産総研、LSIのホットスポットからの熱拡散を測定する評価技術を開発

　

　産業技術総合研究所(産総研) ナノエレクトロニクス研究部門 主幹研究員 兼 3D集積システムグループ 研究グループ長の青柳昌宏氏、および同グループの菊地克弥研究員、加藤史樹 産総研特別研究員らは、赤外線動画を撮影できるサーモグラフィビデオシステムを用いて、半導体LSIデバイスの過渡的放熱特性を評価する技術を開発した。同成果の詳細は2011年9月27日にフランスで開催される「THERMINIC2011(17th International Workshop on Thermal investigations of ICs and Systems)」にて発表される予定。

　3次元高密度実装LSIの実現には、シリコンチップの薄型化が求められるが、薄型シリコンチップでは短時間の発熱によって局所的に温度が高くなる部分(ホットスポット)が顕在化し、それによりトランジスタの特性が変化、消費電力の増大やリーク電流の増加、回路の誤作動などが懸念されている。

　従来行われているLSIデバイスの熱評価方法は、例えばLSI中に作り込まれた数点の測定回路による温度データをもとにした大まかな熱分布の評価が行われるため、LSIデバイス内部で過渡的に発生するホットスポットのような、微小領域の過渡熱評価には適用できなかった。

　今回開発された熱特性評価システムで、パルス電源を用いて短時間で加熱を行い、加熱のタイミングに同期させてサーモグラフィを用いて熱分布動画の撮影を開始し、初期温度に戻るまでの熱分布画像を取得、解析を行うというもの。このシステムの要素技術そのものはすでに確立されているが、今回は薄型半導体チップで発生が懸念されるホットスポットを主なターゲットとするシステムとした特化する形で開発が行われた。

　この熱特性評価システムの検証のためにチップ厚を変えた外形サイズ3mm×3mmでチップの中央部表面には発熱体となる1mm×1mmのマイクロヒーターを形成したの熱評価デバイスを作製したほか、従来型チップのモデルとしてシリコン基板の厚み380μm、3次元積層LSIシステムに向けた次世代型のチップのモデルとしてシリコンチップの厚み100 μmの熱評価デバイスを作製して実験を行った。

　比較した熱評価デバイスの断面図(左)と外観写真(右)

　それぞれの熱評価デバイスに同じ電力パルスを与え、マイクロヒーターを発熱させて温度分布を測定したところ、従来型チップのモデルでは熱が十分拡散し局所的な温度上昇は見られなかったが、薄型シリコンチップを用いた次世代型チップのモデルでは、ヒーターの発熱範囲である1mm角のうち約6%の範囲に高温部が集中して、ホットスポットが発生することが確認された。

　3次元積層LSIシステムの概要図(左)とシリコンチップの熱分布画像(右)

　薄型シリコンチップを用いる3次元積層LSIシステムでは、発熱部が重なりあった際に急激な温度上昇をもたらすため、ホットスポットへの対策が重要となってくる。こうしたホットスポットを抑制する手法の1つに、熱伝導率の高い材料を用いてLSIデバイスにヒートスプレッダを形成する方法があり、研究グループでは今回の熱特性評価技術がヒートスプレッダの評価に有効であることを確認するため、100μm厚のチップ裏面に10μm厚の高熱伝導膜を直接形成した熱評価デバイスを作製し、ホットスポットが発生する100μm厚チップの熱評価デバイスと比較した。

　この高熱伝導膜は膜面方向の熱伝導率が約800W/mKとシリコンの約5.4倍あり、これをチップに付けることで、熱を素早く平均化しホットスポット発生を抑制することが期待できるという。これらの熱評価デバイスにそれぞれ11.8Wの電力を8.5ms間与え、マイクロヒーターを発熱させて測定したところ、ヒートスプレッダのない熱評価デバイスでは最高温度が76.0℃、ヒートスプレッダがある熱評価デバイスでは最高温度が64.3℃となり、最高温度が約22.1%低下していることが確認された。

　また、熱評価デバイスの中央部とチップ中央部から1mm離れた部分の温度差の時間変化を比較したところ、ヒートスプレッダのない場合は温度差がなくなるまで200msよりも時間を要するが、ヒートスプレッダを付けることによって150msの時点で温度差がなくなっており、ヒートスプレッダによってチップ面内の温度分布が均一化されていることが判明した。

　ホットスポットのピーク温度比較(左)とチップ面内温度差(右)

