慶大ら、消費電力量0.01pJ/bを実現した積層チップ間無線通信技術を開発

　

　慶應義塾大学 理工学部の黒田忠広教授を中心とした研究チームは、科学技術振興機構(JST)課題解決型基礎研究の一環として、消費電力量0.01pJ/bの積層チップ間無線通信技術を開発したことを明らかにした。同技術の詳細は、2010年6月15～17日に米国ハワイ州で開催される半導体デバイスに関する国際会議「VLSI技術シンポジウム(2010 Symposium on VLSI Technology)」にて発表された。

　近年、チップ間のデータ通信の高速化に伴い、消費電力量の増加が課題となっていた。通信距離を短くすることを目的に、3次元実装技術の開発が進めれられており、これによりチップ面にに多数の通信チャネルを設置し、消費電力を抑えながら通信速度を向上させることが可能となる。同研究チームは、これまでもチップに搭載したコイルの磁気結合を利用したデータ通信技術の開発などを行ってきており、今回開発した技術により、ボタン電池1個分のエネルギーで、データ転送速度1チャネル当たり1Gbps超を達成、25組の通信チャネルを0.05mm四方のチップ領域に配置すると、2時間映画1本を1秒で伝送することができるようになるという。

　開発された0.01pJ/bの3次元積層チップ間通信技術は、ボタン電池1個分のエネルギーで200Pビットのデータ伝送が可能。データ伝送速度は通信チャネルにつき1Gbpsで、レイアウト面積は0.01mm四方以下のため、小さなチップ領域に多数配置することが可能なほか、従来のVLSI製造技術で実現できるため、追加のコストも不要となっている。

　同研究チームの研究成果のまとめと従来技術との比較。今回の0.01pJ/bの実現で、目標としていった「1000分の1の低消費電力化」を達成した

　同技術は、チップ上に形成したコイル間の磁気結合を用いた無線通信技術。同研究チームが5年間に渡って研究してきた技術で、当初の目標「電力量の1000分の1の低減」を達成したものとなっている。

　低電力化のための技術課題は、送信回路を効率よく動作させること。従来の磁気結合送信回路は、1と0のデジタルデータを送信するために複数のトランジスタを電源とグランドの間に縦積みにする必要があったため、効率が悪く、大きな電力を消費していた。今回、巻き方向を逆転させた2つのコイルを重ね合わせて1つの磁気結合チャネルを形成する2重コイル送信方式を考案、送信回路の効率を向上して従来からの課題を解決した。

　一方のコイルで1のデジタルデータを送信し、もう一方のコイルで0のデジタルデータを送信する。この2重コイル送信方式により、電源とグランドの間に必要なトランジスタの数が1個で済むこととなり、その結果、効率が改善され、電力量を0.01pJ/bに低減することに成功した。

　研究チームが開発した電力量削減効果実証用の試作チップ

　同研究チームは、開発されたチップ間無線通信技術が、数年以内にさまざまな電子情報通信機器に実用化されると考えており、応用例の1つとして、SSDを挙げている。SSDに用いられるNAND型フラッシュメモリは、将来、100枚を超す積層メモリチップで構成されると見込まれており、チップ間通信に大きな電力を必要とする機器の1つとなることが予想されている。

　また、非接触メモリカードと呼ばれる分野の製品の創出も期待されるという。メモリカードの電力給電とデータ通信を磁気結合で行いもので、これを実現するためには、新たな研究課題として、磁気結合通信の通信距離の延長と、データ通信と電力給電の干渉対策を行う必要があるとしているが、こちらはすでにJSTの戦略的創造研究推進事業(CREST)研究領域「ディペンダブルVLSIシステムの基盤技術」として、研究が進められているという。

日立、人間共生ロボット「EMIEW2」の走行機能と音声認識機能を強化

　

　日立製作所は6月18日、人間共生ロボット「EMIEW2」のオフィスなどでの実用性を向上するため、配線や床面の段差を乗り越える走行機能と、さまざまな雑音の中でも人の声を正しく認識できる音声認識機能を開発したことを発表した。今回の成果をもとに、オフィスや病院での案内・巡回監視等のサービスを行う人間共生ロボットの実用化に向けた開発を加速していく方針。

