大阪大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和２年２月１８日

大阪大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

次世代のＦＰＧＡチップに

～トランジスタを用いず１２倍の高密度化実装に成功～

ポイント

大阪大学 大学院情報科学研究科の橋本 昌宜　教授らの研究グループは、新ナノデバイスであるビアスイッチ注１）をＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のプログラム機能実現に利用することで、ＦＰＧＡチップの１２倍の高密度化実装に世界で初めて成功しました（図（ａ））。また、ＡＩアプリケーションに適したＦＰＧＡアーキテクチャを開発し、５倍のエネルギー効率向上が期待できること、半導体微細プロセスの採用により継続的な性能向上が期待できることを明らかにしました。

これまでのＦＰＧＡは、プログラム機能の実現にトランジスタを多数利用しており、チップの低密度化、低性能化を招いていました。

今回、橋本教授らの研究グループは、トランジスタを用いずに配線層内に配置したビアスイッチ（図（ｂ））を用いてプログラム機能を実現するビアスイッチＦＰＧＡチップの開発に成功し、１２倍の実装密度注２）向上を達成しました。最小線幅６５ｎｍのシリコンＣＭＯＳプロセスを用いた試作ＦＰＧＡチップに所望のプログラムができることを確認しました。最先端ＡＩアルゴリズムを短期間で高性能に実装できるプラットフォームとしての利用が期待されます。

本技術の詳細は、２月１９日（米国太平洋時間）に米国サンフランシスコで開催される半導体技術に関する最大の会議である「国際固体素子回路会議ＩＳＳＣＣ ２０２０（ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０２０）」で発表します（ＩＳＳＣＣ発表番号３３．３）。

本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴの一環として行われ、日本電気株式会社　杉林 直彦　技術主幹、若林 一敏　シニアエキスパート、京都大学 大学院情報学研究科　小野寺 秀俊　教授、立命館大学 情報理工学部　越智 裕之　教授、高知工科大学 システム工学群　密山 幸男　准教授らからなる研究グループで実施しました。

＜研究内容＞

これまでＦＰＧＡは、短期間で機能実現でき、少量多品種の製品に適するという特徴により利用拡大が進んできました。しかし、チップ内のプログラミング機能の実現に多数のトランジスタを利用するため、チップの実装密度が低く、動作速度や消費電力などの性能が低いという課題がありました。

橋本教授らの研究グループでは、ビアスイッチと呼ぶ新しい不揮発スイッチデバイスの開発を進めてきました。今回、ビアスイッチを用いたＦＰＧＡの試作に世界で初めて成功し、従来のトランジスタでプログラム機能を実現するＦＰＧＡに対して、１２倍の実装密度向上を実証しました（図（ａ））。実装密度はＦＰＧＡチップの価格に直結するため、大幅なコスト低減が期待できます。また、プログラム機能の実現にトランジスタを利用しなくなったため、全てのトランジスタをコンピューティングに利用できるようになり、高いコンピューティング性能の実現も可能となります。最小線幅６５ｎｍのシリコンＣＭＯＳプロセスを用いて製造したＦＰＧＡチップをプログラミングし、期待通りの機能が実現できていることを確認しました。ビアスイッチが次世代のＦＰＧＡに適したデバイスであることを明らかにしました。

さらに、ＡＩアプリケーションが効率的に実現できるＦＰＧＡアーキテクチャを開発し、その性能予測を行いました。トランジスタを用いてプログラミング機能を実現したＦＰＧＡに対して、５倍のエネルギー効率向上が可能であることもわかりました。最小線幅７ｎｍのシリコンＣＭＯＳプロセスで製造した場合、さらに１１倍のエネルギー効率向上が期待できます。

＜本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）＞

本研究成果により、ＡＩアプリケーションを実現するプラットフォームとして期待が集まるＦＰＧＡデバイスの性能並びにエネルギー効率を向上させることができます。さらに高密度化により、ＦＰＧＡデバイスの低価格化も期待できます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）ビアスイッチ
配線層内に実現された不揮発スイッチ（原子スイッチ注３））とプログラム用の選択デバイス（バリスタ注４））からなるデバイス。プログラムを制御するためのアクセストランジスタが不要のため、配線層内に小面積で実装できる特徴を持つ。
注２）実装密度
チップの単位面積あたりにプログラムできる量。ユーザーが論理機能を自由にプログラムできる半導体チップ。機能実現までに必要な設計期間が短く、日進月歩で開発が進むＡＩアプリケーションの実現プラットフォームとして注目が集まっており、各社が提供するクラウドサービスでも活用が進んでいる。
注３）原子スイッチ
スイッチ機能と不揮発メモリ機能を合わせ持ったスイッチデバイス。金属原子が固体電解質内を移動してスイッチするため、低抵抗で低入力容量という特徴を持つ。
注４）バリスタ
格子構造上に配置されたビアスイッチアレイに対して、選択したビアスイッチのみをプログラムするために導入された素子。低電圧印加時に抵抗が高く、高電圧印加時に抵抗が低くなる。

＜論文タイトル＞

“Via-Switch FPGA:65nm CMOS Implementation and Architecture Extension for AI Applications”
著者名：M. Hashimoto, X. Bai, N. Banno, M. Tada, T. Sakamoto, J. Yu, R. Doi, Y. Araki, H. Onodera, T. Imagawa, H. Ochi, K. Wakabayashi, Y. Mitsuyama, T. Sugibayashi

＜お問い合わせ先＞

（英文）“A flexible brain for AI”

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