　これらの結果から、同熱特性評価技術は、ホットスポット発生場所の特定と熱分布の検出、放熱過程の熱分布の時間変化などの計測に適用でき、3次元LSI積層集積技術による電子回路だけでなく、さまざまな高性能電子回路についての放熱特性評価も可能であることが確認された。また、今回行ったようなヒートスプレッダ材料などの効果検証や、LSIシステムの熱設計の検証なども可能と考えられるという。

　なお、研究グループでは、同システムを活用し、民間企業、大学などと連携することで、低消費電力かつ高性能な電子回路を実現し、高性能コンピュータ、携帯電子機器、情報家電などへの応用を目指した実用レベルの技術開発を行っていく予定としている。

東大など、量子ビットのもつれの制御に成功

　

　東京大学(東大) 大学院工学系研究科の樽茶清悟教授の研究グループは9月22日、NTT物性科学基礎研究所の都倉康弘グループリーダーとの共同研究により、電子スピンを利用した量子ビットで、「量子もつれ」の制御に成功し、2スピン量子ビット演算を実証したことを発表した。同成果は、米国科学誌「Physical Review Letters」のオンライン速報版で近く公開される予定。

　量子コンピュータにおける情報の基本単位は量子ビットと呼ばれているが、その量子ビットを演算素子として機能させるために、量子ドット中の電子のスピンのほかに、量子ドット中の電子の電荷、原子の核スピン、ジョセフソン接合(超伝導)などのさまざまな物理的特性を用いた量子ビットが現在、提案および実現されている。

　研究チームは、各量子ドット中の1個の電子スピンの向きを電子スピン共鳴(ESR)で制御する量子ビットの研究を行ってきており、今回は量子ドットを形成する材料にはGaAsを用い、既存の結晶成長技術およびナノテクノロジー素子作製技術を用いてさまざまな構造の量子ドットを作製し実験を行った。

　ESRが発生すると共鳴的にスピンが回転するため、量子ドット中の電子スピンの回転操作に利用できる。しかし、複数の量子ビットを作るには、量子ドットごとに区別してESRが発生できるようにしなければならないほか、将来の多ビット化に対応するためには高集積化が可能な小型回路であることが必要となる。

　こうした条件を満たす方法として、研究チームでは、これまでに微小磁石と量子ドットからなる量子ビットを考案し、機能することを実証していた。これは、微小磁石のもたらす傾斜磁場は位置によって強さや向きが変化し、その中で電子の位置を電気的に周期的に振動させると、電子は上下に周期的に変化する交流磁場を感じるという原理のもので、量子ドットは直流磁場をかけた状態にあるため、ここに傾斜磁場による交流磁場が加わると、振動電子にESRが発生し、スピン回転させることができるようになる。

　電子の電気振動の時間が経過するにつれてスピンの回転角度は大きくなることから、この時間を調整することでスピンの回転をコントロールすることができ、ここに量子ドットを2個並べ、磁石の形状と位置を適切に選ぶと2個の量子ドットに別々にESRを起こす(2個の量子ビットを作る)ことができる。

　 図1:微小磁石法によるスピン量子ビットの概念図
　左:量子ドットの直上に置いた微小磁石を利用して、交流磁場を作る方法。磁石に直流磁場を加えて磁化させた時に発生する磁場分布は上下方向の勾配(=傾斜磁場)を持つ。その中で、ドット中の電子を左右に電気振動させると、電子は高周波の交流磁場を感じる。この周波数を直流磁場で生じる上向きと下向きのスピン分離のエネルギーと一致させると、電子スピン共鳴(ESR)によるスピン回転が始まる
　右:2スピン量子ビットを作る時の概念図で、分離磁石の間隔をドットごとにわずかに変えると、各量子ドットにおける上向きと下向きのスピン状態のエネルギー分離が異なるため、2つの量子ドットでESRを起こす直流磁場(あるいは周波数)が異なる。これは、量子ドットごとに作られる量子ビットの操作、つまり各電子スピンの回転運動を独立に制御できることを意味する

　量子ドット中の電子スピンで量子ビットを作る研究は、同研究チームとは異なる方法を用いても行われており、すでに2量子ビットが実現されている。しかし、量子計算の論理演算の高速化のためには、量子もつれ制御が必須ながら、そちらに関してはまだ成功例はなく、今回、研究チームはこのESRを利用して2量子ビットを構成する方式を発展させ、量子もつれの制御を実現する技術を開発した。