　走行機能と対話機能を強化した「EMIEW2」

　EMIEW2は、同社が2007年に開発した人の早足とほぼ同じ時速6kmで2輪の自律走行を行う、小型・軽量ロボット。オフィスや病院などの実際の環境下で安定的に稼動させるためには、配線やマット・敷居などの段差や、音楽や人の話し声をはじめとするさまざまな雑音など、予期せぬ障害やオフィス特有の環境を把握し、適切に対処することが課題となっていたが、同社ではオフィスなどでの実用性向上のため、走行機能を強化するとともに、さまざまな雑音の中でも人の声を正しく認識できる音声認識機能を新たに開発、搭載した。

　具体的には、段差や配線が這う床面でも安定して走行ができるように足回りにアクティブサスペンションと空転制御技術を組み込んだ。アクティブサスペンションは、床面の段差に乗り上げた際の衝撃を柔軟なバネで吸収し、バネの変形に伴うロボットの姿勢の傾きをアクチュエータの伸縮で補正することで、安定した姿勢を維持する仕組み。また空転制御技術は、段差を乗り越える際に浮いた車輪が過剰空転するのを抑制し、着地後にも安定した走行を継続する技術。この2つの技術により、予期せぬ段差や配線を乗り越え安定して走行することが可能となった。

　さらに、雑音の中でも人の声を正しく認識できるように、現行のEMIEW2で採用している、左右方向の音の聞き分け機能に、新たに上下方向を加え、立体的な聞き分け機能に進化させた。頭部に搭載した14本のマイクを用いて、高い精度で雑音を除去するとともに、ロボット内部で発生する雑音専用の除去機能により、音声認識性能を向上させており、構内放送などのさまざまな雑音の中でも、人の声を正しく認識することが可能になった。

　なお、日立では今後、実証試験を通じ実用化に向けたデータを蓄積し、人と安全に共存しながら、案内サービスや巡回監視サービスを安定的に提供する、人間共生ロボットとしての応用を目指すとしている。

東大、世界最高クラスの移動度を実現したGeトランジスタを開発

　

　東京大学 大学院工学系研究科の鳥海明教授らは科学技術振興機構(JST)の課題解決型基礎研究の一環として、世界最高クラスの移動度を実現したGeトランジスタを開発したことを明らかにした。同技術の詳細は、2010年6月15～17日に米国ハワイ州で開催される半導体デバイスに関する国際会議「VLSI技術シンポジウム(2010 Symposium on VLSI Technology)」にて発表された。

　Geトランジスタは、Siに先駆けて開発され、世界初の集積回路もGe上に作成されるなど、性能的にはSiに比べ高いものを発揮できることは知られていたが、ゲート絶縁膜を作成することがSiに比べて相当難しいという課題があった。また、その一方で、Si集積回路技術においては、その安定な絶縁膜であるSiO2の薄膜化が進み、すでに絶縁性の限界に達しており、それに替わる高誘電率ゲート絶縁膜(High-K)の研究が実用化レベルで進んでいることから、”ゲート絶縁膜には安定なシリコン酸化膜”という従来の常識から離脱することへの要請が高まっていた。

　Geトランジスタの模式図

　同研究グループでは、Geを用いたトランジスタの移動度の高性能化と、Ge界面の安定化を実現する指針を構築、それを実証する研究を進めてきた。結果、高い性能を実現できるGeトランジスタを実証することに成功したという。

　Geと絶縁膜の界面の安定化に関して、まず、熱力学的な考察および要素的な実験を繰り返すことで、界面に起因した一酸化ゲルマニウム(GeO)の発生をいかに抑えるか、いかに安定化させるかという点に関する指導原理を構築した。GeOが発生するということは界面で二酸化ゲルマニウム(GeO2)の分解が起きることを意味し、界面を劣化させていると考えたためである。

　また、Geの酸化膜であるGeO2膜は水に溶解しやすく、トランジスタを作成するプロセスで大きな支障になるため、表面は常にGeO2膜以外の材料で構成できるようにすることが必要となっていた。

