| 研究課題/領域番号 |
15K06042
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| 研究機関 | 大阪工業大学 |
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研究代表者 |
牧野 博之 大阪工業大学, 情報科学部, 教授 (50454038)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ばらつき / しきい値電圧 / ゲート酸化膜厚 / 適応的電圧制御 / リングオシレータ / ロジック回路 / 集積回路 |
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| 研究実績の概要 |
平成27年度は、リングオシレータ(RO)の発振周波数からMOSトランジスタのしきい値電圧(Vth) とコンダクタンス(β)の両方の仕上がり状況を検知する手法の確立に注力した。まず、多数回の回路シミュレーションを可能とするために、高性能ワークステーション(HP社Z840/CT)を1台導入するとともに、回路シミュレータとしてHSPICE(Synopsys社製Japan University Bundle)を導入することにより、高速かつ高精度の回路シミュレーション環境を整えた。
検知手法の開発においては、βのばらつきの主たる要因がゲート酸化膜厚(Tox)のばらつきであることから、VthとToxを検知することとした。以前の科研費研究(No. 23560423)で開発したRO回路を用い、トランジスタのVth とToxを変化させたシミュレーションを多数回行うことにより、ゲート遅延時間との対応関係を求めた。さらに、この対応関係を用いて、ROの発振周波数からVthとToxを逆算する方法を検討したところ、電源電圧が1種類の測定値では検知精度が低かったが、電源電圧の種類を増やすことで精度が向上し、最終的に3種類の電源電圧を用いることによって、Vthは±20mV、Toxは±3%の精度で検知可能であることが分かり、本手法が有効であるとの結論に達した。
また、これと並行してVth とToxを算出するプロセッサ回路の設計に着手した。上述の検知アルゴリズムのうち、Vthのみを逆算する回路をハードウエア記述言語VHDLによって設計し、逆算されたVthがnMOSとpMOSとも正しく出力されることを確認した。なお、回路設計に当たっては、Artela社製FPGA向け設計ソフトQuartusⅡを導入した。
以上の研究から得られた成果2件を、2015年度電気関係学会関西連合大会にて発表した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成27年度に予定していたVthとβの検知手法の確立および検知プロセッサの設計着手を、いずれも予定通り達成することができ、また両方の成果を学会発表することもできたので、研究は順調に進捗しているといえる。ただし、Vthとβの検知については、その精度をさらに向上させることが望ましく、これは次年度以降の課題とする予定である。研究費で導入した設備も全て有効に機能しており、特に問題はない。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28 年度は、まず前年度に着手したプロセッサ回路を完成させ、FPGA ボードで動作検証を行う。前年度開発したVthとToxの検知アルゴリズムに基づいて、前年度設計したVth検知用プロセッサを改良し、両方を検知可能とする。さらに、FPGAボードに実装してVthとToxの値を出力させ、正しく動作することを確認する。
これと並行して、Vth とToxの検知精度の高精度化に取り組むとともに、検知したVth とToxから最適電圧を関連付けるテーブルを作成する。科研費研究(No. 23560423)でSRAMに関するテーブル作成の手法は既に確立しているので、今回はロジック回路を対象とする。まず、Vth とToxに対して、対象とするロジック回路の遅延時間のグラフを作成し、等高線を描く。次に、ROから測定したVth とToxの仕上がり値による遅延時間を、ランダムなばらつきによる影響も考慮してグラフ内にプロットする。次に、電源電圧を変化させて等高線の位置を動かすことによって、遅延時間が要求スピードとなるような電源電圧を求め、これを最適電圧とする。以上のことを回繰り返すことで、Vth およびToxと最適電圧との対応をテーブル化する。なお、本手法を実現するためには、最適電圧を発生させる電圧発生器が必要であり、この開発も行う。
以上の実施に当たっては、pMOS とnMOS のVth 、Tox、電源電圧の合計4 つのパラメータを変化させた極めて多数のシミュレーションが必要であり、前年度に引き続いてHSPICEのシステムを導入する。さらに、プロセッサ回路の実証に当たっては、FPGA ボード1 枚を導入する。
なお、研究進捗の遅延などによって遅れが発生した場合は、電圧発生器の開発を取りやめ、科研費研究(No. 23560423)において開発した電圧発生器を流用する。また、研究成果は適宜学会に発表する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初は研究発表のために旅費20万円の使用を予定していたが、学会の開催場所が近かったために使用額が少なく、未使用分を物品費に加えてFPGA向け設計ソフトウエアを購入した。その結果、残額4万円程度が発生した。
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| 次年度使用額の使用計画 |
来年度の物品費として使用する予定である。
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