知的環境適応型VLSI基盤技術の構築と高信頼脳型LSIシステムへの応用展開

• 研究課題/領域番号: 17KK0001
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 人工物システムの強化
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 夏井 雅典 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10402661)
• 研究期間 (年度): 2017 – 2022
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
• キーワード: 集積回路 / 不揮発素子 / IoT / 高信頼化 / 脳型LSI / 知的環境適応型LSI設計技術

研究成果の概要

本研究では，脳の情報処理過程における学習・記憶，超並列，自律分散といった原理に基づく柔軟かつ複雑な処理をハードウェアアルゴリズムとして実装することにより，高次の処理を極めてコンパクトなシステム構成で実現することを目標とした研究を行った．脳の可塑性（環境適応性）と呼ばれる機能にヒントを得，従来の延長上にない知的環境適応型新概念LSI基盤技術の構築を推進した．IoT応用を念頭に置いた各種回路設計と評価を通し，提案技術の有効性を実証した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

情報科学技術の一層の進展に伴い，VLSIが果たす役割がより人間の生活に密着したものになっていくことは想像に難くない．本研究によって得られた成果は，人間に与えられた役割をこなす単なる道具としてではなく，人間の脳において行われるようなより高次の情報処理を可能とする次世代VLSIの実現を促すものであるとともに，限界を迎えつつあると考えられてきたVLSI設計におけるパラダイムシフトを現実のものとし，VLSI設計技術を含む次世代の科学・産業技術の重要な礎となる成果であるといえる．

