テラヘルツ波帯の情報通信利用に関する調査検討会平成 22 年度第 5 回会合 テラヘルツ時代に向けた半導体システムソリューション最新技術動向 ルネサスエレクトロニクス株式会社ルネサスエレクトロニクス株式会社技術開発本部システムコア開発統括部 有本和民 2011/1/14 Rev

ルネサス エレクトロニクス株式会社

2011/1/14 Rev. 1.00

ルネサス エレクトロニクス株式会社

テラヘルツ時代に向けた

半導体システムソリューション最新技術動向

テラヘルツ波帯の情報通信利用に関する調査検討会 平成２２年度第５回会合

技術開発本部 システムコア開発統括部 有本 和民

LSIの役割 Role of LSI chips

年 ユビキタス時代

PC 時代

1980 1990 2000

技術がビジネスに 必要なレベルに 追いつかない

ビジネス用途に 必要とされる パフォーマンス 技術がビジネスに

必要なレベルに 追いつき始める

技術動向

技術がビジネスに必要な レベルを超越

モバイル時代

ビジネスが中心

人が中心 (快適な生活を)

性能

技術が人を 思いやる時代

人が技術を 使いこなす時代

2010

Cost Performance  Energy Performance

価値の指標のパラダイムシフトはデジタル技術

 アナログ・センサ技術に展開

・パソコン、携帯など適当な値段でひたすら性能の良いものが売れてきた。

・性能・機能はそこそこで満足。それより低消費電力の機器が求められる。

（省エネ家電・ハイブリッドカーがヒット。エコポイントが後押し。）

パフォーマンス 消費

コスト

パフォーマンス 消費 電力

コスト

消費電力は性能 の条件のひとつ コスト重視

消費電力は性能 の条件の主項目 コストは犠牲 消費電力量の推計

（増加シナリオケース）

0 500 1000 1500 2000 2500

2006年 2025年 2050年

[億kWh]

テレビ PC サーバ NW機器

5倍

12倍

METI”「グリーンITプロジェクト」の概要“から引用

高速だけでなく、高エネルギー効率化が必須

(Energy Efficient Technology Mapping)