　このため研究チームでは、Geを酸化する際の酸素圧力を上げることで、表面におけるGeOの平衡蒸気圧を低下させ、GeOの表面からの脱離を大幅に抑制。また、Ge基板上の界面で生成したGeOが界面近くに残った場合に対して、低温における酸素熱処理を施すことで、界面におけるGeOの平衡蒸気圧を低下させることで、残留GeOを減少させた。さらにGeに比べて酸素が不足気味でも安定化物を形成する酸化物を導入することで、界面のGeOの削減に配慮。具体的には希土類金属酸化膜をGeO2中に導入することで、これを達成した。水に対する耐性がある希土類酸化膜としては、イットリウム酸化物(Y2O3)を選択した。

　良質なゲルマニウム酸化膜の作成プロセスと、酸化過程のモデル図。APO(Atmospheric Pressure Oxidation:大気圧酸化)、HPO(High-Pressure Oxidation:高圧酸化)、LOA(Low Temperature O2 Annealing:低温酸素アニール)を表している

　これらの材料科学的なトランジスタ形成プロセス指針に加え、Geの電子の有効質量の面方位依存性を考慮し、p型(111)面Ge基板上に絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作成したところ、約1500(cm2/Vsec)の世界最高クラスの電子移動度を持つGeトランジスタの開発に成功した。これはSiの電子移動度の約2倍にあたり、現在、しのぎを削って研究開発がなされている歪みシリコンにおける移動度上昇を超えるものとなっている。

　トランジスタの基本になるMOS型キャパシタの容量-電圧特性(ほぼ理想に近い特性が得られている)

　なお研究チームでは、界面の改善あるいは歪み技術の採用によって、Geは今回の結果以上の高性能化が可能性であるとしており今後、GeのバンドギャップがSiの半分程度である性質を利用することで、低電圧でSiの性能を圧倒的に凌駕するトランジスタを開発することが可能になるとしている。

　電子移動度の界面電子数依存性。GeO2だけで絶縁膜を構成した場合(IEDM2009での同研究グループからの発表結果:赤線)とSiの普遍モビリティ(紫線)

SPMT、「SerialSwitch」技術を採用したSPMT技術の仕様を公開

　

　SPMTのPresidentであるJames P.Venable氏

　Serial Port Memory Technology(SPMT)は6月17日、都内で会見を開催し、同社が6月7日(米国時間)に提供を開始した「SerialSwitch」技術を採用したSPMT仕様の説明を行った。

　SPMTは同社の名前にも付けられているシリアルメモリインタフェース技術「SPMT」の普及を目指しており、2009年5月には仕様策定・普及促進を目指したコンソーシアム「SPMTコンソーシアム」を設立している。

　今回仕様が策定され、公開されたSerialSwitch技術を用いたSPMTは、これまでのシリアルメモリとパラレルメモリの良いところを組み合わせることを目指したインタフェース技術。パラレルI/OとシリアルI/Oをオンチップで統合したインタフェースを活用することにより、双方の特長を活用することが可能となり、SPMTのPresidentであるJames P.Venable氏は「従来技術(LPDDR2)の4倍の帯域幅を半分の消費電力で実現できるようになる」としたほか、狭帯域から広帯域まで低消費電力を維持でき、既存のインフラを活用できることから、低コスト、低リスクでの活用が可能と説明する。

　SerialSwitch技術により統合されたパラレル/シリアルインタフェースを活用、動的にインタフェースを変更させることで低消費電力で広帯域にも対応することが可能となった

　パラレルインタフェースは、帯域幅が広帯域になれば消費電力が倍数的に上昇していってしまうが、狭帯域では低消費電力での駆動が可能。また、起動時のレイテンシを低くすることが可能となっている。一方のシリアルインタフェースは、狭帯域ではPLLのために余計な電力を消費するため、使用に向かないが、高帯域になっても電力消費はパラレルほど高くならず、低消費電力性を維持することが可能となる。また、シリアルの特長であるピン数の削減も可能という特長もある。

　SerialSwitchを搭載したSPMT技術は、これら2つのインタフェースを有するメモリの帯域幅をメモリコントローラ側でリアルタイムに管理、1.6GBpsを境に帯域幅が上回った場合、10μs程度のタイミングでシリアル側に自動的に切り替えを行うことで、1ダイで最大6.4GBpsまでの帯域幅に動的対応するもので、システムやソフトの変更は不要となっている。

