバータICと高性能アンプICでは市場シェアでトップを占めるという。

　地域別の売上高では北米市場が26%と最も高く、欧州市場が24%で続く。日本市場は20%、中国市場は13%である。応用分野は多岐に渡り、産業・計測分野、デジタル民生(デジタルコンシューマ)分野、車載(オートモーティブ)分野、ヘルスケア分野、テスタ(ATE)分野、コンピュータ分野、無線インフラ分野などで同社の製品が使われている。

　日本法人であるアナログ・デバイセズの応用分野別売上高も紹介した。デジタル民生(デジタルコンシューマ)分野が最も大きく、売上高の59%を占める。日本市場での売り上げを日本法人の売り上げと考えると、日本におけるデジタル民生の売上高は25億ドル×20%×59%で約3億ドルになる。

　製品別の売上高構成

　地域別の売上高構成

　応用分野別の売上高構成

　日本での応用分野別売上高構成

　ここでMeaney氏は、話題を今回のテーマである産業用アナログ半導体に戻した。Analog Devicesの産業用アナログ半導体の売上高は2003年度～2008年度に年平均成長率14%で伸びており、産業用アナログ半導体市場の年平均成長率11%を上回っている。

　続いて産業用アナログ半導体の市場規模(SAM:Served Available Market)をセグメント別に分割して示した。計測機器（Instrumentation）が8億7500万ドル、プロセス制御(Process Control)が3億8,500万ドル、モーション制御(Motion Control)が3億ドル、計量(Metering)が2億4,000万ドル、セキュリティ/監視装置(Security/Surveillance)が9,500万ドルである。全体では19億米ドルになる。Analog Devicesはその約3分の1を占めているという。

　産業用アナログ半導体の市場規模(SAM:Served Available Market)

　なお左下枠内に「ADIの2007年度産業用IC SAM」とあるのは、「2007年度産業用アナログ半導体 SAM」の誤りなので注意されたい。

　そして(1)計測機器(Instrumentation)、(2)モーション制御(Motion Control)、(3)プロセス制御(Process Control)、(4)ビルディング制御(Building Control)の各分野における産業用アナログ半導体製品の開発状況を解説した。

　計測機器とモーション制御は高精度信号処理部門でプロダクト・ライン・ディレクタを務めるLeo McHugh氏が、プロセス制御とビルディング制御は同部門で同じくプロダクト・ライン・ディレクタを務めるMike Britchfield氏がそれぞれ説明にあたった。

　Analog Devicesの高精度信号処理部門でプロダクト・ライン・ディレクタを務めるLeo McHugh氏

　Analog Devicesの高精度信号処理部門でプロダクト・ライン・ディレクタを務めるMike Britchfield氏

　計測機器用では、4個のD/A変換器を内蔵し、積分非直線性誤差(INL)が16ビット±1LSBで5V電源のIC「AD5064」と、消費電力が7mW(1Mサンプル/秒)と低い18ビットA/D変換器IC「AD7982」が目を引いた。モーション制御では分解能が可変のレゾルバ・デジタル変換器(RDC)IC「AD2S1210」が興味深かった。いずれの製品も今年(2008年)の9月に量産を開始する。

　またプロセス制御用では、プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)を内蔵した低雑音24ビットΣΔ方式A/D変換器IC「AD7190」が目を引いた。データ出力速度が2.4kHzのときに16.5ビットの雑音フリー分解能を有する(ゲインは128)。

プロービングで失敗しないためのオシロスコープ応用講座 (7) フローティング測定に最適

　

　前回は、高電圧プローブとフローティング測定について説明しました。今回は、まさにプローティング測定に最適である「高電圧差動プローブ」について述べていきます。

高電圧差動プローブ

　フローティング測定にもっとも適したプローブは、フローティング測定のために設計された「高電圧差動プローブ」です。測定対象の電圧があまり大きくない場合、信号忠実度の優れた小型の高電圧差動プローブ(写真1)がおすすめです。

　写真1:小型の高電圧差動プローブの例 – Tektronix製TDP1000型

　写真1の小型の高電圧差動プローブに印加できる電圧は、差動電圧として42V、対地電圧として35Vを超えることはできません。この関係を図1に示します。

　図1(a):差動動作電圧±42V、対地動作電圧±35Vの高電圧差動プローブに印加できる差動波形の例

　図1(b):オシロスコープに表示される波形

　差動電圧で42V、対地電圧で35Vを超える場合、大型の高電圧差動プローブを選ぶことになります(写真2)

