2020 Fiscal Year Research-status Report
Low-power design of CMOS sensor circuits utilizing device mismatch
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19K20233
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | MOSトランジスタ / 製造ばらつき / 温度センサ / アナログーディジタル変換回路 / ADC / フラッシュ型ADC / 順序統計 / 電源電圧依存性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではMOSトランジスタの製造ばらつきを利用したアナログ回路の設計手法を提案する．そのために，アナログとディジタルの協調によるオンチップ上の自動キャリブレーション技術を提案する．2020年度は2019年度に検討を行った温度センサと高速フラッシュ型アナログーディジタル変換回路（ADC）の設計を確定した．そして，これらの回路をTSMCの65nmプロセスにてチップ試作を行い，動作検証を行った．0度から100度の範囲において±1.5度以内の誤差で温度センシングができることを確認できた．また，電源電圧依存性が極めて少なく世界トップの性能を実チップにより確認できた．提案した温度センサ方式について国内の研究会にて発表し，現在IEEEの国際学会に論文投稿中である．次に，フラッシュ型ADC回路について微細プロセスに実装できる方式を開発し，実際のレイアウト設計を行いチップを試作した．提案方式では，製造ばらつきを参照電圧源として利用し，消費電力の大幅な削減が可能となった．提案方式では，チップ上に大量の微細コンパレータを集積化し，その中から適切なコンパレータの組を選択する．適切なコンパレータ組を選択するために順序統計の理論を応用し，オンチップ上の評価回路にてコンパレータ群の選択を可能にしている．2020年度は試作したチップの動作確認を行った．提案手法についてIEEEの国際学会であるIsQEDにて発表を行った．さらに，提案ADCの性能を向上させるための工夫を行い次のチップ試作に向けて設計を進めている．以上より，これまで問題視されていた製造ばらつきを逆に利用する方式を採用することによりアナログ回路にも微細化が可能であることを実チップにて証明することができて大きな一歩となった．次年度は性能改善の工夫を反映させたチップを試作し，温度センサとADC回路の性能評価を行う．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
製造ばらつきを利用するためには素子の特性をオンチップ上で正確に測定する必要がある．素子の特性はアナログ量であるため，その測定回路に高分解能と高精度が必要である．従って，アナログの素子特性の測定回路は大きな面積を要し，製造ばらつきを利用するメリットを上回ってしまう．そこで，本研究では順序統計の応用により素子特性をアナログドメインではなく，間接的にディジタルドメインにて評価できることを発見した．この発見の効果は大きく，温度センサと ADCの両方が省面積と低消費電力で実装できることを確認できた．2019年度は方式の理論検討を行い，2020年度は提案方式を基に先端CMOSプロセスにてチップ試作を行い，実チップの測定により提案方式の有効性を確認した．チップの製造から動作確認までたくさんのリスクがある中で，温度センサの性能を実測により確認できたことは大きな成果である．また，設計したフラッシュ型ADCの動作確認もでき，高速な回路の設計が可能であることを実証できた．これらの成果は世界トップレベルの学会に投稿予定で，国内でも発信していく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は温度センサとADC回路の設計を完成させ，TSMC社の65nmプロセスにてこれらの回路を集積化したチップを試作した．そのために，レイアウト作成から評価ボードの設計を行った．今後は製造されたチップの測定を続け，温度や電源電圧の異なる条件における性能を徹底的に評価する予定である．提案回路の設計手法及び実シリコンのデータにより国内外の学会の発表するとともに，学術誌に論文を投稿する予定である．今後は提案手法の性能改善に向けた検討に加え，広い要件に対応できる回路方式について検討を行う．今年度は次の2つの回路方式について検討を行う．今年度も提案した方式の有効性を確認するためにTSMC社にてチップ製造を依頼し，そのためにレイアウト設計を完成させる．また，今年度は順序統計により製造ばらつきを情報源として使う概念を他の回路への応用について検討を行う．例えば，低消費電力の乱数生成回路や確率型コンピューティングの低消費エネルギー化などについて現在検討中である．
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| Causes of Carryover |
次年度は前年度の研究成果を最大化するために，製造したチップの測定を継続する．チップの測定にカスタムの評価基板とFPGAなどが必要であるため，これらの部品の購入に年度使用額を利用する．また，金額の一部を研究成果を国内と国外の学会に発表するために使用する．さらに，研究をスムーズに順行する上で，必要なソフトウェアやバックアップ用のディスクなどを購入する．
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Research Products
(7 results)