ＨＷ ＩＰ

差別化ＩＰ

ＶＰＵ４ ＭＢＸ

コモディティＩＰ

ＤＤＲ ＩＦ ＵＳＢ2.0

新規開発ＩＰ

ｸﾞﾗﾌｨｯｸ 認識

新規導入ＩＰ

暗号 ＣＰＵ ドライバ群

ドライバ ミドルウェア

ＬＣＤ-Ｄ ＵＳＢ-Ｄ

ソフトウェア

地デジ 音声合成

新規開発ソフト ＡＡＡ ＢＢＢ ミドルウェア

ＣＩＳ向けプラットホーム

携帯向けプラットホーム ＤＴＶ向けプラットホーム

認識 暗号

ＤＴＶ向けプラットフォーム ＣＩＳ向けプラットフォーム

携帯向けプラットフォーム

携帯アプリケーション ソフトウェア

ＣＩＳ(Car Information System) アプリケーション

ソフトウェア

ＤＴＶアプリケーション ソフトウェア

ハードウエアもソフトウエアもアプリケーションに最適化して構築

コンポーネント技術

暗号 ＬＣＤ-Ｄ

ＵＳＢ‐Ｄ ＡＡＡ

ＶＰＵ４ ＵＳＢ2.0

ＤＤＲ ＩＦ ＣＰＵ

ＬＣＤ‐Ｄ 地デジ

ＵＳＢ‐Ｄ ＣＣＣ

ＵＳＢ‐Ｄ ＤＤＲ ＩＦ

グラフィック

暗号 音声合成

ＵＳＢ-Ｄ

認識 ＢＢＢ

ＵＳＢ2.0 ＭＢＸ

認識 ＶＰＵ４

評価検証ツール ＨＷインターコネクト ＳＷインターコネクト

インターコネクト技術：：短期間にアプリケーション別に最適なPFを実現

ソフトウェア

ハードウェア

プラットフォーム（PF）化の流れ

システムの複雑度への半導体設計の対応（H/W, S/W）

警察・保険会社販売店・ﾃﾞｨｰﾗ

遠隔車両診断 ｺﾝﾃﾝﾂｻｰﾋﾞｽ

地図データサービス 経路探索

充電端末情報配信

ｸﾗｳﾄﾞｻｰﾋﾞｽ キャリア

電力管理センター

事故情報把握 緊急車両手配

電力変動把握 電力配分管理

DSRC

5.8GHz 4Mbps

路-車間通信

5.9GHz,700MHz帯 10Mbps

車-車間通信

5.9GHz,700MHz帯 10Mbps

ETC

5.8GHz 1Mbps

前方監視 カメラ

・￥

・夜間充電

・発電変動吸収

・Home-車輌 情報共有

低炭素で安全・快適な移動手段の実現

ｺﾝﾃﾝﾂ配信

緊急通報センター

手配車両追跡 盗難車両追跡

■ゼロエミッションの実現

・ＥＶ，ＰＨＥＶ

■エネルギー消費量の削減

・ＥＣＯ・安全運転支援

・渋滞抑制、回避

・車輌の軽量化

■需要、発電変動の吸収

・電力負荷の平準化

・電力蓄積機能の活用

スマートコミュニティーとスマートカー

CAN

500kbps

サブネットワーク

“SAFE-by-WIRE (ASRB)” 20～160kbps

パワートレイン系 シャーシ系

MG制御 V850,SH2A

故障診断“CAN” 診断 ツｰル

x-by-wire

Air Bag V850 H8SX

センサ

CAN

500kbps サブネットワーク

“FlexRay ”

～10Mbps

OSS ACC

SH4A

タイヤ圧 78K0,R8C

故障診断系

CAN

125kbps

TVSS 78K0,R8C

LTE WAVE DSRC モジュール

マルチメディア系

“CAN”

“MOST”

“1394”

Audio/Video SH2A,V850

78K0,R8C

NAVI R-Car

CAN 125kbps↓

DOP/AFＴ用

盗難防止 PND

S S

S

S

S

Open CAN-IF

A/C

V850,R32C サブネットワーク

“LIN”2.4～19.2kbps ランプ

R8C,78K0

インパネ メータV850

キーレス 78K0,R8C

ドア R8C,78K0

スイッチ モータ CAN

125kbps↓

ボディ系

統合 コンピュータ

AT V850,SH2A

ABS V850

EPS V850

Climate Motor

Climate Motor

Blower Motor

Window Motor

インテリジェント

アクチュエータデバイス MSIG+(MCU)

S セキュアゲート

Solenoid

Driver Motor

Driver Motor

Driver スクイブ

ドライブ センス+

スクイブドライブ

■モータ制御から情報制御まで車内ネットワークで情報共有

■ＬＴＥでクラウド環境と常時接続

■ＷＡＶＥで他車と瞬時情報交換

Sensing Motor

Driver Inverter CD/DVD

モジュール

安全系

ADAS SH4A 画像認識

カメラ センサ

カメラ

車両制御用マイコンとネットワーク

渋滞追従

居眠り検知

ETC

5.8GHz 1Mbps

ナイトビジョン

先行車接近警報

歩行者認識 ハイビームアシスト 車線逸脱警報 標識認識

雨滴検知 日射検知

リアビューモニタ 駐車支援

■ カメラ、レーダ＋画像認識デバイスによる交通環境、天候環境認識

■ ＬＴＥによる常時接続機能を利用したコミュニティとの情報共有

■ コミュニティ情報に基づく、低燃費かつ、渋滞・事故リスクの 少ない経路選択、走行モード支援、給電端末ガイド

■ ＤＳＲＣ、ＷＡＶＥの高速応答性を利用した衝突回避

DSRC

5.8GHz 4Mbps

WAVE

5.9GHz 10Mbps

10０Mbps

クラウドサービス

ＥＣＯ運転・安全運転支援デバイス

CPU CPU

認識ｱｸｾﾗﾚｰﾀ CPU

運転支援R-Car

S

ＥＣＯ経路支援 渋滞情報

2CPU MIPS/W

timeline

Super-scalar multi-core CPU

Single CPU

Performance

higher performance higher frequency

Consume more power

more performance

@ same frequency

Super-scalar

1.8x performance Super-scalar CPU

√ # of core

Performance up

@ same power

動作周波数向上による処理性能向上から CPU 数増加による処理性能向上へ

（テラヘルツ時代の CPU ：：マルチコア  メニイコアへ）

動作周波数をあげると消費電力増大

半導体デバイスの本質問題（単なる微細化は NG ）  デバイス、 H/W ・ S/W 協調設計

マルチコア技術 （周波数をあげずに並列化で高性能処理）

CPUの占有面積は小さい: 2% - 3% of a whole chip

微細化により１チップに搭載可能なCPUコアの数は増加 45nm世代ではかなり多くのCPUがSoCに集積可能となる Multi-CPU SoC はソフトウエア再利用性向上のソリューション

