高性能・超低電力短距離ワイヤレス可動情報システムの創出 …...crest...

(1/29)CREST Confidential

高性能・超低電力短距離ワイヤレス可動情報システムの創出

黒田忠広（慶應義塾大学理工学部教授）

藤島実（広島大学大学院先端物質科学研究科教授）

染谷隆夫（東京大学大学院工学系研究科教授）

高宮真（東京大学大規模集積システム設計教育研究センター准教授）

ULP領域研究成果公開シンポジウム (2010/11/26)

‐ 時空間の適応制御による電力の1/1000化 ‐

１）最終目標達成の報告

２）学術・技術への波及効果


アプリケーションから見た研究俯瞰図ワイヤレス可動情報システムを従来比1/1000の電力で実現

インターネット

可動性(IV)給電シート④動きながら環境から無線給電

(II)偏波変調通信

データ二重化ディペンダビリティ

②10Gbps/10mW通信でディペンダブルなシステム実現

機能進化性能改善

(III)オールモスト・デジタル無線

データ交換協調作業

③100Mbps/1mW通信で高度なサービス提供

人に優しいインタフェース

(I)ナノコイル配列①10Tbps/0.1Wチップ間通信で手のひらサイズのスパコン実現

ロボットの高知能化


技術から見た研究俯瞰図

データ通信エネルギー給電

・集束パルス・偏波変調・高指向性構造・アクティブ・クロストーク・キャンセル・ナノデイジー・チェーン・直交磁界分割多重

空間的選択（極短距離、高密度、超並列）

時間的選択（離散時間、デジタル）・オールモスト・デジタル無線・フラッシング動作アナログ・しきい値適応制御・スイッチアンテナ

新技術の創出（速度と電力の時空間的な最適化と適応制御）

m

cm

m

チップ間通信

端末間通信

(Ⅰ) ナノコイル配列10Tbps/100mW

黒田

(Ⅱ) 偏波変調通信10Gbps/10mW

藤島

(Ⅲ) オールモスト・

デジタル無線100Mbps/1mW

高宮環境からの給電

(Ⅳ) 給電シート

大面積スイッチ有機トランジスタ

染谷

距離

現在の技術よりも２桁高速で３桁低電力


研究マイルストーン

項目２年度

（２００６年度）３年度

（２００７年度）４年度

（２００８年度）５年度

（２００９年度）

（I）チップ間

ナノコイル黒田

1Tbps/1W電子と磁界の総合設計理論

10Tbps/10W電子や磁界の利用効率改善

10Tbps/1W速度と電力の最適化

10Tbps/100mW（10fJ/b）QoS適応制御

（II）端末間

至近距離藤島

1Gbps/1W偏波変調検証

1Gbps/10mW待機電力ゼロ化

10Gbps/100mW16偏波変調QAM

10Gbps/10mW（1pJ/b）

アンテナ指向性

（III）端末間

短距離高宮

1Mbps/1mW通信方式の原理実証

100Mbps/100mW しきい値適応

制御技術の適用

100Mbps/10mWフラッシング技術の適用

100Mbps/1mW（10pJ/b）

バランス最適化

（IV）給電

シート染谷

アンテナアレイ最適化により1/10に低減

30x30cm2プロト

タイプの試作

1x1m2大面積プロ

トタイプの試作システム最適化により消費電力を1/1000に低減

最終年度（２０１０年度）：総仕上げ（成果報告）


成果

原著論文

国際学会発表

成果件数

51 (2.6)

184 (9.2)

IEEE JSSC

Appl. Phys. Lett.

インパクトの大きな業績件数

9 (0.5)13 (0.7)

Nature Materials 2 (0.1)

ISSCC 10 (0.5)

Symp. on VLSI Circ./Tech. 15 (0.8)

87 (4.4)

88 (4.4)招待講演

口頭講演

ポスター CICC 3 (0.2)

A-SSCC 11 (0.6)

IEDM 4 (0.2)

国内学会発表 145 (7.3)

9 (0.5)

新聞発表

特許出願

受賞

28 (1.4)

1 (0.1)

25 (1.3)

日本経済新聞/日経産業新聞

日経エレクトロニクス

13 (0.7)1 (0.1)

BBC Focus 1 (0.1)

Business Week 1 (0.1)

Nature News 1 (0.1)

Forbes 1 (0.1)

IEEE Spectrum 1 (0.1)