　1.6GBpsを境にパラレルとシリアルを切り替えることで高帯域でも狭帯域でも低消費電力性を維持できるようになる

　帯域幅の変化に応じてメモリコントローラ側で動的にモードを切り替えることが可能

　また、ターゲットをLPDDR2の代替としており、LPDDR2向けメモリセルをそのまま流用することが可能なため、テスタなどの装置が流用可能なほか、BIST(Built Self Test)にも対応。パッケージも同一なものを選択でき、テスト時間もLPDDR2と同様のTATでできる。

　LPDDR2メモリとの比較

　ターゲットは家電や携帯機器など容量よりもコストを気にしながら高性能を実現しなければいけない機器で、PCやサーバ用途は現状考えていないという。ロードマップとしては2011年末にサンプルの提供を開始、2012年末には量産出荷にこぎつけたいとしており、コンソーシアムメンバー(LG Electronics、Samsung Electronics、Hynix Semiconductor、Silicon Image、ARM、Marvell Technology)と作業を進めていくほか、Samsung、LG以外の携帯電話メーカーやSamsungおよびHynix以外のDRAMメーカーとの連携については、「今後の8週間で何らかのアナウンスを行う予定なので、それを期待して待っていてもらいたい」と含みを持たせるにとどまった。

　SPMTを用いたサンプル。テスト用にDDR2、DDR3、GDDRの各種コアを用いたものを作製したという

カーエレクトロニクスの進化と未来 (20) 電気自動車とスマートグリッド構築の実験をナノオプトが開始

　

　電気自動車(EV)や環境関係のベンチャーであるナノオプトニクス・エナジーは、自動車開発製造の拠点となる米子工場においてマイクログリッドを構築することを発表した。同社は2010年3月に米子工場に電気自動車の開発・製造を発表したばかり。この工場内にスマートグリッドの実験場となるマイクログリッドを構築する。

すでに変電所のある工場

　米子工場は3月に撤退したJTE(ジェイティエンジニアリング)の工場の跡地を譲り受けたもの。JTEは日本たばこ産業(JT)が全額出資した生産システムを提供するエンジニアリング会社だ。この工場跡地には変電所がすでに設置されており、新たに電力システムを作るのには都合が良い。

　だからこそ、米子工場は単なる自動車の生産だけにとどまらないという訳だ。生産工場内をスマートグリッドとしての実験を含めた電力の平準化に取り組む。ナノオプトは電気自動車を主体とするベンチャーであるからこそ、スマートグリッド時代の電気自動車の位置付けを、実験を通して把握でき、イニシアティブを握ることができる。

　ナノオプトグループの代表でナノオプトニクス・エナジー代表取締役社長も務める藤原洋氏

　これまで電気自動車はスマートグリッドシステムの中で、蓄電池としての応用しか語られてこなかった。今回、ナノオプトの代表取締役社長の藤原洋氏は、インターネットを通じて電気自動車と連携することを考えている。ただし具体的なイメージはこれから検討していく。

　この工場の敷地は7万4000m2。内部にある変電所は電力会社からの火力・原子力による電力を取り入れたうえで、変電所で電圧を落とし、工場内で再生可能エネルギーを発生させる。敷地内に風力や太陽光、水力など再生可能エネルギー源を設置し、それらと工場内の電力の一部を賄うことになる。

　マイクログリッドは身近な地域の電力を賄い、できるだけ火力による電力すなわちCO2発生を減らすことを狙っている。いわば電力の地産地消という訳だ。太陽光発電は3MWの規模でおおよそ3割の電力を賄えると見ている。しかも鳥取県は風力発電が盛んで、「再生可能エネルギー発電では日本で第2位」と鳥取県知事の平井伸治氏は言う。