Die Size: 86.5mm² (9.3mm*9.3mm) 2.1mm² 2.3mm² 1.8mm²

SYS- ARM

RT- SHX BB-

ARM

CPU1 BB2

BB1

MEM Image codec CPUBB-

GPS Snd 3D

Multi-CPU SoC

CPU2 CPU3 CPU

4 CPU5 CPU

6 CPU7 CPU

8 CPU9 CPU

10 CPU11 CPU

12

将来の組込みマルチコア技術

SMP (Symmetric Multiprocessing)

AMP ( Asymmetric Multiprocessing)

ヘテロジニアス

CPU OS

DSP

CPU CPU OS1 OS2

CPU CPU OS

CPU OS1

SMP AMP

CPU CPU OS2

CPU CPU

CPU CPU OS3

新ヘテロジニアス

SMP

DSP Accelerator CPU

これまでのヘテロジニアス、AMP、SMPの技術を適材適所に配置した新へテロ

ジニアスへ

待機時の消費電力を約90%削減した「RX600シリーズ」の発売

～民生・OA向け「RX630」、ネットワーク機器・産業機器向け「RX63N/631」として18品種376型名を投入～

2010年10月12日 ルネサス エレクトロニクス株式会社

(1)従来製品から消費電力を約90％削減した

「RTC（Real Time Clock：時計）」を搭載し、

かつ電源オフでCPUが動作していない間の

システムの状態変化を3端子が独立に検知して タイムスタンプ(日時記録)を押す機能を追加。

(2)通信・周辺機能強化による使い勝手向上

さらに、「RX63N/631グループ」ではUSB ホスト、USB OTG、Ether、CANの機能 追加やチャネル数増加をご要求に応じピン上位互換でサポート。

(3)内蔵メモリ、パッケージ等の組み合わせで合計376型名におよぶ豊富な

ラインアップにより、各種機器への対応や、同一モデルでの上位から下位機種までの 対応が可能となります。

動作時の高速性・高エネルギー効率性能 PLUS

待機時は徹底的に電力削減

画像処理用超並列プロセッサ（MX）

DSP, アクセラレータ対応IP

小面積： メモリプロセス・設計技術をベースとした超小型・超並列演算マシン 高速： 超並列ALUによる高速演算 （例：１０２４並列）

低電力： 小面積性を生かした低電圧・低電力動作

CPU

DMAC

Memory Controller

SDRAM

MX コア

1024entry1024entry

PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE

Vertical Channel

V V V V V V V V V V V V V V

512bit512bit

SIMD Controller Instruction RAM 512bit512bit

BUS Interface Data Data Register Register

Bank Bank

Data Data Register Register

BankBank

1024entry1024entry

PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE PE

Vertical Channel

V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V

512bit512bit

SIMD Controller Instruction RAM 512bit512bit

BUS Interface Data Data Register Register

Bank Bank

Data Data Register Register

BankBank MX制御用

CPU 命令 メモリ アプリケーション実行

ミドルウェア実行

MXコア制御用に専用CPU準備

→アプリケーション用CPUの負荷低減

High

Flexibility

Low High Low Par all eli sm Pow er C ons um pti on

High Low

DSP

あらゆる先端プロセッサ技術を組み合わせて、安全、安心、快適 で、持続可能な社会を実現する。

Programmable Accelerator Custom Accelerator

Reconfigurable CE

CPU Media Processor (VLIW)

78K0

R8C RX

SH

V850

マルチコア

DSP命令

VPU5 MX-2

IMAPCAR Lite

IMAPCAR2

EMMA

成熟したアルゴリズムを利用す るアプリケーションでは専用ア クセラレータで電力効率、コス ト効率を最大限に追求

未成熟分野ではアルゴ リズムの変更に対する 柔軟性を重視

MX

次世代携帯電話用プロセッシング

・3.2GOPS/50mW, 477mW という高エネルギー効率のMIMO 3GPP-LTE用 デジタルベースバンドのプログラマブルVLIWコア

・ソフトウエアでの4G, WIMAX, 802.11n コグニティブラジオ対応の物理層を 10μs 以下で切り換え。

MEPHIST:VLIW processor, DCM: Data config. manager, RX/TX BIT:Bit level computing unit

