北海道大学 大学院情報科学研究院

卒業生とその進路

サブスレッショルドCMOS-LSIのためのオンチップ電源


嶋田 英人

2010 年度 卒 ／修士（工学）

修士論文の概要

本論文は、著者が北海道大学大学院 情報科学研究科在学中に、機能システム学研究室においておこなった、"サブスレッショルドCMOS-LSIのためのオンチップ電源"に関する研究の成果をまとめたものである。

近年、より低消費エネルギーのセンサネットワークの構築と多種多様なスマートセンサLSIが要求されるようになった。これらセンサLSIは広範囲、かつ多量に分散配置され、限られたエネルギー源で長時間動作(ボタン電池で２〜3年)することが要求される。その要求に応える一つの手法として流れる電流が数μA以下のMOSFETのサブスレッショルド特性を用いることが挙げられる。しかし、サブスレッショルド領域は周辺温度、外部電源の変動、さらにMOSFETの閾値バラつきに非常に敏感に影響されてしまう。故に、本研究ではそれらの影響も考慮にいれたサブスレッショルドCMOS-LSIのための電源回路を設計することが目的である。サブスレッショルドCMOS-LSIの応用では、流れる電流が数nA〜μAであるため、高い速度性能は要求されない。しかし最低限の用途に応じた所定の速度はみたす必要があり、消費エネルギーとの兼ね合いが必要となる。つまり「用途に必要なゲート速度が得られる範囲で消費エネルギーが最小」となるようにLSIを動作させなくてはならない。このためLSIチップ上に専用の電源回路を設けることが必要となる。本研究では、以上の仕様を満たす電源回路の設計をおこなった。

構成として、まず理想的なサブスレッショルドCMOS-LSIのための電源回路の設計法を説明し、その問題点を挙げる。次に、本研究のシリーズレギュレータ型、スイッチングレギュレータ型の電源回路のより現実的な設計法を提案し、解説する。具体的な回路構成として、まずシリーズレギュレータの基本構成を説明し、シミュレーションの結果（出力特性、ラインレギュレーション、ロードレギュレーション、電力効率など）を示す。チップの試作、測定も行ったので、その結果をシミュレーションの結果に則して示し、比較する。

次いで、スイッチングレギュレータの基本構成を述べ、シミュレーションの結果（出力特性、ラインレギュレーション、ロードレギュレーション、電力効率など）を示す。最後に、シリーズレギュレータ型電源回路、スイッチングレギュレータ型電源回路の特徴をまとめ、具体的な数値をもとにそれぞれの性能を比較し総括する。

学術論文

  1. Akai-Kasaya M., Shimada N., Saito A., and Kuwahara Y., "Charge-carrier injection into pentacene thin film formed on Si(111) probed by STM spectroscopy," Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 11, no. 4, pp. 2867-2872 (2011).

国際会議

  1. Ambalathankandy P., Shimada T., Takamaeda-Yamazaki S., Motomura M., Asai T., and Ikebe M., "Analysis of smoothed LHE methods for processing images with optical illusions," IEEE International Conference on Visual Communications and Image Processing, Tempus Hotel Taichung , Taichung, Taiwan (Dec. 9-12, 2018).
  2. Shimada T., Ikebe M., Ambalathankandy P., Takamaeda-Yamazaki S., Motomura M., and Asai T., "Sparse disparity estimation using global phase only correlation for stereo matching acceleration," 2018 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Calgary Telus Convention Center, Alberta, Canada (Apr. 15-20, 2018).
  3. Fu Y., Ikebe M., Shimada T., Motomura M., and Asai T., "Low latency divider using ensemble of moving average curves," The 18th International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED 2017), Santa Clara Convention Center, Santa Clara, USA (Mar. 13-15, 2017).
  4. Shimada H., Ueno K., Asai T., and Amemiya Y., "On-chip power supply for subthreshold-operated CMOS LSIs," Proceedings of the 9th International Conference on System Science and Simulation in Engineering, pp. 198-200, Iwate, Japan (Oct. 4-6, 2010).
  5. Ueno K., Shimada H., Asai T., and Amemiya Y., "Low-voltage power supply regulator for subthreshold-operated CMOS digital LSIs," 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, Japan (Sep. 22-24, 2010).

国内学会

  1. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドCMOS-LSIのためのオンチップ電源回路," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (大阪), 2010年9月.
  2. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドLSIのためのオンチップ電源〜スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの比較〜," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (新潟), 2009年9月.
  3. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 佐野 栄一, 雨宮 好仁, "0.5V動作LSIのためのオンチップ電源," VDECデザイナーフォーラム2009, P-20, (東京), 2009年6月.
  4. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドCMOSディジタル回路のためのオンチップ電源," LSIとシステムのワークショップ2009, (北九州), 2009年5月.
  5. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドCMOS論理回路のためのオンチップ電源," 第22回 回路とシステム軽井沢ワークショップ, (長野), 2009年4月.
  6. 嶋田 英人, 上野 憲一, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドCMOS論理システムのための電源回路," 電子情報通信学会総合大会, (松山), 2009年3月.
  7. 小川 太一, 上野 憲一, 嶋田 英人, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドCMOS論理回路におけるMOSFET閾値の影響," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (川崎), 2008年9月.

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