Renesas EDGE

いま、私たちの身近には高性能なエレクトロニクス製品があふれ、快適で安全な生活に大いに役立っている。たとえば、単なる電話の域を大きく超え、まさしくユビキタスネットワーク社会のキー端末としての携帯電話を思い浮かべるであろう。また、電子化が進むことで安全性や快適性がより向上している自動車や、フラットTVやDVD＋HDDプレーヤ、デジタルオーディオといった新しい家電製品もしかりである。

これら多種多様なエレクトロニクス製品の高性能化や多機能化に大きく貢献しているのが半導体であるといっても過言ではない。「ルネサスは、ユビキタスネットワーク社会の実現に貢献していくことをビジョンとして発足しました。そのビジョンの通り、そこで求められる半導体を開発・提供していくために必要となる多様な先進技術についても、積極的に開発を進めています」（稲吉）。

ユビキタスネットワーク社会の実現に貢献する半導体を開発していくうえでルネサスは、組織的にはITDM（Integrated Technology Device Manufacturing）を指向し、研究開発では、日立製作所や三菱電機の各研究所や各種研究機関、プロジェクトなどと密接な連携を図っている。「世界的な業績をもつ日立製作所と三菱電機の各研究所への研究依頼や、先般学会発表した松下電器産業様との共同開発などのように各社と密接な連携を図りながら、最先端技術の開発を行っていけるというのは、ルネサスの大きな強みのひとつです」（稲吉）。日立、三菱の研究所との連携に加え、大学などの研究機関、半導体MIRAIやあすかプロジェクト、HALCAプロジェクトなど、次世代半導体の研究開発プロジェクトに対しても、人材を派遣するなど積極的な参加を続けている。

ここで、半導体のなかでもマイコンやASICなどのLSIに注目して、図１を見ながらその技術発展の経緯を見てみよう。

メインフレームやPCがLSIの技術を牽引してきたことは明らかだ。しかし、それらの技術の発展の度合いは、「技術がビジネスに必要なレベルに追いつかない」時代が長らく続いていた。そのLSIの技術が「ビジネス用途に必要とされるパフォーマンス」を提供できるようになってきた2000年頃は、LSIの技術の牽引役がPCからモバイル製品などへ移行してきた時代と重なっている。

そして現在、技術革新の成果により「技術がビジネスに必要なレベルを超越」したことで、「人が技術を使いこなす時代」から「技術が人を思いやる時代」へと大きく変化してきたといえるだろう。「ビジネスに必要なレベルの技術」とは、人によって要求するものが異なるかも知れない。しかし、ベースとなるインターネットへの接続や、快適に文章を入力したり、表計算を行うといった用途に対して、現在のPCは充分なパフォーマンスを提供できている。

今後は、そういったビジネスに必要なパフォーマンスに加えて、「いつでもどこでも誰とでも」コミュニケーションが可能になるユビキタスネットワーク社会に向けて、より快適で安全な生活を支えるための多様な技術が要求されるようになってくる。「たとえば、モバイル機器においても、デスクトップPCに匹敵する演算能力が求められるとともに、バッテリーでの長時間駆動を行える低消費電力化のための技術、多くのデータを携帯して自由にアクセスできる高速ネットワーク技術、セキュリティに関する技術、さらには誰でも手軽にそれらのシステムを使うことができるユーザインタフェースに関する技術などが求められ始めました。これらは、そのままユビキタスネットワーク社会を実現するためのシステム全体に必要とされる技術と言い換えることもできます」（稲吉）。

ユビキタスネットワーク社会で求められる半導体は、いままで以上に高性能かつ低消費電力、そして低価格、省サイズ、高信頼性といった、それぞれ実現することが難しく、かつ相反する要件条件を満たす必要がある。これらの課題を解決してくれる半導体製品としてルネサスが重要視しているのがSoC（System on Chip）である。

いままで複数のチップやディスクリートで構成していたシステムを、究極的には1つのシリコン上に集積するものだ。「SoC化を進めていくと必然的に多様なエレメントがSoCの中に取り込まれていくことになります。ルネサスでは、そのために必要となる技術の開発を積極的に進めています」（稲吉）。

また、ルネサスが独自に打ち出すSIP（Solution　Integrated　Products）も、SoCと共にそれらの要件を満たす先端技術として期待されている。

S I Pは、複数のL S Iをひとつのパッケージに収める技術であるSiP（System in Package）よりも大きな概念を示している。「SIPは、最終的にS i Pの技術を用いて、S o Cやメモリ、さらにその周辺LSIを１パッケージに入れ、小型化するとともに、ボードの低ノイズ化、低消費電力化、低コスト化を実現しつつシステムの性能を充分に引き出すもので、お客様に最適なソリューションを提供できます」（稲吉）。このSIPを意識したSoC設計のポイントとして、チップ形状の最適化、I/O PAD配置の最適化、I/Oバッファ駆動力の最適化、さらにはSIPテスト回路の採用などがあげられる。これらを考慮することで、最適なSIP構造を考慮したSoCを開発することが可能となる。

