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NanoBridge-FPGA符合loT設備低功耗與高可靠性需求

特徵全然不同於SRAM型的FPGA誕生

半導體市場正在全世界各地持續擴大中。預估今後隨著loT設備和自動駕駛車的普及,半導體將開始尋求低功耗和高效率設計。基於這種背景下,可讓使用者依用途重組電路且電力效率高的「現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)」又再度吸引眾人目光。

目前主流的FPGA採用的是以靜態隨機存取記憶體(Static Random-Access Memory,SRAM)所組成的架構。但組成SRAM基本單元所需的電晶體(transistor)數量較多,內部結構也較為複雜,因而面臨到晶片面積擴大,難以更進一步降低功耗的難題。此外,SRAM是依有無電荷區別0/1,以維持電路訊息的架構,但來自太空的些微輻射射入大型積體電路(Large scale integration,LSI)時,便可能干擾電荷而產生運作錯誤。特別是運用汽車、醫療器材、人工衛星、伺服器等高可靠性設備時,需謹慎注意。

NEC自2003年起便著手進行利用固態電解質(※1)元件,完全不同於SRAM型的新FPGA基礎研究。研究經過10年以上的歲月,終於確立材料研究、設計和集成技術,並經由晶片性能的驗證後,成功開發出以「NanoBridge®」為名的金屬原子移動型交換器。並自2017年秋季開始生產搭載此交換器的「NanoBridge-FPGA」(以下稱:NB-FPGA)樣品。

NB-FPGA並非依照有無電荷,而是藉由金屬原子於固態電解質內的交叉鏈接(crosslink)(※2)來維持電路訊息,不易受到輻射影響,錯誤發生率為SRAM型的百分之1以下,具有優異的輻射耐受性。此外,NB-FPGA形成於LSI的佈線層內,因此可透過將交換器設定成垂直堆疊結構,而讓晶片面積縮小到3分之1左右。即便在關閉電源的狀態下,仍維持0/1的電路訊息,因此相較於SRAM型FPGA,約可將功耗降至10分之1。

1 由外施加電壓,便可輕易移動固態電解質內的金屬離子。其中以添加氧化物而呈穩定態氧化鋯等最廣為人知,以往均也受到燃料電池和氧氣檢測器等所使用。

※2  請參考後文介紹解說。

利用宇宙環境實驗,驗證實用性和可靠性

NB-FPGA具有SRAM型FPGA所沒有的結構與特徵,因此有可能不易預測運作的頻率和功耗,而徒增使用者在設計上所需時間與工時。

因此,NEC便開發讓使用者在對NB-FPGA載入電路之前, 可事先預測運作的頻率和功耗, 以便機動性修正程式原始碼(Source Code)和配線連結方式的設計工具。實現同於SRAM型等級的設計時間。

以期透過長達約1年的時間,驗證在太空環境中的實用性和可靠性。NEC希望藉此驗證實驗結果, 更進一步提升NB-FPGA的可靠性,以加速用於loT終端、車載機器、機器人等用途上。運用幾乎可搭載於所有既有代工系統半導體晶片的NB-FPGA,為全球半導體市場穩定運作loT設備與低功耗帶來貢獻。(日文版原文發表日期:2018年1月)

研究者簡介

阪本 利司 NEC系統平台研究所主任研究員

學生時期專攻電氣電子工學,研究半導體的低溫物性。進入NEC後,從事學生時期便已潛心投入的低溫半導體物性等基礎研究。與公司內外研究人員交換資訊的同時,著眼於幾個半導體相關種子領域。其中之一就是,可用固體電解質元件重構的電路。經過13年來的鑽研,終於在NanoBridge上開花結果。

為預防體重增加和肩頸酸痛,每週會上3〜4次健身房。主要是訓練肌力,並透過自行車式訓練器具排汗。此外還笑著說:「自從開始上健身房後,體重便驟減,周圍人還誤以為”工作壓力大到整個人都瘦下來了?”」。

多田 宗弘 NEC系統平台研究所主任研究員

學生時期專攻應用化學。研究作為防反射膜材料,可塗布於材料上的氟化物藥劑製造等。基於對矽半導體等設備有興趣,因而進入NEC。進入公司後鑽研銅配線、低介電常數配線等半導體LSI多層配線技術。2007年起為期1年,遠赴史丹佛大學留學。回國後,加入NanoBridge開發小組。

在美國留學期間,為了提高語言能力而開始看歐美的連續劇。現在也透過網際網路的串流影音服務,收看警匪辦案類的美劇。他本人表示:「美國連續劇對事件現場的描寫非常真實。我特別喜歡Happy End的開朗風格作品。」

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