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2014 年度 実績報告書

ビッグデータのリアルタイム処理に向けた新機能材料を用いた集積回路システムの研究

研究課題

研究課題/領域番号 26289110
研究機関中央大学

研究代表者

竹内 健  中央大学, 理工学部, 教授 (80463892)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワード電子デバイス / データストレージ / マイクロナノデバイス / 情報システム / ハイパフォーマンスコンピューティング
研究実績の概要

カーボンナノチューブ(CNT-RAM)、遷移金属酸化物(ReRAM)など、新機能材料を用いたストレージ・クラス・メモリを活用する集積回路・デバイスの研究を実施。機械学習を用いたメモリ制御により、ReRAMの信頼性(書き換え回数)を13倍向上させることに成功した。またCNT-RAMについては低ストレスなメモリ駆動回路方式を考案し、20uAという低電流動作と10の11乗以上の高い書き換え耐性を実現した。学術的には、従来のCMOSベースの回路の学問体系を新機能材料に拡張した新たな回路システム学の基盤を確立した。以上の成果を積極的に論文発表を行い、半導体関係で世界トップレベルの国際会議であるIEEE Symposium on VLSI Technologiesなどの査読つき国際会議で6件の論文を発表、電子デバイスで最も権威のあるIEEE Transactions on Electron Devicesなどの査読つき英文ジャーナルで論文を発表を9件発表。その他にも国内の学会で6件の発表を行い、メディアから11件の報道があった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

CNT-RAMの特性評価、書き込み性能解析の結果、カーボンナノチューブにおいて予想外の現象が観測されるなど、当初の予定にない新たな問題に取り組みつつも、研究を加速することで当初予定した内容も十分な成果を挙げており、全体としては以上の成果を出している。

今後の研究の推進方策

ナノメートルスケールのストレージ・クラス・メモリに最適な制御回路システムを構築する。メモリセルアレイの信頼性評価により、当初の予想に反して高いストレスを印加した方が書き換え耐性が向上することがわかっている。これはストレスと書き換え耐性のトレードオフを解決する重要な発見であり、この新現象をうまく活用することで、高速・高信頼・低消費電力なメモリ動作を実現する。プロセスのばらつきに加えて、回路のゆらぎに対してもロバストな回路システムを検討する。メモリセルをセルアレイに集積する際は、セルアレイ内の駆動配線もナノメートルサイズに微細加工され、配線抵抗が増大する。配線の抵抗の増大により、セルアレイ内の電位は揺らぐ(I・Rドロップ)。電圧の揺らぎは、周囲のメモリセルのデータに依存する。周囲に低抵抗のセルが多いほど、配線に流れる電流は増大し、電位の揺らぎが大きくなる。この回路ノイズによってもメモリセルの特性はゆらぐ。プロセスのみならず回路起因の様々なばらつきも考慮して最適なナノ回路システムを構築する。

次年度使用額が生じた理由

平成26年9月、ナノメモリの特性評価、書き込み性能解析の結果、当初の予想に反し、カーボンナノチューブにおいて電界効果とフォノン散乱の効果に関する新現象が起こることが判明した。

次年度使用額の使用計画

研究遂行上、この現象の本質を見極めることは、ナノメモリを活用したメモリシステムを構築する上で不可欠なものであるため、この現象について追加の解析と物理メカニズムの構築を行う必要が生じた。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2016 2015 2014

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Carbon Nanotube Memory Cell Array Program Error Analysis and Tradeoff between Reset Voltage and Verify Pulses2016

    • 著者名/発表者名
      Sheyang Ning, Tomoko Ogura Iwasaki, Shogo Hachiya, Glen Rosendale, Monte Manning, Darlene Viviani, Thomas Rueckes and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 04EE01

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 0.6-1.0 V Operation Set/Reset Voltage (3V) Generator for 3D-integrated ReRAM and NAND flash Hybrid Solid-State Drive2016

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Tanaka, Shogo Hachiya, Tomoya Ishii, Sheyang Ning, Kota Tsurumi and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 04EE07

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Memory System Architecture for the Data Centric Computing2016

    • 著者名/発表者名
      Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 04EA02

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 50 nm AlxOy ReRAM program 31% energy, 1.6× endurance, and 3.6× speed improvement by advanced cell condition adaptive verify-reset2015

    • 著者名/発表者名
      Sheyang Ning, Tomoko Ogura Iwasaki and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Solid-State Electronics

      巻: 103 ページ: 64-72

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design Guidelines of Storage Class Memory Based Solid-State Drives to Balance Performance, Power, Endurance and Cost2015

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Onagi, Chao Sun and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 54 ページ: 04DE04

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Advanced Error-Prediction LDPC with temperature compensation for Highly Reliable SSDs2015

    • 著者名/発表者名
      Tsukasa Tokutomi, Shuhei Tanakamaru, Tomoko Ogura Iwasaki and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Solid-State Electronics

      巻: 111 ページ: 129-140

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation and Improvement of Verify-program in Carbon Nanotube Based Non-volatile Memory2015

    • 著者名/発表者名
      Sheyang Ning, Tomoko Ogura Iwasaki, Kazuya Shimomura, Koh Johguchi, Eisuke Yanagizawa, Glen Rosendale, Monte Manning, Darlene Viviani, Thomas Rueckes and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 62 ページ: 2837-2844

