ノイズ耐性フリップフロップの開発と
信頼性要求電子機器への応用可能性
『首都大学東京・新技術説明会』 日時：平成27年9月25日(金) 場所：JST東京別館ホール 首都大学東京 システムデザイン研究科 情報通信システム学域本研究課題の背景 (1/2)
（従来技術とその問題点）
LSIの微細化・高速化・低電圧化
- ノイズマージンの低下化 - ノイズ（ソフトエラー，クロストーク）の影響 - 同期式回路(フリップフロップ(FF))への影響 ノイズによる誤動作の発生 素子ばらつき・トランジスタ劣化
- 組合せ回路の遅延への影響 - タイミングエラー（遅延故障）の発生 FFが正しい値を取込めない（誤動作の発生）本研究課題の背景 (2/2)
（従来技術とその問題点）
FFのノイズ対策
(1) 多重データサンプル法：複数タイミングのデータ取込み (2) 多重冗長化法： 複数FFのデータ比較 (3) ノイズ低減化法：マスク，フィルタ効果による振幅低減 時間的・空間的冗長化によるコスト増大，ノイズの完全 ブロックの困難さ 信号遅延検知・訂正
(4) 2重化FFの活用：Razor, Canary FFなど
基本的立場
- ノイズ等は意図せずに突発的に発生（事前予測は困難） ノイズ等が発生しても正常動作を保証できる設計が有効 正常動作を保証する積極的アプローチ 目的
- ディペンダブル設計によるノイズ対策 - 正当な信号を確保できるデータサンプリング方法 - 従来設計に適用可能な実装 - 対象回路：マスタースレーブFF（同期式回路） - ノイズ：データ信号線に発生 （クロストークも含む）考案技術の目的
安全・安心・高信頼性
通常のマスタースレーブ
FF (MS-FF)
- C=0: TG1=on, マスターラッチ動作（D入力サンプリング） - C=1: TG3=on, スレーブラッチ動作（値の保持） - C=0の期間の最後のD入力値をサンプリング・保持 クロックエッジ近傍にノイズ発生：マスタ→スレーブにノイズ 信号が伝搬MS-FFの動作
C D QM D QM Q C C TG1 TG3 ノイズ C
データとノイズ
- データ：継続時間が十分長い信号 FFのタイミング制約条件（tsu & th）を満足 - ノイズ：継続時間の短いパルス状の信号 FFのタイミング制約条件を満たさない信号ノイズパルス
C D N N tsu th 時間制約を満たさない信 号にFFが反応したとき， FFは誤動作する． tsu: セットアップ時間 th: ホールド時間 N N 正当な データ信号 ノイズ
基本的考え方
- マスターラッチ内でデータの継続時間を監視 - 正当なデータ信号の場合，入力値を取込んで，スレーブ ラッチに信号を伝搬 - ノイズの場合，前状態（スレーブラッチの値）を保持ノイズ対策MS-FF (1/3)
D マスターラッチ スレーブラッチ Q
原理
-マスターラッチに2回目のサンプリングを付加（2回のデータ 取込み） - 両者のデータの一致・不一致の比較→信号継続の判断 - 正当な信号の場合，スレーブラッチに信号を伝搬ノイズ対策MS-FF (2/3)
C D QM Q Noise Data 1回目のサンプリング (origin) 2回目のサンプリング (addition) (4) (3) (2) (1) ノイズブロック
特徴
- D@1st = D@2nd → 正当データ → スレーブラッチに転送 - D@1st ≠ D@2nd → ノイズ → ブロック（出力は前の値を 保持） - 警告信号（D@1st ≠ D@2nd） - 付加信号不要ノイズ対策MS-FF (3/3)
C 1st sampling 2nd sampling Q W (1) 1 1 1 0 (2) 0 0 0 0 (3) 1 0 Hold 1(1) 2回目のサンプリングタイミングの内部生成 (2) 2回目のサンプリング機構 (3) 2個のサンプルされた値の比較 (4) スレーブラッチへのデータ転送の判定 マスターラッチ：(1)-(4)の機能の付加が必要 - 通常のMS-FFに上記機能を追加 スレーブラッチ：通常のものと同一 - スレーブラッチはデータの保持・出力の役割
実現に必要な機能
ブロック図
- 1回目のサンプル： 通常のマスターラッチ，元のクロック使用 - 2回目のサンプル： 入力信号，内部生成クロックパルス(Cp) - 保持，比較，出力判定: C-素子実装例1 (1/2)
D Master QM DS Slave Q Pulse gen. C-elem. 1回目サンプル 2回目サンプル 比較，判定 Cp 付加回路 C-素子 D QM DS 0 0 0 0 1 No change (previous sate) 1 0
機能
- D@1st = D@2nd: 入力信号 → スレーブラッチに伝送 - D@1st ≠ D@2nd: 入力信号 → スレーブラッチ ブロック & 前の値の保持実装例1 (2/2)
C QM D Q W (1) 1 1 1 0 (2) 0 0 0 0 (3) 1 0 Hold 1 (4) 0 1 Hold 1 1st 2nd