※件数欄括弧内の数値は、年間一人当たりの発表件数

2009年IEEE T-EDベストペーパー賞

積層チップ選択回路


[1] チップ間通信 ThruChip Interface 誘導結合通信

多層配線で巻いたコイルロジック配線がコイルを通過できるコイルはチップのどこにでも配置できる

（SRAMセル上でも構わない）

デジタルCMOS回路

受信器

Rxdata

送信器

Txdata Txdata100

m

Tx (20m x 10m)Rx (25m x 20m)

dITdtVR=k LTLR

IT

時間

Txda

taI T

V RR

xdat

a


マイルストーン消

費エ

ネル

ギー

(電力

/転送

速度

) [pJ

/b]

0.1

1

10

100

0.01

バイフェーズ方式

低電圧化’05 ’06 ’08 ’09 ’10’07

初年度 4年目 5年目最終年度3年目2年目

米RambusISSCC’07

従来技術

パルス整形

デイジーチェーン送信器

バースト転送

電荷再利用

米InfineonISSCC’06

世の中の動向

米IBMISSCC’08

研究

マイル

ストー

ン

米IBMISSCC’09

日立ISSCC’10

ISSCC’06

VLSI’06

Alignment Pattern

Transmitters

Receivers

Conventional x 8

2-stage Daisy x 4

Metal Inductor

4-stage Daisy x 2

8-stage Daisy x 1

n=1

n=2

n=4

n=8

20m

Alignment Pattern

Transmitters

Receivers

Conventional x 8

2-stage Daisy x 4

Metal Inductor

4-stage Daisy x 2

8-stage Daisy x 1

n=1

n=2

n=4

n=8

20m

ISSCC’07ISSCC’08

A-SSCC’08

VLSI’10


目標（10fJ/b）達成

Supply Voltage VDD [V]

Bit

Erro

r Rat

e (B

ER)

Ener

gy D

issi

patio

n (P

ower

/Dat

a R

ate)

[fJ

/bit]Data Rate=1.1Gb/s

10-12

10-9

10-6

10-3

1

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.30

10

20

30

40

50

60

BER

Energy Dissipation

10fJ/b @ 0.55V


論文発表 ISSCC で10件発表

ISSCC’06 ISSCC’07 ISSCC’07 ISSCC’08 ISSCC’10 ISSCC’10 ISSCC’10

SOVC’09 SOVC’10 SOVC’10

ISSCC’09 ISSCC’09 ISSCC’09

VLSI 回路シンポジウムで7件発表

SOVC’06 SOVC’09 SOVC’09 SOVC’09

CICCで2件発表

CICC’07 CICC’09

A-SSCCで9件発表

A-SSCC’07 A-SSCC’07 A-SSCC’07 A-SSCC’08 A-SSCC’08 A-SSCC’09 A-SSCC’10 A-SSCC’10A-SSCC’09

JSSC で8編、IEICEで3編の論文発表


実用化研究

積層メモリ

ISSCC’09 ISSCC’10

積層プロセッサ

VLSI’09

プロセッサ・メモリ高速リンク

ISSCC’09, VLSI’09 ISSCC’10

基礎研究を終え実用段階

非接触メモリ非接触ウェハテストバスプローブ

ISSCC’10 VLSI’09 ISSCC’09 ISSCC’07, A-SSCC’08

TX chip RX chip

Interposer chip

RX circuit

Inductive coupling interposer

TX circuit Data

200m

25m

TX chip

Interposer chip

RX chip

TX chip RX chip

Interposer chip

RX circuit

Inductive coupling interposer

TX circuit Data

200m

25m

TX chip

Interposer chip

RX chip

25m

TX chip

Interposer chip

RX chip

VLSI’09

インタポーザ


1つのパッケージに8枚のチップを積層 1つのパッケージに65枚のチップを積層

従来SSD

..

..

提案SSD

実装面積：1/8通信電力：1/2

コントローラ

フラッシュ・メモリ

TCI

コイル

メモリの積層：SSD

ISSCC’09

3 本/チップ

25 本/チップ

ワイヤー：1600本200本


プロセッサとメモリの結合

ISSCC’09VLSI’09

エネルギー消費: 1pJ/b (1/30 of DDR2)レイアウト面積: 0.15mm2/Gps (1/3 of DDR2)