　作製された量子ビット素子は、2つの量子ドットと微小磁石から構成され、量子ドットはGaAsを材料として半導体プロセス技術により形成された。それぞれの量子ドットの中には、電子を1個ずつ配置し、2個の量子ドットの上方に2つに分離した微小磁石(薄い黄色)を取り付けている。

　半導体基板に平行に1T程度の直流磁場を加えると微小磁石は同方向に磁化し、直下の量子ドットの中心付近には大きい傾斜磁場が発生する。分離磁石の片方に高周波の交流電場VACをかけると、2個の量子ドットに対して異なる直流磁場でESRを起こし、スピンを回転させることができる。このスピン回転信号を、量子ドットの近くに取り付けた検出器(スピン検出器)にて測定した。

　図2:2量子ドット素子表面パターンの電子顕微鏡写真(左)と2スピン量子ビットのスピン回転操作(右)
　左:薄いグレーの部分が量子ドットを形成するための金属ゲート電極。この電極に適当な負電圧をかけてそれぞれ電子を1個ずつ含む2個の量子ドットを作る(各ドットの寸法は0.2μm程度)。その直上にくさび形の間隙を持った対磁石(Co:薄い黄色)を取り付ける。図中上向きに直流磁場をかけて磁石を同方向に磁化させる。下側の磁石にマイクロ波(高周波電圧)を加え、ドット中の電子を上下にわずかに振動させてESRによるスピンの回転運動を起こす。なお、図中右側の量子ドットの左側に線状のゲート電極で作った狭窄電子伝導チャネルがあり、これを用いて量子ドットの電子数変化を検出することができる
　右:2重量子ドットを用いた2量子ビットのスピン回転実験。ESRを働かせる時間(τESR)とともにスピンは上向きから下向き、再び上向きへと回転を続けることに対応して、スピン検出器の出力(δGQPC)は周期的に変化する。2つの量子ドットでESRが起こる直流磁場が異なることを利用して、第一、二のスピンを独立に回転させることができる(上が第一のスピン、下が第二のスピンの回転)

　量子もつれを作るには、スピン回転と2つのスピン間の交換結合の制御を組み合わせて行うことができる。研究チームでは、スピン回転に加えて、2つの量子ドットのスピン間に交換結合を働かせることで量子もつれの制御(=変調と検出)を実現した。

　まず、初期状態は第一と第二のスピンが上向きに揃った状態(1:上向き)×(2:上向き)から始めて、第一のスピンを90°回転させる((1:横向き)×(2:上向き))。この状態に一定時間のスピン交換結合を働かせると、スピン1重項と呼ばれる量子もつれ状態を作ることができる。実験ではスピン交換結合させる時間を調整して、量子もつれの程度を変えることができたとするほか、同量子もつれの形成は、計算によっても予測することができたという。

　図3:検出したスピン1重項(検出器出力δGQPC)のスピン交換結合操作時間(τex)依存性(左)と、量子もつれ状態の指標(コンカレンス)のスピン交換結合操作時間(τex)と交換結合の強さ(Jo)依存性(右)
　左:片方のスピンの90°回転と2つのスピンの交換結合操作で作られる2スピン状態(終状態)に含まれるスピン1重項(量子もつれ状態)は交換結合操作時間とともに周期的に変わる。交換結合の強さを大きくするとこの周期は次第に短くなる。実線は計算曲線
　右:量子もつれ状態の指標(コンカレンス)が交換結合操作時間(τex)とともに周期的に変化することは、量子もつれの程度を制御していることに対応する。交換結合の強さ(Jo)を大きくすると、右図の場合と同様に周期は次第に短くなる

　今回の成果により、スピン交換結合の時間制御を組み合わせて量子もつれ制御ができるようになったことから、論理演算の高速性と超並列処理の特長を評価できる技術レベルに近づいてきたといえる。同制御技術は、従来の計算機が苦手とする暗号解読やデータベース検索などの複雑な計算処理を高速に、また超並列的に行うために不可欠な技術要素であり、研究チームでは今後、より高速に量子もつれを制御できるように量子ドット構造や微小磁石構造の改良を進めていき、それをもとに、より複雑な計算を実行し、量子コンピュータを用いると、原理的に従来の計算機より高速な計算処理が可能であることを実証していく予定としている。

パナソニック、コミュニケーション支援ロボット「HOSPI-Rimo」を発表

　