高性能なSoCを実現していくには、プロセス技術、低消費電力技術、低電圧技術、低ノイズ技術、パッケージング技術、テスト技術、設計技術といった半導体開発・製造の基盤となる技術に加え、SoCに搭載されるさまざまな機能モジュールの整備や応用技術、パートナーとの連携など、多くの要素が必要となる。

なかでも、特に注目しておきたいのが、エンベデッドコア、エンベデッドメモリ、エンベデッドアナログという３つの機能モジュールに関する技術動向だろう。

エンベデッドコアは、CPUやMPU、DSPといったプロセッサコアに加え、画像処理や通信処理などの機能モジュールも応用分野のニーズに合わせ整備していく必要がある。

特に、ユビキタスネットワーク社会で必要とされるシステムでは、性能と消費電力のバランスが必要とされる。「そこで、プロセッサコアの整備とともに、各種の機能モジュールコアのバリエーション展開の充実と共に、機能のフレキシビティを向上させることで、ソフトウエア処理とハードウエア処理について、ニーズに合わせたパーティショニングが可能となり、性能と消費電力でバランスの取れたSoCを開発することができます」（村松）。

SoCでは、システムのニーズを推察し、SoCの開発に先立って搭載すべきコアをいかに事前に準備しておくかが重要である。さらに「コアを整備していることに加えて、いかにそのコアを磨く手段を持っているかが大切になります。つまり、コアはいったん開発したらそこで終わりではなく、常に進化させていくことが、競争力あるSoC開発のために不可欠です」（村松）。

コアを磨く手段として最も効果のあるのは、実際のSoCに搭載され、製品として世の中に出されることであろう。SoCにインプリメンテーションする過程や、そのSoCを搭載したシステムのソフトウエア開発を行う過程、実際にエンドユーザの手に渡ってからの評価など、さまざまなシーンでコアを磨くための情報を得ることができる。「多方面のジャンルのアプリケーションで磨くことで、ロバストネスを向上させることができます」（村松）。

ルネサスは、携帯電話、デジタル家電分野、自動車に注力するとともに、ネットワークや産業などを含めた幅広い市場で豊富な実績をもつ。ルネサスのコアは、これらさまざまな市場に向けたSoCに搭載されることによって磨き抜かれているところに、大きな強みを見出すことができる。

また、カスタムLSIばかりでなく、ASSP（Application Specific Standard Product）などの標準LSIへの搭載によっても、コアを磨くことができる。ルネサスでは、多種多様なASSP製品を提供しており、そこでもコアを鍛える環境が整っているといえるだろう。

また、SoCには多種のコアが搭載されるため、SoCの高性能化を図るためには内部のバス設計の良否がSoC設計の重要なポイントとなる。複数チップに分かれていた機能をワンチップに集積したSoCでは、外付けメモリも1チップに集約されるため、バスの使用効率が問題となる。「システム全体のデータの流れを理解した上で、低速、中速、高速といった複数のバスを使い分ける技術や、同じくシステム全体を見渡したバス調停の技術が必須となります。ルネサスでは、コアの充実と同様に、バスも重要視しています」（村松）。

エンベデッドメモリもSoCの高性能化のために必須のアイテムとなる。プロセスの微細化にともなって、1チップ内により大容量のエンベデッドメモリを搭載できるようになるからだ。大容量のキャッシュメモリやワークメモリなどを混載できれば、それだけシステム全体の高性能化を図ることができる。「ルネサスでは、①アプリケーションのターゲットに向けたメモリ、②大規模外付けメモリ、そして③デバイスの特性を考慮した技術開発、という3つの方向性でエンベデッドメモリに取り組んでいます」（有本）。

アプリケーションのターゲットに向けたメモリとしては、たとえば携帯電話に向けたローパワーのSRAMとなる。ルネサスでは、日立製作所と共同で90nm世代以降のSoCに向け低電圧・低電力で動作するオンチップSRAM回路を実現する電源フローティング技術や書き込みモニター技術を開発した。「SRAMのローパワーについては、我々が最も進んだ技術を持っていると自負しています。また、パワーマネジメント技術についてもリードしています」（有本）。

従来、複数チップで構成していた回路をSoCに集積することで、それぞれのチップに外付けされていたメモリも1チップに集約でき、外付けメモリも従来に比べて大容量のものが求められてくる。一般に、DRAMが用いられる大容量の外付けメモリとSoC間のアクセスでは高速バスが必要となり、基板コストの上昇を招いたり、ノイズ対策のための多くの工数が必要となっている。「ルネサスが得意とするSIP技術によって大規模な外付けDRAMについても、SoCにスタックする形で1パッケージに実装しています。これにより、専用の高速バスによる高速アクセスが実現でき、ノイズ対策、基板コスト低減など多くのメリットを産みだすことができています」（有本）。