CPU2CPU0 CPU4CPU6

CPU3CPU1 CPU5CPU7

SystemBus

CPU2CPU0 CPU4CPU6

CPU3CPU1 CPU5CPU7

SystemBus

SRAM in 65nm CMOS at 1.2V

Processor in 90nm CMOS at 1.0V

TCI

1MB-SRAM

MemoryController

TCI

Face downFace up


プロセッサの積層：動的再構成プロセッサ

PE

MEM

SE

MEM MEM MEM

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

MEM

SE

MEM MEM MEM

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

MEM

SE

MEM MEM MEM

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

SE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Data Memory

5.0m

m

2.5mm

Inductive-CouplingUp Link

Inductive-CouplingDown Link

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Data Memory

5.0m

m

2.5mm



VLSI’09

中村チームの天野教授と共同研究

中村チームとの連携シナジー効果


15インチ

ウェハを４枚積層デジタルロゼッタストーン(DRS)

2.5Tbit @45nm CMOS

リーダー

ウェハをSiO2膜で密封

Mask ROM

配線層を巻いて作ったチップ上コイル

電力

デー

タ非接触誘導結合リンク

デジタルロゼッタストーン

VLSI’09

小林チームの今井繁規氏と共同研究


Data Rate 10Gbps50ps/div, 15.8mV/div

On

Off

On

Off

[2] ミリ波パルス通信：概要と成果例

10Gbps, 81mW (23mW(Tx)/58mW(Rx))ミリ波帯送受信機としては世界最小電力

ミリ波パルス通信のキーコンセプト：ミリ波パルス通信を用いて高速・低電力化（例）送信回路のミリ波スイッチング技術、受信回路のパルス検出技術

Tx 入力信号波形

60GHz CW Source

Modulator

10GbpsRx 出力信号波形

送信回路チップ写真(GSMM2009)

受信回路チップ写真(投稿準備中)

10Gbps/10mWのCREST当初目標をほぼ達成


[2] ミリ波パルス通信：ベンチマーキング

ミリ波パルス無線技術による低電力化を実証

送信機ベンチマーク受信機ベンチマーク

伝送速度 (Gbps)

消費

電力

(mW

)

101 10

100

1000

1000.1

10pJ

/bit

100p

J/bit

1nJ/b

it

VLSI10

ISSCC08IS

SCC0

9ISSCC08

ISSCC09

本研究(GSMM2009)

ISSCC06

伝送速度 (Gbps)消

費電

力(m

W)

101 10

100

1000

1000.1

10pJ

/bit

100p

J/bit

1nJ/b

it

本研究投稿準備中

VLSI10

ISSCC08ISSCC09

ISSCC08

ISSCC06

ISSC

C09


[3] オールモストデジタル：概要と成果例

90nm, インパルスUWB, 100Mbps, 0.41mWUWBトランシーバとしては世界最小電力

32 m

18

m

TX165 m

55

m1.

0 m

m

0.85

mm

0.7 mm

0.85 mm

RX

オールモストデジタル無線のキーコンセプト：無線回路をデジタル化して低電力化（例）送信回路のデジタル波形整形技術、受信回路のサンプリング相関技術

“0” “1”

115mV

10ns

FCC mask

1GHz

200MHz

入力信号波形

入力信号スペクトラム


[3] オールモストデジタル：ベンチマーキングオールモスト・デジタル無線技術による低電力化を実証

10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G

Pow

er

Data Rate (bps)

100mW

10mW

1mW

0.1mW

10nJ

/bit

1nJ/b

it

100p

J/bit

10pJ

/bit

1pJ/b

it

[VLSI06]

[VLSI06]

[VLSI07][ISSCC06]

[ISSCC07]

[ISSCC06]

[ISSCC07][VLSI07]

UWB受信回路の比較

CREST目標(10pJ/b) デジタル送受信回路提案

(VLSI’08)

アレーサンプリング相関回路(今年度成果)

サンプリング相関回路(VLSI’09)

高精度位相同期用DLL(VLSI’10)


[4] 給電シート：これまでの成果給電シートと整合する通信シート無線給電シート

MEMS switch array

Pad array for capacitive coupling

IEDM 2006ISSCC 2007 IEDM 2007, ISSCC 2008

効率80%、最大40W シリコン・有機メモリ・MEMSスイッチの協調動作により無線/有線通信を融合

位置検出技術による高効率化


[4] シリコンと有機のコラボによる低消費電力化

IEDM’06ISSCC’07

Power sheet

IEDM’07ISSCC’08

Comm sheet

IEDM’08

EMI sheetLogic paper

Ultrasonic sheet Power Monitor

ISSCC’09 ISSCC’10 ISSCC’11(Accepted)

有機トランジスタの特性

駆動電圧移動度チャネル長消費電力比

プロジェクト開始時 40V 0.5cm2/Vs 20µm 1

プロジェクト終了時 2V 2cm2/Vs 1µm 1/1600

CREST期間中、ISSCCに毎年採択


情報処理学会誌

情報報処理,Vol.51, No.7, pp.861-869, Jul 2010.


