今後の計画および進捗

エマージング・リサーチ・デバイス (ERD)

の研究開発動向

2012年度 STRJ-WG12 (ERD) メンバー

リーダー：木下敦寛（東芝）

サブリーダー：品田賢宏（産総研）

幹事：笹子佳孝（日立）

Strategy Gr.: 平本俊郎(東大)

Logic Gr.: TBD

佐藤信太郎(AIST), 河村誠一郎(JST), 野田 啓(京大)

内田 建(慶應大), 大野雄高(名古屋大), 川端清司(ルネサス)

藤原 聡(NTT), 白根 昌之(NEC), 日高睦夫(ISTEC)

Memory Gr.: 屋上公二郎(ソニー)

長谷川剛(NIMS), 秋永広幸(産総研)

Architecture Gr.: 浅井哲也(北大)

ペパー・フェルディナンド (NICT)

MtM Gr.: TBD

アドバイザー：

竹内 健(中央大), 粟野祐二(慶應大), 高木信一(東大),

1. 技術開発のトレンドとERD研究開発の目的

2. 2011年版で取り上げられているERDと現在の議論内容

Logic

Memory

Architecture

More

than

Moore

新探究デバイス (Emerging Research Devices)

ERD Chapterは2年に1回改訂 (次の改訂は2013年版)

2012年度の活動内容

世界大会 (4回)

ITRS Spring meeting: Memory Select Device WS / MtM WS ITRS Summer meeting: Storage Class Memory WS

ITRS ERD/ERM FxF meeting: Logic WS ITRS Winter meeting: Architecture WS

STRJ WG12会合 (11回開催, ヒアリング7件)

第68回 (4/19) 第69回 (5/25) 「JSTにおけるナノエレプロジェクト計画概要」JST・河村委員 第70回 (6/21) 「エマージングメモリレビュー」日立・笹子委員 第71回 (7/20) 「スピントロニクスのCMOSへの融合」東工大・菅原委員 第72回 (9/20) 「電圧誘起磁化反転の研究動向」東北大学・松倉先生 「ストレージクラスメモリ」中央大学・竹内委員 第73回 (10/19) 第74回 (11/15) 第75回 (12/17) 第76回 (1/24) 「ノーマリーオフコンピューティングの現状と課題」東芝・藤田氏 第77回 (2/14) 「Si/III-Vヘテロ接合界面を用いたトンネルFETの作製とトンネルFETの研究動向」 北大・冨岡先生

アプリケーション モジュール 回路 デバイス・材料 Bottom up approach Top down approach これまで これから

ERD研究開発のパラダイムシフト

目的志向の研究開発

Von Neumannアーキテクチャのボトルネック

MPU SRAM NAND Flash NAND Flash NAND Flash NAND Flash MPU SRAM MPU SRAM

System

 Bus

DRAM bus PCIe SATA SSD HDD Graphic Card, NIC, … DDR2, 3…

Memory:

Storage:

Logic:

(SRAM) DRAM DRAM

ボトルネック昔と今

NAND Flash NAND Flash NAND Flash NAND Flash

System

 Bus

DRAM bus PCIe SATA SSD HDD USB Graphic Card, NIC, … DDR2, 3…

Memory:

Storage:

Logic:

(SRAM)

_{トランジスタ性能}

トランジスタ(ビット)コスト

昔

のボトルネック

微細化

解決方法

DRAM DRAM MPU SRAM MPU SRAM MPU SRAM

ボトルネック昔と今

NAND Flash NAND Flash NAND Flash NAND Flash

System

 Bus

PCIe SATA SSD HDD Graphic Card, NIC, … DDR2, 3…

Memory:

Storage:

Logic:

(SRAM)

Von Neumann Bottleneck

今

のボトルネック

解決方法?

DRAM bus DRAM DRAM

データを記憶装置から処理装置に転 送する際のボトルネック． MPU SRAM MPU SRAM MPU SRAM

Von Neumann Bottleneckを超えるには？

MPU SRAM NAND Flash NAND Flash NAND Flash NAND Flash MPU SRAM MPU SRAM

System

 Bus

PCIe SATA SSD HDD USB Graphic Card, NIC, … DDR2, 3…

Memory:

Storage:

Logic:

(SRAM)

1

低ビットコストな不揮発RAM

2

3

高速低消費電力なBUS

高速なストレージ(上位I/F)

DRAM bus DRAM DRAM

2

4

Beyond (more than) Neumann

Architecture

1

3

ERD研究開発の目的①

1

M-type Storage Class Memory

2

3

高速低消費電力なBUS

S-type Storage Class Memory

4

Beyond (more than) Neumann

Architecture

低ビットコストな不揮発RAM

高速なストレージ(上位I/F)