また、エンデベッドメモリとして、ルネサスオリジナルの高機能メモリIP群を有している。そのなかには、SoCプロセスに適合性の高い高集積オンチップメモリであるTCRAM（Twin Cell RAM）や、業界一の大容量化を実現したTCAM （Ternary Content Addressable Memory:連想メモリ）などの最先端のエンベデッドメモリもある。

プロセスが微細化することによる課題として、スイッチング特性の劣化によるリーク電流の増大や素子特性のばらつきの増大による回路マージンの低下などがある。SoCに混載されるSRAMでは、こういった影響をより受けてしまうことから、回路技術やシステム技術によって改善していくことがポイントとなる。ルネサスは、これらデバイス特性を考慮した技術開発を視野に入れ、新技術としてSOI（Silicon On Insulator）技術を適用したSRAM回路の開発や、松下電器産業とのembedded DRAM開発なども進めている。

さらに、次世代のメモリとして、MRAM（Magnetic RAM）、相転移メモリなどに関するさまざまな技術開発にも意欲的な取り組みを開始した。

SoC化を進めるには、エンベデッドアナログの技術も重要性を増してきている。

たとえば、DVDやHDDのリードチャネルは高性能のADコンバータ、DAコンバータ、PLLなど多数のアナログコアをSoCに集積している。アナログ／デジタル混在の高度な回路によりシステムの高性能化に直結する高い読み出し性能・サーボ性能を実現しているものだ。「ルネサスは、高性能なアナログコアを低消費電力かつ省面積で混載するための技術開発に注力しています。また、デジタル回路との混載の場合、ノイジーな中でアナログコアとしての性能を追求することもポイントとなります」（中込）。

ルネサスでは、アナログコアを混載するにあたり、アーキテクチャを見直すなど、SoC化に適した回路方式に作り替えるといった工夫も行っている。「アナログコアだけを単独で設計するのではなく、個々のSoCに最適なアナログのアーキテクチャや回路設計を行っています」（中込）。

製品ごとに異なる要求仕様にフィットするアナログIPを提供することもポイントとなる。そのためには、短TATでの設計が必要であり、アナログ設計の自動化に向けた技術開発も進めている。「DAコンバータをはじめとするアナログコアの自動設計技術の開発にも力を入れています。また、VerilogなどのH D L（Hardware Description Language）を用いてアナログコアを記述することで、複雑なアナデジ混在SoCの動作を短時間で検証する手法の開発も行っています」（中込）。

これまでアナログコアの開発は、専門のエンジニアが職人芸的に行っていることが多かった。しかしSoC時代を見据えた場合、HDLでアナログを記述できるといった、アナログにも精通し、かつシステム全体も見渡せるシステムエンジニアが必要となってくる。「経験豊富なアナログ専門家をルネサス内に多数擁しており、今後はそのノウハウを活かすことでアナログコアの開発効率を向上していきます」（中込）。

今後は、携帯電話のRFICやDSC（デジタルスチルカメラ）のアナログフロントエンドなど、ルネサスが多くのシェアを持つアナログ製品もSoCへ混載できるようにしていく。また、BluetoothやZigbee、UWB（Ultra Wide Band）といった無線系のアナログモジュールにも注力していく。「低ノイズ、高速、ローパワーといったルネサスのアナログ技術の強みを活かすことで、アプリケーションに最適化したアナログコアの設計を行っていきます」（中込）。

ちなみにルネサスでは、2005年4月1日から「コネクティビティ技術開発センタ」を発足させた。無線LANをはじめとする広帯域無線のためのRF技術、デジタル信号処理技術、ソフトウエア／システム技術を開発していくものだ。ここにも、PLLや無線系のアナログ技術が活きてくる。

ここまで、エンベデッドソリューションの中心となるSoCの開発戦略についてみてきた。今後もルネサスは、世界に誇る研究開発体制を背景に、エンベデッドコア、メモリ、アナログを中心としたSoCやSIPへの研究開発を推進していく。そこで生み出されるさまざまな先端技術は、ユビキタスネットワーク社会をターゲットとするお客様が求める半導体製品の開発に活かされていくことだろう。

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SoCに向けた先端技術への取り組みに限らず、ルネサスでは半導体そのものに加え、システムインテグレータとして半導体を搭載したシステム全体の高性能化を図っていくための、さまざまな先端技術を常に追求している。

その成果の現れとして、最新のISSCC（International Solid-State Circuits Conference：国際固体素子回路会議）2005およびIEDM（International Electron Devices Meeting：国際電子デバイス会議）2004、Symposia on VLSI Technology and Circuits 2004などにおいて、今回もルネサス関連で多くの論文が発表の機会を得ることができた。

次ページからは、ISSCC2005およびIEDM2004で発表されたルネサス関連の論文のなかから、エンベデット技術関連で注目される６つの概要を紹介する