　写真2(a):大型の高電圧差動プローブの例 – Tektronix製P5205型

　写真2(b):大型の高電圧差動プローブの例 – Tektronix製P5210型

　写真2のプローブでは、差動電圧が最大4400V、対地電圧が最大2200Vまで測定できる反面(図2)、形状が大きくなり、特に入力リード線の扱いに注意が必要になります。長いリード線は共振やノイズ飛び込みの原因となり波形品質が悪化する可能性があります。

　図2:写真2のプローブでは、差動電圧が最大4400V、対地電圧が最大2200Vまで測定できる

2本のリードの扱いによる特性変化

　大型の高電圧差動プローブを使うコツは、2本のリードどうしを軽くねじっておくことです。しかし、リードを接続すべき2つの接続点が離れている場合は、リードどうしをねじることができません(写真3)。

　写真3:2本のリードをねじった状態と離した状態

　P5205を実例にして、リードをねじるか離すかにより、特性が変化するようすを見てみましょう。図3は、サイン波をプローブに入力し、振幅を一定に保ちながら周波数を10MHz～150MHzと変化させ、プローブ通過後の振幅変化をグラフにしました。

　図3:リードをねじった場合と離した場合の周波数特性

　リードを互いにねじった場合、プローブの特性は理想的になり、ほぼ素直な特性で周波数帯域100MHzを実現しています。ところがリードを離した場合は、特性は約74MHzにおいて大きなピークを持ち、振幅が2倍以上も変化します。オシロスコープの画面において40MHz、50MHz、60MHz、74MHz、80MHzのサイン波を観測すると、74MHzのピークに向って振幅が徐々に大きくなるようすが分かります(図4)。

　図4:40MHz、50MHz、60MHz、74MHz、80MHzのサイン波を観測したようす

　図5に理想的な特性をしたパルス波形をプローブに入力し、プローブ通過後の応答特性も示します。リードをねじった場合のほぼ素直な特性に対し、リードを離した場合の特性は大きなリンギングを生じていることが分かります。

　図5:プローブ通過後の応答特性 – リンギングのピーク間の周期(13.5ns)から共振周波数(1/13.5ns:約74MHz)が計算できる

　なお、リンギングのピーク間の周期(13.5ns)から共振周波数(1/13.5ns:約74MHz)が計算できます。大型の高電圧差動プローブでよい特性を出すには、入力のリードを互いにねじっておくことが大切です。ねじることができない場合は、リンギングを起こす周波数より低い周波数範囲で使用すると、良い結果が得られます。

CMRRは有限

　高電圧差動プローブが使われる多くの場面は、スイッチング電源回路です(図6)。

　図6:スイッチング電源回路

　非常に大きなVds電圧が変動しているなかで、小さなVgs電圧を観測するときに、問題が起こります。Vds(対地電圧)の変動がVgs(差動電圧)に影響を与えるのです。どのくらい影響を与えるかは高電圧差動プローブのCMRRという性能で決まります。CMRRが無限大なら理想です。Vds(対地電圧)の影響を全く受けずにVgs(差動電圧)のみを測定できることになりますが、CMRRは無限大ではありません。つまり、必ずVds(対地電圧)の影響を受けてしまいます。

　例えば300VもVds(対地電圧)が変動するなか、数VのVgs(差動電圧)をCMRRが50dB(300:1)の高電圧差動プローブで観測するとしましょう。この場合、Vds(対地電圧)が300Vの300分の1である1Vは除去できずに残ることになります。測定したい数VのVgs波形がこの1Vの波形によって変形されることになります。ローサイドのスイッチング素子を観測する場合は何の問題も起こさないのに、ハイサイドのスイッチング素子を観測すると変な波形になるようならば、まず高電圧差動プローブのCMRR不足を疑ってみましょう。

　上記の現象を分かりやすくするため、実験回路(図7)において、高電圧差動プローブで観測した1Vの差動電圧波形(短波形)が、15Vの対地電圧(サイン波)によって変形されるようすを示します(図8)。

　図7:実験回路 – 有限なCMRRによる歪みを実験する

　図8:図7の実験回路にて、高電圧差動プローブで観測した1Vの差動電圧波形が15Vの対地電圧によって変形されるようす

　フローティング測定において、高電圧差動プローブのCMRRは有限であることを忘れてはなりません。

　次回は最終回となります。最終回では、電流プローブについて述べていきます。お楽しみに。

　※ 本連載記事は、毎週火曜日と金曜日に掲載いたします。

著者

稲垣 正一郎(いながき・しょういちろう)
　日本テクトロニクス テクニカルサポートセンター センター長