Von Neumann Bottleneckを解消

すること．

ビッグデータ時代の情報システムとERD

Data Center

Network

モバイル・M2M端末

・CMOS+特定用途ERD

・M-/S-SCM

・光通信

・電力伝送

・光通信

・無線通信

・電力伝送

・センサー・アクチュエーター

・超低消費電力Logic/Analog/RF

・エナジーハーベスティング

高性能化/低コスト化/低消費電力化

低消費電力化/広帯域化

省スペース化/低消費電力化/低コスト化

セキュリティ技術

ERD研究開発の目的②

高効率な無線・電力伝送

エナジーハーベスト/スカベンジング

高性能化/低コスト化/低消費電力化

センサー・アクチュエーター

IT機器の多様・多彩なアプリケー

ションに対応すること．

2

セキュリティーデバイス

研究開発の目的とERD

Item Logic Memory MtM Architecture

S-type Storage Class Memory ○ △

M-type Storage Class Memory ○ △

高速低消費電力なBUS △ ○

Beyond (more than) Neumann Architecture ○

高性能化/低コスト化/低消費電力化 ○ ○ △ 高効率な無線・電力伝送 ○ エナジーハーベスト/スカベンジング ○ センサー・アクチュエーター ○ セキュリティーデバイス ○ △ VN  B o ttleneck アプリの多様化

研究開発の目的とERD

Item Logic Memory MtM Architecture

S-type Storage Class Memory ○ △

M-type Storage Class Memory ○ △

高速低消費電力なBUS △ ○

Beyond (more than) Neumann Architecture ○

高性能化/低コスト化/低消費電力化 ○ ○ 高効率な無線・電力伝送 ○ エナジーハーベスト/スカベンジング ○ センサー・アクチュエーター ○ セキュリティーデバイス ○ VN  B o ttleneck アプリの多様化

Emerging Logic Devices

MOSFETS

CNT FET

Graphene Nanoribbon FET

Nanowire FET

N‐type III‐V channel replacement FET

n‐type Ge channel replacement FET

Tunnel FET (BTBT)

Charge‐based beyond CMOS

SpinFET and Spin MOSFET Transistors

I‐MOS

Negative gate capacitance FET

NEMS

Atomic Switch

Mott FET

Alternative Information Processing Devices

Spin Wave Device

Nonomagnetic Logic

Excitonic FET

BiSFET (bilayer pseudo‐spin FET)

Spin Torque Majority Logic Gate

All Spin Logic

・Si/III-V/Ge → Carbon Electronics → Spin

という流れ

・応用回路などの視点からも議論が始まっている．

Emerging Logic Devices

1

微細化限界を打破するために

2

CMOS improvementとして

3

Replacement of Si (post B.N.) 特定用途向け(ex.超低消費電力) ばらつき/エラー補償 超低消費電力化 Si ER Logic 1 Si Si ERD 2 Si 3 ERDコンパチLogic ERD1 ERD2 セキュリティー or

研究開発の目的とERD

Item Logic Memory MtM Architecture

S-type Storage Class Memory ○ △

M-type Storage Class Memory ○ △

高速低消費電力なBUS △ ○

Beyond (more than) Neumann Architecture ○

高性能化/低コスト化/低消費電力化 ○ ○ 高効率な無線・電力伝送 ○ エナジーハーベスト/スカベンジング ○ センサー・アクチュエーター ○ セキュリティーデバイス ○ VN  B o ttleneck アプリの多様化

kB ~ MB < ns MB ~ GB 50 ns TB ~ GB ~ TB 500 us MPU SRAM NAND Flash DRAM DRAM NAND Flash NAND Flash NAND Flash MPU SRAM S‐SCM M‐SCM M‐SCM S‐SCM S‐SCM S‐SCM M‐type SCM S‐type SCM

Memory

Storage

Storage Class Memory

Memory

Storage

低ビットコストな不揮発RAM

高速なストレージ(上位I/F)

M‐SCM 速度 / Endurance

Emerging Memory Devices

DRAM

SRAM

MPU

SSD

(NAND Flash)

HDD

kB ~ MB < ns MB ~ GB 50 ns TB ~ 5 ms GB ~ TB 500 us Capacity Latency

MEMORY DEVICES

Ferroelectric Memory

Ferroelectric FET 

Ferroelectric Polarization ReRAM

Nanoelectromechanical memory

Redox Memory 

Mott Memory 

Macromolecular Memory

Molecular Memory

MEMORY SELECT DEVICES

Vertical Transistors

Diode‐type select devices

MIT switch  

Threshold switch

MIEC switch 

DRAM

(1T1C)