JST News


集積回路：2D から 3Dへ

TCI（ThruChip Interface）

1917

25

33

41

49

57

65

738189

97

105

113121

129

64Gb*128チップ=8Tb

dITdtVR=k LTLR

IT

VLSI Symp.’09 Four Stacked Chips on a PCB Board

Technology: 90nm, Chip Thickness: 85m, Glue: 10m

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Data Memory

5.0m

m

2.5mm



Four Stacked Chips on a PCB BoardTechnology: 90nm, Chip Thickness: 85m, Glue: 10m

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Data Memory

5.0m

m

2.5mm



PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

PE

Data Memory

5.0m

m

2.5mm



ISSCC’09

SRAM

SH-Mobile

1MB SRAM

CPU2CPU0 CPU4CPU6

CPU3CPU1 CPU5CPU7

TCI TCI

SRAM

SH-Mobile

1MB SRAM

CPU2CPU0 CPU4CPU6

CPU3CPU1 CPU5CPU7

TCI TCI

ISSCC’10

プロセッサの積層

メモリの積層

プロセッサとメモリの積層


スパコン間通信

チップ間・モジュール間・ノード間通信

無接触給電

電源ユニット

2006

磁界結合パルス通信（黒田）ミリ波パルス通信（藤島）シート給電（染谷）

2016

0.36PFLOPS→110PFLOPS(300倍）

15ｍ→0.12ｍ (1/125）

2900kW→33kW (1/88）

ストレージユニット

パームトップスパコンの実現


一度ロボットが稼動しはじめたら、30年間は中を開けたくない。通常の電池では長期間液体やガス中で劣化が早いので、小さなキャパシタに少しずつ給電する。

ポイント

ロボット内チップの超低消費電力化

カプセル内視鏡のような微小な検査ロボット

亀裂の発見→リアルタイムで高画質画像の伝送

ロボット間短距離通信

給電ゾーン

ロボット間短距離通信（黒田）マイクロ波パルス通信（高宮）

ミリ波パルス通信（藤島）シート給電（染谷）

●無接触給電（腐食しやすい液体ガス中に最適）

原子力発電所の配管検査


ロボットを長期間稼動させたい。通常の電池では劣化が早いので、小さなキャパシタに少しずつ給電する。

ポイント

赤血球ほどの微小な検査ロボット

ロボット内チップの超低消費電力化

給電ゾーン

プラーク発見→リアルタイムで高画質画像の伝送

ロボット間短距離通信

●体の外から無接触給電

ロボット間短距離通信（黒田）マイクロ波パルス通信（高宮）

ミリ波パルス通信（藤島）シート給電（染谷）

血管内のプラーク検診


磁界結合パルス通信（黒田）マイクロ波パルス通信（高宮）

ミリ波パルス通信（藤島）

情報のダウンロード

情報のダウンロード情報のアップロード

車間通信

シート給電（染谷）

チップ間通信

無接触給電

動画再生

車両を中心とした分散情報処理


磁界結合パルス通信（黒田）マイクロ波パルス通信（高宮）ミリ波パルス通信（藤島）シート給電（染谷）

給電できる壁紙

高速ストリーミング

積層チップ無接触給電短距離マルチホップ通信

有線インターネット回線

TVへ給電

●屋外では通常の携帯電話分散した多数個のアクセスポイント

家庭内アドホックネットワークの形成


まとめ

達成1/1600

達成10pJ/b

ほぼ達成1pJ/b

達成10fJ/b

最終目標項目２０１０年度の成果学術・技術への波及効果

（I）チップ間m通信

黒田

２つのコイルを使う0.55V送受信器を提案・実証（10fJ/b）

3D集積回路のチップ間通信の学問

基盤を確立、実用レベルの技術にした

（II）端末間cm通信

藤島

ミリ波パルス通信によりPLL、同期検波器不要の

送受信回路を提案・実証（10Gbps, 81mW)

ミリ波パルス通信を探究した

（III）端末間10m通信

高宮

4×4のアレーサンプリング相関回路によりDLL不

要の位相同期を提案・実証（100Mbps, 0.96mW）

無線をほとんどデジタルで実装する技術を探究した

（IV）給電

シート染谷

有機TFT集積回路により100VのAC電力メーター

システムをプラスティックフィルム上に実現・実証

有機トランジスタの性能を大幅に改善し大面積エレクトロニクスの学問基盤を確立、多様な応用を示した

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