　パナソニックは9月26日、10月5日～7日まで東京ビッグサイトで開催される「第38回国際福祉機器展」において、新型ロボットや発表済みのロボットの改良バージョンを披露することを発表した。今回出展されるのは、新型となる自律移動型のコミュニケーション支援ロボット「HOSPI-Rimo」(Remote Intelligence and Mobility)と、2010年に発表された「洗髪ロボット」、2009年に最初のバージョンが発表されたベッド型ロボット「ロボティックベッド」の3種類。同社は、これらのロボットにより、要介護者の安心・安全で快適・元気な暮らしのサポートを提供することを目指していくとしている。

　今年の新登場となるロボットのHOSPI-Rimo(画像1)。同社の病院内搬送ロボット「HOSPI」の自律移動技術とHD映像コミュニケーション技術を応用し、介護施設などの入所者との対話や指導、病院の入院患者や施設の入所者・独居高齢者などへの遠隔地からのお見舞いなど、離れたところにいる人同士の自然なコミュニケーションを仲立ちするロボットである。

　画像1。コミュニケーション支援ロボット「HOSPI-Rimo」。移動するテレビ電話といったイメージか

　特長の1つは、「自律移動と操縦とのハイブリッド遠隔制御技術」。対象となる人の近くを指定すれば、HOSPI-Rimo自身が周囲の状況を認識しながら、自律移動できる機能を持つ。その一方で、HOSPI-Rimoを随時遠隔操縦することも可能で、この時も周囲の状況を認識し、安全に移動する設計となっている。

　2つ目は、「ロボットの動作と映像コミュニケーションによる対話機能」。HOSPI-Rimoにはカメラが搭載されており、その撮影方向を遠隔操作で自由に設定することが可能だ。なお、HD映像コミュニケーション技術を採用しており、双方向でのより自然な対話も行えるようになっている。

　続いては、昨年発表の洗髪ロボット(画像2)。同ロボットはロボットハンドの技術を応用して開発され、今年はロボティックベッドとともに改良された、2011バージョンが披露される。

　画像2。昨年披露された「洗髪ロボット」。ロボティックベッドと平行して開発が進められていたが、一般に披露されたのは2010年の第37回国際福祉機器展だ

　頭の形を従来よりも細かくスキャニングし、新たな手法を加えて手洗いから泡洗浄、乾燥までの一連の洗髪動作を行うのが2011バージョンの特長だ。個人の頭の形状や好みの洗髪方法のデータを登録でき、毎日の洗髪ニーズや頭皮ケアにも対応することまで想定した設計となっている。

　特長を具体的に紹介すると、まず1つ目が「新・3D追従メカ/制御技術」。伸縮機能を加えた洗浄アームと、後頭部洗浄メカの協調制御によって洗浄領域が拡大された次第だ。合計24個の指先を用いて、より一層進化した3D圧力制御により優しく頭を洗浄するようになっている。

　2つ目は、「コンディショナーおよびドライヤー機能」。従来の手洗い、泡洗浄に加え、要望の強かったコンディショナー機能および簡易ドライヤーを搭載、洗髪から乾燥まで一連の動作を支援できるようになった。

　3つ目は「スポットもみ洗い機能」だ。進化したタッチパネルインタフェースにより、位置や強さ、洗い方などを好みの通りに指定できる機能を搭載。ユーザーの細かな要望にも対応できるようになっている。

　そして、パナソニック製福祉用ロボットとしては最初に発表されたロボティックベッド(画像3)。同ベッドは第36回国際福祉機器展で一般に披露されると、その場で「今すぐ購入したい」と要望が出るほど反響となった1台だ。電動ケアベッドの一部がそのまま電動車いすになるという仕組みが特徴で、車いすを利用する人にとって最も大変なベッドなどの寝具と車いすの間の移動が必要なくなるという大きな特徴を持つ。今年のロボティックベッドは、昨年に引き続きいてさらに新機能を追加し、2011バージョンともいうべき内容となっている。

　画像3。パナソニックの福祉型ロボット第1弾の「ロボティックベッド」。朝起きて、ベッドから降りることなく電動車いすで移動が可能。また、車いすがベッドの一部になるので、部屋の中のスペースの有効活用という点でも優れている

　今回の特長の1つが、「介助および自律支援を実現するロボティックベッド共通プラットフォーム」だ。車いす機能付き電動ケアベッドの実用機能を採り入れ、モジュール共有化を実施。より高い実用性と、広いユーザー層をサポートできるよう構成要素の共通化が行われた。