NAND‐Flash

(1T)

ER Memory

(1D1R)

1970 1kbit 1991 4Mbit 1963 IC 1980 5MB

これまでと違った使い方のメモリ/ストレージを浸透させるには，

ITRSにおけるSCMの要求スペック

Speed /

Endurance

Cost ($/GB)

Retention

3‐5ms /

unlimited

0.1

> 10 years

Parameter

HDD

NAND 

Flash

DRAM

~100us /

10

4

_~10

5

2

~10 years

<100ns /

unlimited

10

64ms

M‐SCM

S‐SCM

<100ns /

>10

9

<10

>5 days

1‐10us /

>10

6

<3‐4

~10 years

Benchmark

Target

1. Memory type (M-type) SCM

速度：DRAM並み

ビットコスト：DRAMよりずっと安い

不揮発：バックアップが不要

2. Storage type (S-type) SCM

速度：NANDよりずっと速い

ビットコスト：NANDと同等以下

当然不揮発

SCMの候補技術

R/W time [sec]

Capacitance

 [bits/$]

10

‐9

₁₀

‐8

₁₀

‐7

₁₀

‐6

₁₀

‐5

₁₀

‐4

₁₀

‐3

₁₀

‐2

1M

10M

100M

1G

10G

100G

DRAM HDD 3DNAND NAND NOR PcRAM FeRAM ReRAM SRAM STTRAM

研究開発の目的とERD

Item Logic Memory MtM Architecture

S-type Storage Class Memory ○ △

M-type Storage Class Memory ○ △

高速低消費電力なBUS △ ○

Beyond (more than) Neumann Architecture ○

高性能化/低コスト化/低消費電力化 ○ ○ 高効率な無線・電力伝送 ○ エナジーハーベスト/スカベンジング ○ センサー・アクチュエーター ○ セキュリティーデバイス ○ VN  B o ttleneck アプリの多様化

More than Mooreデバイス

Chip A Chip C Chip B Chip D

光融合技術

電気信号-光変換デバイス

光スイッチ

光分配/合成器

01011…

Opto.

01011…

3次元集積技術

Analog/

RF

ERD

Chip A Chip B

01011…

無線

01011…

セキュリティ技術

研究開発の目的とERD

Item Logic Memory MtM Architecture

S-type Storage Class Memory ○ △

M-type Storage Class Memory ○ △

高速低消費電力なBUS △ ○

Beyond (more than) Neumann Architecture ○

高性能化/低コスト化/低消費電力化 ○ ○ 高効率な無線・電力伝送 ○ エナジーハーベスト/スカベンジング ○ センサー・アクチュエーター ○ セキュリティーデバイス ○ VN  B o ttleneck アプリの多様化

Emerging Research Architecture

Information

Processing

Program centric

Data centric

Non Neumann

Neumann

Neumann

Non Binary

Binary

Boolean

BDD

others

More Neumann (MN)

Extension of Neumann Arch.

Ex.：Present many core, GPU, etc.

Less than Neumann（LtM）

Computational Elements

：small-scale

memory+ALU or analog elements

More than Neumann（MtN）

Parallel computation with many LtMs

Ex.：CA, Neuromorphic, dataflow, etc.

Beyond Neumann (BN)

Much faster computation than MN, MtN

Possible Metrics

multiplication

BN

N, MN

MtN

LtN

BN MtN MN N LtN : Beyond Neumann : More than Neumann : More Neumann : Neumann

: Less than Neumann BN MtN MN N LtN : Beyond Neumann : More than Neumann : More Neumann : Neumann

: Less than Neumann

weak massive hard easy spec ific gene ral

LtN

N, MN

MtN

Parallelism

growth

LtN

Architectur e De vice

MtM

MM

BC

Architecture Tree

w/ ERD toors

Evolution of Arch.

N

MN

BN

_MtN

BN

mutation

まとめ：ERDの研究開発動向

year

ERD‐WG in Japan Analog/ Discrete Analog/ Discrete Mixed/ Combined Mixed/ Combined Logic/ Memory

1

Neumann Bottleneckを解消

2

多様なアプリ要件への対応

Storage Class Memory 高速/低消費電力BUS Beyond N (MtN) Architecture 高性能化/低コスト化/低消費電力化 高効率な無線・電力伝送 センサー/アクチュエーター セキュリティーデバイス エナジーハーベスト/スカベンジング

ERD研究開発は今後，目的志向に．

アプリとの整合性/