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Array-level Stability Enhancement of 50nm AlxOy ReRAM2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoko Ogura Iwasaki, Sheyang Ning, Hiroki Yamazawa and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      Solid-State Electronics

      巻: 114 ページ: 1-8

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Understanding Relation Between Performance and Reliability of NAND Flash / SCM Hybrid Solid-State Drive (SSD)2015

    • 著者名/発表者名
      Shuhei Tanakamaru, Shogo Hosaka, Koh Johguchi, Hirofumi Takishita and Ken Takeuchi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on VLSI Systems

      巻: 99 ページ: 1-12

    • 査読あり
  • [学会発表] カーボンナノチューブを用いた不揮発性メモリデバイスの信頼性評価2015

    • 著者名/発表者名
      猪瀬貴史, Tomoko Ogura Iwasaki, Sheyang Ning, 竹内健
    • 学会等名
      集積回路研究会
    • 発表場所
      京都工芸繊維大学
    • 年月日
      2015-12-17 – 2015-12-17
  • [学会発表] 0.6V Operation, 26% Smaller Voltage Ripple, 9% Energy Efficient Boost Converter with Adaptively Optimized Comparator Bias-Current for ReRAM Program in Low Power IoT Embedded Applications2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Ishii, Shogo Hachiya, Sheyang Ning, Masahiro Tanaka and Ken Takeuchi
    • 学会等名
      IEEE Asian Solid-State Circuits Conference
    • 発表場所
      Xia'men International Conference Center
    • 年月日
      2015-11-10 – 2015-11-10
    • 国際学会
  • [学会発表] A 1.0 V Operation, 65% Faster Set/Reset Voltage (3V) Generator for 3D-integrated ReRAM and NAND flash Hybrid Solid-State Drive2015

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Tanaka, Shogo Hachiya, Tomoya Ishii, Sheyang Ning and Ken Takeuchi
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      Sapporo Convention Center
    • 年月日
      2015-09-30 – 2015-09-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of Carbon Nanotube Memory Cell Array Program Characteristics2015

    • 著者名/発表者名
      Sheyang Ning, Tomoko Ogura Iwasaki, Eisuke Yanagizawa, Shogo Hachiya, Glen Rosendale, Monte Manning, Darlene Viviani, Thomas Rueckes and Ken Takeuchi
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      Sapporo Convention Center
    • 年月日
      2015-09-30 – 2015-09-30
    • 国際学会
  • [学会発表] ReRAM for Storage Class Memory Application from Memory Architecture Perspective2015

    • 著者名/発表者名
      Ken Takeuchi
    • 学会等名
      5th International Workshop on Resistive Memories
    • 発表場所
      IMEC,Leuven,Belgium
    • 年月日
      2015-09-25 – 2015-09-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Machine Learning Prediction for 13× Endurance Enhancement in ReRAM SSD System2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoko Ogura Iwasaki, Sheyang Ning, Hiroki Yamazawa, Chao Sun, Shuhei Tanakamaru and Ken Takeuchi
    • 学会等名
      IEEE International Memory Workshop
    • 発表場所
      Hyatt Regency Hotel,Monterey,CA
    • 年月日
      2015-05-20 – 2015-05-20
    • 国際学会
  • [学会発表] 抵抗変化型メモリの書き込み特性の評価2015

    • 著者名/発表者名
      西川進, 寧渉洋, 蜂谷尚悟, 竹内健
    • 学会等名
      応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東海大学
    • 年月日
      2015-03-13 – 2015-03-13
  • [学会発表] 抵抗変化型メモリ(ReRAM)の書き込み特性の評価2014

    • 著者名/発表者名
      西川進, 寧渉洋, 竹内健
    • 学会等名
      集積回路研究会
    • 発表場所
      機械振興会館
    • 年月日
      2014-12-01 – 2014-12-01
  • [学会発表] Carbon nanotube(CNT)を用いた不揮発性メモリデバイスの信頼性評価2014

    • 著者名/発表者名
      柳沢英祐, 寧渉洋, 竹内健
    • 学会等名
      集積回路研究会
    • 発表場所
      機械振興会館
    • 年月日
      2014-12-01 – 2014-12-01
  • [学会発表] 低電圧動作可能なReRAM向けプログラム電圧生成回路2014

    • 著者名/発表者名
      田中誠大, 石井智也, 蜂谷尚悟, 竹内健
    • 学会等名
      集積回路研究会
    • 発表場所
      機械振興会館
    • 年月日
      2014-12-01 – 2014-12-01
  • [学会発表] 23% Faster Program and 40% Energy Reduction of Carbon Nanotube Non-volatile Memory with Over 10^11 Endurance2014

    • 著者名/発表者名
      Sheyang Ning, Tomoko Ogura Iwasaki, Kazuya Shimomura, Koh Johguchi, Glen Rosendale, Monte Manning, Darlene Viviani, Thomas Rueckes and Ken Takeuchi
    • 学会等名
      IEEE Symp. on VLSI Technology
    • 発表場所
      Hilton Hawaiian Village, Honolulu, HI
    • 年月日
      2014-06-12 – 2014-06-12
    • 国際学会
  • [学会発表] SSDコントローラーとミドルウェアの協調設計2014

    • 著者名/発表者名
      荒川飛鳥, 孫超, 曽我あゆみ, 宮地幸祐, 竹内健
    • 学会等名
      LSIとシステムのワークショップ2014
    • 発表場所
      北九州国際会議場
    • 年月日
      2014-05-26 – 2014-05-28

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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