VLSIの高信頼化技術

今日のVLSIの設計技術の発展により、かつてでは考えられなかったような巨大かつ複雑な回路を実現することが可能となり、1チップ上にシステムの全てを搭載するSoC(System on a Chip) の実現も可能となりました。しかし一方で、VLSIの巨大化複雑化はシステムの信頼性を低下させました。今、信頼できるVLSIチップを得ることが難しくなってきています。例えば、チップを製造したとき、少なくとも製品の一割程度は故障のため、完全には動作しません。そしてこれら不良品を良品と選別するためのテストコストはVLSIの製造コストの半分以上を占めるようにもなってきました。

そのような観点から、本研究室では集積回路の高信頼化技術に関する研究を行っています。具体的にASIC, 再構成可能デバイス等を対象としたテスト容易化設計、耐ソフトエラー設計等の研究を行っています。

(担当教員、難波)

ASIC と再構成可能デバイス

JPEG 圧縮伸張機能や暗号化復号機能などある特定の機能をもつデバイスを ASIC と呼びます。一方、FPGA, PLA など再構成可能デバイス(プログラマブルデバイス)と呼ばれるプログラムによって機能を書き換えることができるデバイスもあります。もちろん動作速度、面積、消費電力等は専用回路である ASIC の方に軍配が上がります。しかし、携帯電話用チップのように頻繁なモデルチェンジを要する用途には、コスト、開発期間等のことを考えれば、予め大量生産しておける再構成可能デバイスの方が向いています。

ASIC と 再構成可能デバイスはどちらも産業界で幅広く利用されており、高信頼化が求められております。これらの構成は大きく異なるため、用いるべき高信頼化技術も異なります。本研究室では両方を研究対象としており、また、ハイブリッド SoC と呼ばれる、ASIC と FPGA を組み合わせたチップや、動的再構成デバイスなど、新しいタイプのデバイスも意欲的に研究対象に加えています。

テスト容易化設計

前述の通り、不良品を良品と選別するためのテストコストはVLSIの製造コストの半分を占めており、製造テストコストの削減はVLSI製造コストコスト削減、ひいて情報機器自体の製造コスト削減に大きく貢献します。かつては、既に設計の済んだ回路に対し、製造テストを行う方法を考えていましたが、現在では、スキャン設計など、設計の段階で製造テストを考慮し、テストを行いやすいよう設計する、テスト容易化設計を用いることが一般的となっています。本研究室では、ASIC, FPGA などさまざまなデバイスを対象とし、テスト容易化設計(DFT: Design for Testability)について研究を行っています。

研究成果例: テスト容易化設計を適用したマルチコンテキストFPGA の
コンテキスト部におけるテスト

耐ソフトエラー設計

宇宙空間など過酷な環境下で動作するVLSIでは、その動作中に宇宙線等の放射線が原因となる一時的な故障(ソフトエラー)がしばしば発生することが知られています。また、地上においても、わずかながらソフトエラーは発生し得、医療機器のような特に信頼性を求められる用途に於いては問題になり得ます。さらに、近年のVLSIの微細化により、放射線のエネルギーが相対的に増加し、ソフトエラーはより発生しやすくなってきています。本研究室ではその重要性を考慮し、ソフトエラーからシステムの動作を保護する耐ソフトエラー技術に関してもまた研究を行っています。

研究成果例: 耐ソフトエラーラッチ (SEM-Latch) とその入出力波形図

チップ試作

本研究室では提案設計に対し、論理的な検証を行うだけでなく、実際にチップを試作することによる検証実験を行っています。試作実験は教員、院生の指導の元、学部4年生が主力となって行います。

本試作実験が十分実施できるよう、また他の研究の実施や、論文執筆が滞りなく行えるよう、Sun ワークステーション、Linux 機、Windows 機等、各種計算機を充分な台数取りそろえています。また、東京大学大規模集積システム設計教育研究センター(略称VDEC) を通じ、Verilog-XL, Design Compiler, Astro, Virtuoso など、業務用の各種 EDA ツールも利用できる環境を整えると共に、ロジックアナライザ等、実際に基盤上で試作実験を行うのに有用な道具も取りそろえています。試作実験は大変な作業ですが、とても勉強になりますので、興味のある人はぜひチャレンジして欲しいと思います。

謝辞: 本教育研究は東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、シノプシス株式会社、日本ケイデンス株式会社、メンター株式会社、セロクシカ株式会社、オンセミコンダクター（株）、日本モトローラ(株)、HOYA(株)、京セラ(株)、ローム(株)および凸版印刷(株)の協力で行っている。

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