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2017年6月8日

ルネサス、SOTB構造を活用した内蔵高速SRAMを開発

  ルネサス エレクトロニクスは2017年6月8日、IoT/ホームエレクトロニクス/ヘルスケア機器用ASSPに内蔵する、低消費電力SRAMの回路技術を開発したことを発表した。新技術は、CPUコアのデータ処理に対応して、内蔵SRAMの読み出し・書き込み動作を行うアクティブ動作と、保持データを失うことなく待機するスタンバイ状態を、少ない電力オーバーヘッドで動的に切り替える機能を有している。
 今回ルネサスは、独自に開発を進めてきたSOTB(Silicon-On-Thin-BOX)プロセス技術を採用し、65nmノードのSOTBプロセスによる内蔵SRAMの試作において、アクティブ動作時の高速読み出し時間を1.8nsと、スタンバイ時の超低消費電力13.7nW/メガビット(Mb)の実現を確認した。これは、SOTB構造の利点を生かした基板バイアス動的制御により、世界最小レベルの超低電力スタンバイ特性を実現している。スタンバイ時の電力を約1/1000に低減することを可能としている。
 今回の新技術は、間欠動作をより頻繁に制御しても電力が増加しないように、内蔵SRAMのスタンバイ時の電力を下げる手法を採用することで、不揮発メモリにデータを退避させる必要がなくなるため、電力効率を高めることが可能となった。
   SOTBプロセス技術は、従来のシリコン基板上に形成したプレーナ型のトランジスタ構造とは異なり、ウエハ基板上の薄いシリコン層の下に埋め込み酸化膜層(BOX: Buried Oxide)が形成されたもので、薄膜シリコン層に不純物注入を不要とするドーパントレスチャネルのトランジスタを構成する。ドーパントレスチャネル構造化により、トランジスタのしきい値特性ばらつきを従来のプレーナ型バルク構造に比べて約1/3に低減することができる。このばらつき低減は、最先端デバイスで採用されているFinFET構造と同等の効果を有し、トランジスタの性能ばらつきを抑えることで、0.5V程度の低電圧での安定した動作を実現することが可能となる。
 さらに、SOTBプロセス技術では、薄いBOX層を採用し、BOX層下のシリコン基板電位を制御することでトランジスタのしきい値特性を大きく変えることが可能となっている。これは従来のプレーナ型バルク構造やFinFET構造では実現できなかった特性である。この特長を生かし、基板バイアスの印可状態に応じて3つのアクティブ作モード (通常モード/低電力モード/高速モード)とスタンバイモードを選択できるようにするため、内蔵SRAMは基板バイアスを動的に制御できるオンチップレギュレータ回路を備えている。
 これによりルネサスは、高負荷の演算処理が要求される場合は、通常モードから高速モードに切り替え、基板電位をゼロバイアスからフォワードバイアスに設定することで、読み出しアクセスタイムを通常モードと比べ2.5倍高速化できることを確認した。一方、スタンバイ状態では、基板電位にリバースバイアスを与えることで、アクティブ動作時の電力から3桁削減することができた。
 演算処理負荷に応じて、基板バイアスや電源電圧を動的に制御する場合、動作モードに応じて高速動作の実現と低消費電力の実現が可能となる。しかし、すべてのバイアス条件で安定した動作を保証する必要があるため、内蔵SRAMの設計マージン確保が課題となる。SOTB構造を採用したことにより、従来のプレーナ型バルク構造に比べて内蔵SRAMの特性ばらつきを低減することができても、同一チップ内の各メモリセル特性のばらつきは完全にゼロにはできない。このため、もっともばらつきの大きなメモリセルが動作できるように設計マージンを確保する必要がある。そこで今回、細粒度(小マクロ単位)でワード線の読み出しパルスタイミングの最適化を可能とするレプリカ回路方式を開発、過剰な設計マージンの除去を図った。これにより、読み出し動作時のアクティブ電力を最大2割削減することを可能とした。  今回ルネサスが試作したSOTBプロセス用低電力内蔵SRAMは、今後プロセスの微細化が進むにつれて困難になると予想される動作速度の向上と低スタンバイ電力化を実現しており、低電圧での安定した動作を実現する。ルネサスは、今回試作した内蔵SRAMを搭載した低電力/ASSPがIoT分野における環境発電(Energy Harvest)動作に対応し、電池交換を不要とするメンテナンスフリーの機器開発に寄与できると期待している。

URL=https://www.renesas.com/ja-jp/about/press-center/news/2017/news20170608.html


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