　2つ目が、「新搭載のチルト合体/分離機能」だ。車いす部分には電動チルト機能を新たに搭載し、車いすの長時間利用時のズレのない体圧分散だけでなく、チルト姿勢での合体/分離の実現により、さらに実用性・快適性がアップしている。

　3つ目が、「かんたん操作インタフェース」。複雑なモード切り替え/選択、合体/分離操作、全方向移動の操作がひと目でわかり、簡単・自在に操作できるインタフェースを装備した。

　以上、3台のロボットが出迎えてくれるので、同展示会に足を運んだ時はパナソニックブースへの訪問を忘れないようにしよう。

KEKら、光電効果に関連する「光三重イオン化」の仕組みを解明

　

　高エネルギー加速器研究機構(KEK)は、新潟大学とフランス国立科学研究センター(CNRS)と共同で、孤立系の原子が光子を1つ吸収した時に同時に3つの電子を放出する「光三重イオン化」の特殊な過程を実験的に識別し、それらの電子の運動エネルギー相関の観測に成功したと発表した。KEK物質構造科学研究所の伊藤健二教授、新潟大学の彦坂泰正准教授(元放射光科学研究施設研究機関研究員)、CNRSのPascal Lablanquie研究員およびFrancis Penent研究員らによる研究で、成果は米物理学会刊行の「Physical Review Letters」2011年9月9日号に掲載された。

　アインシュタインの光量子仮説による説明では、「光電効果」は、光はエネルギーの塊である粒子の「光子」として振る舞い、物質中の1つの電子に全エネルギーを与え、そのエネルギーによって電子が物質から飛び出るとされている。

　しかし、近年の研究によって、物質として最も単純な系である原子や分子の光電効果では、1つの光子の吸収によって複数の電子が飛び出ることが頻繁に起きることがわかってきた。この現象は、原子や分子内の電子がそれぞれまったく独立に運動しているわけではないことを示しており、この現象を詳細に調べることで物質中の電子間の相互作用の様相を知ることができるのである。

　研究グループでは、国際的な共同研究において開発した超高感度の「多電子同時計測手法」を利用して、ネオン原子に軟X線を照射した時に内殻軌道と価電子軌道から合計3つの電子が同時に表出される光三重イオン過程の運動エネルギー相関を観測した。

　その結果、1つの内殻電子に関わる光電効果に付随して、内殻電子と2つの価電子との相互作用により合計3つの電子の放出が起こっていることが明らかになった。

　今回の多電子同時計測手法は、原子や分子の光イオン化過程の詳細な観測に極めて有効であり、この手法の利用によって研究グループは光三重イオン化以外にも原子や分子の光イオン化に関わる興味深い過程を次々と見出すことに成功したとしている。

　画像1。ネオン原子への1250eVの軟X線照射により放出された3つの光電子の運動エネルギー相関グラフ

OKIセミ、ローパワーマイコン向けフル機能エミュレータを発表

　

　ローム子会社のOKIセミコンダクタは9月21日、同社のオリジナル8ビットローパワーマイクロコントローラ(マイコン)に搭載されるCPUコア「U8 Core」に対応したプログラム開発ツール「Dr.U8ICE」を開発したことを発表した。

　同ツールは、新規に開発したアナログチップとU8 Coreチップを搭載したフル機能エミュレータで、FPGAを組み合わせることで、従来品に比べ大きさを1/4に小型化しており、同社のIDEU8統合化開発環境と組み合わせることで、U8 Coreを搭載したマイコンのプログラム開発に最適な環境を構築することができるようになるという。

　また、従来機能に加え、トレース開始トリガの条件設定やプログラムの実行を停止させることなく全RAM領域のデータ変化を確認できるリアルタイムRAMモニタ機能を追加し、プログラム開発の効率を高めたという。

　さらに、LCDの端子状態をリアルタイムでモニタし、PC 上にイメージしたLCDパネルを表示させるリアルタイムLCDモニタを搭載、LCDパネル未入手段階からターゲットシステムを用いたLCD制御プログラム評価およびシステム検証を可能とした。

　なお、同製品はすでに提供を開始しており、今後「ML610400/ML610300 シリーズ」に順次対応していく予定としている。

　 「Dr.U8ICE」の外観とシステム構成のイメージ