ブロック図
- 1回目のサンプル： 通常のマスターラッチ，元のクロック使用 - 2回目のサンプル： 付加マスターラッチ，遅延クロック (Cd) - 保持，比較，出力判定: C-素子実装例2
D QM2 Q DS Master2 Slave C-elem. Cd Master1QM1 付加回路 1回目サンプル 2回目サンプル 比較，判定
条件
- TSMC 0.18m, VDD=1.8V - 基本機能の確認シミュレーション結果(1/3)
Time 0s 4ns 8ns 12ns 16ns 20ns 24ns 28ns V(161) 1.0V SEL>> V(70) 0V 1.0V V(11) 0V 1.0V V(90) 0V 1.0V V(10) 0V 1.0V Cp D Q W D=1 Noise D=0 C D=1 Noise Noise D=0 D=0 block
性能
- 非2重化FF: 少数トランジスタ，低消費
- C-素子: トランジスタ幅大，低速 → 改善の必要 - エネルギー遅延積（ED積） : 類似法と同等
シミュレーション結果(2/3)
Impl 1 Impl 2 Razor canary MS-FF
# trs. 32 42 62 46 22 total tr. W W [m] 110.95 129.80 137.35 88.30 42.00 propagation delay tpQ [ns] 0.577 0.599 0.280 0.254 0.169 energy E [pW] 0.721 1.060 1.879 1.516 0.398 min. period T [ns] 0.718 0.740 0.431 0.398 0.302 ED product E*D 0.416 0.635 0.526 0.385 0.067
ノイズブロック性能
- 2回目のサンプリングタイミングに依存 (tsu+th+tb) - 遅い2回目タイミング → 幅の広いノイズをブロック，速度の 低下（2回目タイミングによる遅延）シミュレーション結果(3/3)
C N1 tsu th N2 N3 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Impl 1 Impl 2 2nd sampling time [ns]Blocked noise width [ns]
tb
2回目サンプル & 出力タイミング
遅延故障検出＆信号訂正
- D@1st ≠ D@2nd: 警告信号 → 遅延故障（信号遅延）の検出 - ノイズ: 前の値を保持 ← 本来の信号の反転値を出力 - 反転値 = 遅延した信号値 → 遅延信号の訂正応用例 (1/2)
C D W 遅延 1st 2nd Q ノイズブロック 検出 反転
ブロック図
信号訂正（
Qの反転/非反転）
- クロック同期のXOR - W=0: Qc=Q (非反転） - W=1: Qc=QB（反転）応用例 (2/2)
C DOMS-FF D Qc Q W 遅延回路 警告回路 XOR 遅延検知 遅延訂正 W Q Qc Cd CdB新技術の特徴
（従来技術との比較）
ノイズによりマスタースレーブ
FFで誤動作発生
従来法の多くは空間的・時間的冗長構成
回路規模，消費電力の問題
従来型のマスタースレーブ
FFに信号継続時間の検
知機能を追加
付加信号なしでノイズをブロックできるマスタースレー
ブ
FFを実現
従来回路に置き換え可能
想定される用途
ノイズ対策回路として：
ボード回路，電子回路への適用
高信頼性要求分野への適用
例：信号システム，医療分野，
ノイズの多い環境
応用例として：
遅延検知・訂正に特化した回路
実用化に向けた課題
消費電力
- 内部クロックによるスイッチング増加 - 消費電力増加の可能性，ただし動作速度に依存 - 消費電力 vs. 動作速度 の評価の必要 動作速度
- クロックパルス幅 → ノイズブロック性能 - 1周期（時間）の増加の可能性 → C-素子の改善 - 性能（ノイズブロック，信号訂正） vs. 動作速度 の 関係評価企業に期待すること
（連携，共同研究）
ノイズ対策の基本機能は実現できたが．．．
回路開発メーカー
- 提案FFの具体的な実装方法 - FPGAによる実現方法 - 性能評価 装置メーカー
- 適用可能分野の検討・ニーズ - 実装置での有効性確認関連する知的財産権・学術文献
【知的財産権】 発明の名称 ：マスタースレーブ型のフリップフロップ装置 出願番号 ：2014-012955 出願人 ：公立大学法人首都大学東京 発明者 ：三浦 幸也 【学術文献】Yukiya Miura and Yoshihiro Ohkawa, “A Noise-tolerant Master-slave Flip-flop,” Proc. IEEE 20th International On-Line Testing Symposium, pp.55-61, July 2014.
