配線ボトルネックフリー2線式多値ディジタルコンピューティングVLSIシステム

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12480064
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 亀山 充隆 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (70124568)
• 研究分担者: 羽生 貴弘 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40192702)
• キーワード: 2線式電流モード多値集積回路 / ロジックインメモリVLSI / フルソースカップルドロジック / 細粒度パイプライン / 強誘電体デバイス / 不揮発ロジックインメモリ

研究概要

本研究では,転送ボトルネックのないVLSIシステムの構築を目指したディジタルコンピューティング高性能回路技術とその応用の開拓を行った。
1.世界最高性能の多値集積回路の開拓
数GHzクロック周波数で動作する高速・低電力VLSIプロセッサのための高性能回路技術の開発を目指し、高い電流駆動能力を有する差動対回路技術を徹底的に活用した高性能多値VLSIシステムを考案し、その有用性を実証した。まず,電流モード多値集積回路の高性能化のために、1個のMOSトランジスタによる電流・電圧変換に基づき、全てのスイッチング動作を差動対回路のみで行うフルソースカップルドロジック多値集積回路とその最適設計法を与えた。
また,全ての差動対回路を2線相補入力対で駆動する2線式フルソースカップルドロジック多値集積回路を提案し、1線入力駆動の場合と比較して電流駆動能力を大幅に向上できることを明らかにした。さらに、フルソースカップルドロジック多値集積回路を用いた細粒度パイプラインVLSIシステムへの応用も検討した。
2.強誘電体デバイスを用いたロジックインメモリアーキテクチャ
強誘電体キャパシタを用いた不揮発性ロジックインメモリ回路を提案した。強誘電体キャパシタに印加する入力の電位差に応じて特定の残留分極状態遷移が起こることに着目した機能パスゲートの構成法を与えている。さらに、非破壊読出し動作のためのプリチャージ方式を考案した。0.6μmCMOS/強誘電体プロセスにより基本回路の試作を行った結果、同等機能のCMOS回路のみによる構成と比較して、面積はもとよりリーク電流などに起因する消費電力の大幅な減少が可能となることを明らかにしている。応用例として完全並列形連想メモリの評価を行い、大幅な高性能化が達成できることを実証した。

研究成果

• [文献書誌] 山口 通智, 羽生貴弘, 亀山充隆: "適応的電源電圧制御に基づく低消費電力VLSIアーキテクチャ"電子情報通信学会総合大会. C-12-21. 103 (2002)
• [文献書誌] Hiromitsu Kimura, Takahiro Hanyu, Michitaka Kameyama, Yoshikazu Fujimori, Takashi Nakamura, Hidemi Takasu: "Complementary Ferroelectric-Capacitor Logic and Its Application"IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers. 160-161 (2003)
• [文献書誌] Hiromitsu Kimura, Takahiro Hanyu, Michitaka Kameyama: "Implementation of a DRAM-Cell-Based Multiple-Valued Logic-in-Memory Circuit"IEICE Trans. Electron.. Vol.E85-C, No.10. 1814-1823 (2002)
• [文献書誌] Hiromitsu Kimura, Takahiro Hanyu, Michitaka Kameyama: "VLSI System Based on Ferroelectric Logic-in-Memory Architecture"2002 International Symposium on New Paradigm VLSI Computing. 60-65 (2002)
• [文献書誌] 木村啓明, 羽生貴弘, 亀山充隆, 藤森敬和, 中村孝, 高須秀視: "強誘電体デバイスに基づくロジックインメモリVLSIの構成"信学技報. ICD2002-9. 7-12 (2002)
• [文献書誌] 木村啓明, 羽生貴弘, 亀山充隆, 藤森敬和, 中村孝, 高須秀視: "強誘電体デバイスを用いた機能パスゲートと低電力VLSIへの応用"電気学会 電子材料研究会資料. EMF-02-9〜18. 57-62 (2002)
• [文献書誌] 高橋知宏, 羽生貴弘, 亀山充隆: "多値双方向データ転送に基づく非同期VLSIシステム"多値論理研究ノート. Vol.25, No.5. 5-1-5-10 (2002)
• [文献書誌] 藤原誠, 亀山充隆: "超高基数Signed-Digit数高並列演算ハードウェアアルゴリズムとそのVLSI化"多値論理研究ノート. Vol.25, No.4. 5-1-5-10 (2002)
• [文献書誌] 池司, 羽生貴弘, 亀山充隆: "ソース結合形多値集積回路の高性能化と画像処理VLSIプロセッサヘの応用"信学技報. ICD2002-102. 45-50 (2002)
• [文献書誌] 亀山充隆, 羽生貴弘, 木村啓明: "強誘電体ロジックインメモリアーキテクチャに基づくシステムLSIの展望"信学技報. ICD2002-172. 47-52 (2002)