マルチコアチップコネクション  メニイコアへ

（ネットワーク部が主な技術課題に）

高速・高エネルギー効率化  更なる付加価 ディペンダブルシステムへの課題

 「第３世代」の組込み高性能並 列システム

 マルチコア、マルチプロセッ サになりつつある

 高信頼性・高性能化への 要請

 高度な認識（画像、音声）を 用いた認識・監視装置

 高性能高信頼・情報家電ア プライアンスサーバー

– ＰＣよりもコンパクト、省 電力、高性能、高信頼、

高機能

• 消費電力・発熱と性能

• マルチコア化

– 高周波数による性能向上から並列 処理による性能向上

例：SH-4Aマルチコア、MPCore、

モバイルPenryn、Griffin

• ネットワーク・ユビキタス化

– 無線LAN、アドホックネットワーク – セキュリティ

「ディペンダブル並列システム」



並列システムでのディペンダビリティ のサポート（高性能化と信頼性）



並列システムを利用したディペンダビ

リティの提供（冗長性など）

「ディペンダブル並列システム」に要請されるネットワーク技術













PEARL (PCI Express Adaptive & Reliable Link)

低消費電力システム向け異種デバイス融合 Fusion of MEMS and CIRCUIT

More than Moore→

MEMS技術と回路技術との融合によるLSIへの新しい機能の搭載

（現状：MEMSを従来のコイルや容量といった受動素子）

MEMSデバイスと回路を物理的に一体化するだけでなく、

互いの利点を融合し新しいシステムを実現する真の一体化が必要

・MEMSと回路とを融合するためのアーキテクチャ設計技術、

回路設計・検証技術、MEMS素子のモデリング技術、

製造プロセス設計技術、テスト技術、ソフトウエアやアルゴリズム等

・MEMSと回路の融合の状況・課題の明確化 MEMS設計者・回路設計者の融合

回路・システム設計技術の融合

新しいマーケット、アプリケーションの創造

System Example of MEMS / Sensor Chip / MCU Chip Combination

MEMS /Sensor Chip

ADC / DAC

CPU

RAM

MCU Chip

Digital Signal Handshake

Peri- pherals

Feed-Back Control

Secure

異種デバイス融合化の対応

１、違い（組合せ）を吸収するルールが必要

１）低いレイヤから：：電源・信号（アナログ/デジタル）

２）繋ぐハードウエア手法をアプリケーション毎で選択

２、これら設計・実装手法を用途（目的）に合わせ

3D Integration of CMOS and MEMS using Mechanically Flexble Interconnects (MFI) and Through Silicon Vias (TSV)

H S Yang and M S. Bakir, 3D Integration of CMOS and MEMS using Mechanically Flexible Interconnects (MFI) and Through Silicon Vias (TSV)Proc. 2010 Electronic Components and Technology Conference p822-p828

Package-based integration 3D integration using MFIs and TSVs

HW/SW Integration

Sensor + Embedded Intelligence

スマートセンサーへの進化

Fusion of MEMS and CIRCUIT(2)

回路 デバイス

論理 ミドル アプリ

回路 デバイス

論理 ミドル アプリ

モバイル

ソリューション AVソリューション

デジタル CMOS 論理設計

ミドル 主市場

アナログ MEMS

モデル モデル 異分野

ミクスド センサー

検証

アルゴリズム 新規分野

従来垂直統合モデル

Any angle 統合

Any angle融合

・高速・高エネルギー効率技術を旗印に、デバイス・回路・

アーキテクチャー・アルゴリズム・ソフトウエアの各レイヤーの 融合が進んでいく。（場合によっては、デペンダビリティーも）

・今後は、上記にあるような各レイヤのプラットフォーム化が進み、

any angleな融合による新規アプリケーションが開拓されていく。

・ Any angleな融合による、高速・高エネルギー効率化は、新たな

技術開発という正帰還がかかり進展していく。

・上記はデジタル回路・アナログ技術のCMOSデバイス内の融合から、

回路・MEMS等の異種デバイスの融合に展開されていく。

つなぎによる、any angle融合（価値創造）と プラットフォームの進化（3D拡張可能なPF等）

テラヘルツ技術が上記のプラットフォームに組み込まれて、

各種システムアプリケーションに展開されていくと予想される。