スマートグリッドは双方向ネットワーク

　ここで、スマートグリッドとマイクログリッドを定義しておこう。スマートグリッドとは日本語で言えば、賢い送電網ということになる。送電網は英語でパワーグリッドと呼ぶ。送電網はこれまで、発電所から数十万Vという高電圧で電力を各地に配電し、家庭やオフィスに行く前に数十万Vから数千Vに落としておく。さらに数千Vから100Vあるいは200Vに落とし家庭やビルに届けている。いわば一方通行だ。発電所から変電所までは従来と同じであるが、電圧が数百Vまで落とした配電網ではまるでイーサーネットのようにネットワークを構築する。もはや一方通行ではない。このイーサネットのようなネットワークをスマートグリッドと呼ぶ。配電範囲は数km四方に渡り、こういったスマートグリッドネットワークは地域ごとに構成されることになる。このネットワークの中に太陽光発電や風力発電、蓄電池などの発電、蓄電設備を持つことになる。

　スマートグリッドの概念図(出所:日刊工業新聞社「知らなきゃヤバイ 半導体、この成長産業を手放すな」)

　マイクログリッドは、地域というよりは1つの工場やマンション、ビル群などを単位とする、さらに小さなネットワークだと理解しよう。マイクログリッドネットワーク内もスマートグリッドと同様、太陽光発電所や風力発電所などを持つ。

　スマートグリッドでは、今どこで電力がいくら使われているか、どこが余っているか、蓄電池はためる能力があるか(満充電なら充電できない)、などを検出し、ITネットワークを使って電力をどこへ供給すべきかを決め、送電する。この検出器の1つがスマートメーターである。スマートメーターが単なる無線メーターと違うのは、MACアドレスあるいはIPアドレスを持っていて、どこに電力を送り出せるかを決める能力を持つことである。従来の無線メーターは電力をどのくらい使ったかを電力会社に知らせるだけの機能しか持たない。スマートメーターは、電力量を検知して、もっと供給してもらうのか、今は要らないのか、を知らせると同時に最適な電力量に保つためのセンサの役割を果たす。

　ここでは、蓄電池も重要な役割を果たす。電池がない場合はネットワークの中で、電力を必要とする所があればその部分に電力を優先して供給し、いわば電力を融通しあうような制御をしていた。しかし、電力が余れば捨てざるを得なかった。現在、太陽電池の導入に電力会社が消極的なのは、太陽電池で発生し余った電力を架線に戻せなくなると捨てているからである。畜電池があれば、余った場合には電力を貯め、不足する場合には蓄電池から電力を供給する。電力の有効活用には蓄電池はマストだ。

ネットワーク、EVのシステム作り着々と

　今回ナノオプトは、マイクログリッドのIT系のシステムを開発するため、ユビテックとも手を組んだ。この企業はビルのエネルギーをITで管理するためのシステム開発で実績がある。ユビテックはネットワークによる連携の仕組みをマイクログリッドに適用し、省エネしながら働きやすさも追求していく。同社でノウハウが蓄積されているCisco Systemsのプロトコルを使ったCFMS(Cisco Facility Management System)を基本プラットフォームとして工場内の発電設備、蓄電設備、オフィス設備などの電力を最適制御していく。

　ユビテックによるGREEN PLANTのコンセプト

　ナノオプトのChief Creative Officer(CCO)となった和田智氏

　ナノオプトが力を入れている電気自動車の開発状況はどうか。この第一歩として、デザイナーを選任した。長年、自動車のデザイナーとして活躍してきた和田智氏とパートナー契約を結び、ナノオプトのChief Creative Officer(CCO)となった。

　和田氏は15年間、日産自動車のデザイン、さらに98年から11年間アウディのデザインを手掛けてきた。現在は独立してSWdesignを設立、その代表となっている。同氏は、電気自動車を通じて環境問題の解決に貢献したいと抱負を述べる。同氏はアウディのデザインをドイツと米国ロサンゼルスで行ってきており、海外経験もある。

　ナノオプトは、タイヤごとにモーターを取り付け独立した車輪でクルマを駆動するインホイールモーター方式の電気自動車開発を目指すSIM-Driveのプロジェクトにも参加する一方で、SIM-Driveの代表取締役社長であり慶応大学教授でもある清水浩氏もナノオプトの取締役として参加している。SIM-Driveの試作車は2011年には出てくる、と藤原氏はいう。ただし、SIM-Driveは量産しないため、インホイールモーター車が量産されるのはさらに1～2年以降になろうという。