研究成果

• [国際共同研究] University of Toronto(カナダ) (2018)
  • 年月日: 2018-03-23
• [雑誌論文] Design of a Nonvolatile-Register-Embedded RISC-V CPU with Software-Controlled Data-Retention and Hardware-Acceleration Functions (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, K. Sakamoto, and T. Hanyu
  • 雑誌名: Memories - Materials, Devices, Circuits and Systems 巻: 4 ページ: 100035-100035
  • DOI: 10.1016/j.memori.2023.100035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic activation of power-gating-switch configuration for highly reliable nonvolatile large-scale integrated circuits (2022)
  • 著者名/発表者名: F. Zhong, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac461a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 不揮発記憶機能が拓く新概念ロジックLSI設計技術とその将来展望 (2021)
  • 著者名/発表者名: 夏井雅典, 羽生貴弘
  • 雑誌名: 電子情報通信学会論文誌C 巻: J104-C ページ: 185-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of a highly reliable nonvolatile flip-flop incorporating a common-mode write error detection capability (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, G. Yamagishi, and T. Hanyu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 号: SB ページ: SBBB02-SBBB02
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abdcb0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of MTJ-Based Nonvolatile Circuit Techniques for Energy-Efficient Binary Neural Network Hardware (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, T. Chiba and T. Hanyu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 5 ページ: 050602-050602
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab82ae
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 47.14μW 200MHz MOS/MTJ-Hybrid Nonvolatile Microcontroller Unit Embedding STT-MRAM and FPGA for IoT Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, D. Suzuki, A. Tamakoshi, T. Watanabe, H. Honjo, H. Koike, T. Nasuno, Y. Ma, T. Tanigawa, Y. Noguchi, M. Yasuhira, H. Sato, S. Ikeda, H. Ohno, T. Endoh, and T. Hanyu
  • 雑誌名: IEEE Journal of Solid State Circuits 巻: 54 号: 11 ページ: 2991-3004
  • DOI: 10.1109/jssc.2019.2930910
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of an energy-efficient XNOR gate based on MTJ-based nonvolatile logic-in-memory architecture for binary neural network hardware (2019)
  • 著者名/発表者名: Natsui Masanori、Chiba Tomoki、Hanyu Takahiro
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SB ページ: SBBB01-SBBB01
  • DOI: 10.7567/1347-4065/aafb4d
  • NAID: 210000135331
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of MTJ-Based nonvolatile logic gates for quantized neural networks (2018)
  • 著者名/発表者名: Natsui Masanori、Chiba Tomoki、Hanyu Takahiro
  • 雑誌名: Microelectronics Journal 巻: 82 ページ: 13-21
  • DOI: 10.1016/j.mejo.2018.10.005
  • 査読あり
• [学会発表] 不揮発ロジックLSI技術に基づく次世代エッジコンピューティングパラダイムの展望 (2023)
  • 著者名/発表者名: 夏井雅典
  • 学会等名: NV-FPGA Initiative 第4回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Prospects of Energy-Efficient Edge-AI Accelerator Architecture Using Nonvolatile Logic (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, D. Suzuki, Y. Takako, A. Tamakoshi, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of a Low-Power FPGA-Based CNN Accelerator Based on Nonvolatile Logic-in-Memory Circuitry (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Suzuki, M. Natsui, A. Tamakoshi, Y. Takako, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Energy-Efficient Nonvolatile RISC-V CPU with a Custom Instruction-Controlled Accelerator (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakamoto, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2022 IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Operation-Condition-Aware Dynamic Power Gating for Nonvolatile LSIs, (2022)
  • 著者名/発表者名: F. Zhong, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: 31st International Workshop on Post-Binary ULSI Systems
  • 国際学会
• [学会発表] MTJベース量子化ニューラルネットワークハードウェアの書込みエネルギー削減手法に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅野健，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: ICD学生・若手研究会
• [学会発表] 書込みエラー特性に基づく MTJ ベース不揮発レジスタの制御部最適化に関する一検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井楓，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: ICD学生・若手研究会
• [学会発表] ビットエラー耐性を活用した省エネルギーニューラルネットワークの構成に関する基礎的研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅野健，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: 2022年度電気関係学会東北支部連合大会
• [学会発表] 書込みエラー検出機能を有する高信頼不揮発レジスタの構成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井楓，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: 2022年度電気関係学会東北支部連合大会
• [学会発表] アクセラレータ制御命令を組み込んだRISC-Vベース省エネルギー不揮発CPUの構成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂本佳介，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: LSIとシステムのワークショップ2022
• [学会発表] 不揮発LSI向け可変パワーゲーティングスイッチ構造とその動的制御に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鐘方岑，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: ICD学生・若手研究会
• [学会発表] Dynamic Power-Gating-Switch Control Technique and Its Application to an Energy-Efficient Embedded STT-MRAM (2021)
  • 著者名/発表者名: F. Zhong, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2021)
  • 国際学会
• [学会発表] K.C.Smith賞受賞時の研究とその後の研究の展望について ～不揮発ロジックインメモリ構造を活用したポストプロセスばらつき補正技術とその応用展開～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 夏井雅典
  • 学会等名: 第44回多値論理フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気トンネル接合素子を活用した高性能・省エネルギー不揮発LSIの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 夏井雅典
  • 学会等名: R025先進薄膜界面機能創成委員会 第6回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 次世代エッジコンピューティングを支える集積回路技術 (2021)
  • 著者名/発表者名: 夏井雅典
  • 学会等名: 電子情報通信学会東北支部学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 動作環境適応型パワーゲーティングスイッチ制御技術とその不揮発ロジックLSIへの応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鐘方岑，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: デザインガイア2021 -VLSI設計の新しい大地-
• [学会発表] Power-Gating Switch-Control Technique for Nonvolatile Logic LSI (2021)
  • 著者名/発表者名: F. Zhong, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: The 4th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Design of a Magnetic-Tunnel-Junction-Based Nonvolatile Flip-Flop with Common-Mode Write Error Detection (2020)
  • 著者名/発表者名: G. Yamagishi, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 不揮発ロジックLSIのパワーゲーティングスイッチ制御技術に関する一検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鐘方岑，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: デザインガイア2020 -VLSI設計の新しい大地-
• [学会発表] Impact of nonvolatile-logic design techniques for spintronics-based edge AI computing (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, T. Chiba and T. Hanyu
  • 学会等名: The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Design of a Resilient Nonvolatile Flip-Flop with Common-Mode Write Error Detection (2020)
  • 著者名/発表者名: G. Yamagishi, M. Natsui, and T. Hanyu
  • 学会等名: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Design of a Current-Mode Linear-Sum-Based Bitcounting Circuit with an MTJ-Based Compensator for Binarized Neural Networks (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, M. Natsui and T. Hanyu
  • 学会等名: 49th IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic (ISMVL2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of an MTJ-Based Fully-Nonvolatile Microcontroller LSI and Its Impact on IoT Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui and T. Hanyu
  • 学会等名: 28th International Workshop on Post-Binary ULSI Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Nonvolatile Logic LSI Design Technology and Its Application to AI Hardware (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui
  • 学会等名: 2019 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MTJ-Based Nonvolatile Logic-in-Memory Circuit with Feedback-Type Equal-Resistance Sensing Mechanism for Ternary Neural Network Hardware (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui and T. Hanyu
  • 学会等名: IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 非相補抵抗状態検出機能を有する高信頼MTJベース不揮発性フリップフロップの構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山岸源征，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: 令和元年度電気関係学会東北支部連合大会
• [学会発表] 省エネルギー二値化ニューラルネットワーク向けMTJベース積和演算回路の構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 千葉智貴，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: デザインガイア2019 -VLSI設計の新しい大地-
• [学会発表] Impact of MTJ-Based Nonvolatile Microcontroller LSI for IoT Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, D. Suzuki, A. Tamakoshi, H. Sato, S. Ikeda, T. Endoh, and T. Hanyu
  • 学会等名: 5th CIES Technology Forum / DAY 1 International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MTJ-Based Nonvolatile Logic Gates for Quantized Neural Network Hardware (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, T. Chiba and T. Hanyu
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Brainware LSI
  • 国際学会
• [学会発表] An FPGA-Accelerated Fully Nonvolatile Microcontroller Unit for Sensor-Node Applications in 40nm CMOS/MTJHybrid Technology Achieving 47.14μW Operation at 200MHz (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, D. Suzuki, A. Tamakoshi, T. Watanabe, H. Honjo, H. Koike, T. Nasuno, Y. Ma, T. Tanigawa, Y. Noguchi, M. Yasuhira, H. Sato, S. Ikeda, H. Ohno, T. Endoh, and T. Hanyu
  • 学会等名: 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] An FPGA-Accelerated Fully Nonvolatile Microcontroller Unit for Sensor-Node Applications in 40nm CMOS/MTJHybrid Technology Achieving 47.14μW Operation at 200MHz (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui
  • 学会等名: IEEE SSCS Kansai Chapter Technical Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] MTJベースばらつき補正機能を用いた2値化ニューラルネットワーク向け低消費電力・省面積bitcount回路の構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 千葉智貴，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: 第32回多値論理とその応用研究会
• [学会発表] MTJ-Based Nonvolatile Ternary Logic Gate for Quantized Convolutional Neural Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, T. Chiba and T. Hanyu
  • 学会等名: IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference
  • 国際学会
• [学会発表] MTJ-Based Nonvolatile Logic Gate for Binarized Convolutional Neural Networks and Its Impact (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui, T. Chiba and T. Hanyu
  • 学会等名: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
• [学会発表] 不揮発量子化ニューラルネットワーク構造に基づく小型・超低消費電力XNOR回路の構成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 千葉智貴，夏井雅典，羽生貴弘
  • 学会等名: 平成30年度電気関係学会東北支部連合大会