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

多田 宗弘 NEC系統平台研究所主任研究員