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異業種連携が可能な日本ならではの3次元IC開発で、未来を拓け

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東京大学生産技術研究所教授 桜井貴康氏

システムVLSI設計工学を専攻する東京大学生産技術研究所の桜井貴康教授は、チップ同士を積層する3次元実装技術を研究している。TSVで直流的に上下のウェーハを接続するだけではなく、C(キャパシタンス)結合や最近ではL(インダクタンス)結合という接続もありうることを実験で示した。かつて桜井教授は東芝の半導体技術研究所で高集積高速SRAMを、現ザインエレクトロニクスの飯塚哲哉社長の下で開発してきた。東京大学へ移ってからも高速SRAMの流れをくみ低消費電力のCMOS回路などの研究を行ってきた。なぜ今3次元ICを研究するのか。同氏の半導体への想いを聞いた。

東京大学生産技術研究所教授 桜井貴康氏


Q:低消費電力CMOS回路から3次元ICというのは全く違うテーマのように思います。どのような方針で研究されているのでしょうか。

A:日本の強みを考えてみる必要があります。日本はその強みを生かしてこれからの半導体エレクトロニクスビジネスを進めればよいと思います。低消費電力技術は昔から日本が得意な技術です。

もう一つ日本の強みは、さまざまな異業種が集積されていることではないでしょうか。日本が得意な人と人が顔を合わせて製品化に向け細かい技術や仕様を擦り合わせていくことを、重要な分野で生かしていくことがよいでしょう。

3次元ICはその典型例の一つです。有機・無機材料や半導体、製造装置、実装、パッケージなどの分野が合わさって3次元ICが構成されています。この総合技術は日本が得意な分野なので、IBMは3次元ICの開発を日本でやりなさいと言っているようです。微細化技術の開発は日本でやれとは言われていません。

さらに、3次元ICは今の時代だからこそ登場したともいえます。かつて80年代、部品がシステムになると言われた時代がありました。開発費が安かったためです。微細化技術をASICに使い、回路をまとめて高集積にできました。しかし今は微細化技術に莫大な投資が必要になってきました。1回目の設計ですぐに動作することがきわめて難しくなってきました。リターンが見えないのに32nmプロセスを開発する意味があるでしょうか。お金がかかる割りに大量に売れるアプリケーションがありません。32nmプロセスが必要なアプリケーションはおそらく100デザインもないのではないでしょうか。

もし32nmでペイするとすれば1億個売れるということかもしれません。1億個というのはもはや部品です。システムではありません。その点、メモリーは部品です。共通部品ですからいろいろなシステムに使われるのです。システムは部品を組み合わせて作るものですが、ボード上に部品を載せても望むような性能は出ません。だから3次元ICにして性能、低消費電力を実現するのです。

Q:最近、学会などでお話しになるチップとチップを向かい合わせて、直面する所にコイルを設け、無線でチップとチップをつなぐという技術を最近発表しておられます。

A:3次元ICを手掛けてみると、TSVや無線L結合などが技術として出ていますが、実はボンディングワイヤー方式でかなりの応用ができます。性能とコストの関係は次のような図で描かれるのではないかと思います。性能は高いがコストも高いのがTSV。ワイヤーボンドは最もコストの安い方法です。TSVとワイヤーボンドとのコスト差は大きいので、ここを埋めるべき、L結合やC結合などの無線近接通信が存在するのだと思います。ただし、TSVは量産できますので、うまいアプリケーションが見つかると普及するでしょう。


3次元ICの位置づけ


Q:L結合とC結合の利害得失や特性の違いを教えてください。

A:インダクタンスを利用するL結合は小さなトランスです。1次側のエネルギーを2次側に伝えるものです。コイルを作るため丸いパターンを複数個描いたチップを重ねて、上下でエネルギーを伝えることができます。しかもチップが薄ければそのまま複数枚重ねられます。エネルギーを伝えられるコイル間の距離は、コイルの半径の距離までは届きます。直径120μmのコイルパターンを描いた実験では、コイル間距離が45μmの場合8.5Gbps、15μmだと11Gbpsときわめて高速に伝送できることがわかりました。しかもL結合は磁界が外には漏れません。コイルを平面上に多数並べて、I/Oポートを多数設ける場合でもコイル一つ分の距離を離せば直径120μmなら120μm離せば、平面の端子同士が干渉し合うことはありません。

これに対してC結合は、キャパシタンスによる結合です。C結合は回路が簡単で二つのチップを近づけてコンデンサ同士のカップリングを利用してエネルギーを伝えますが、フェーストゥフェースでしか結合できないため2チップの積層しかできません。

Q: しかしL結合はインダクタンスを利用するためリンギングなどのノイズ波形が出るような気がしますが。

A: フリップフロップからフリップフロップへつなげる回路の実験では確かに若干のリンギングは見られました。しかし、波形整形処理をすればきれいになると思います。

むしろ、L結合は磁気共鳴という現象へと発展させていくことができます。数年前に米国のマサチューセッツ工科大学が直径60cmの二つのコイルを2m離して、エネルギー伝送実験を行いました。これは二つのLが共鳴したもので電力の60%を伝送することができました。桜井研究室でも磁気共鳴による電力伝送実験により、クリスマスツリーのLEDを光らせました。

磁気共鳴させるためには送信部と受信部のコイルは同じ大きさに作る必要があります。コイルを64個並べたシートを作り、その上に同じ大きさのコイルを1個クリスマスツリーの底に配置し、ツリーをシートの上に置きました。クリスマスツリーに並べたLEDが消費した電力は2W程度で、電力効率は62.3%にも達しました。

この夏、台湾で開催されたIDF(Intel Developer's Conference)においてインテルがワシントン大学と共同で磁気共鳴実験をデモンストレーションしました。

Q:これからの日本の半導体産業をどのようにみますか?

A:日本という国をよく見てみますと、日本ほどさまざまな産業が集積されている国はないでしょう。この異分野集積で何をどう作り込むかを考えるべきでしょう。これを意識していくと日本の強みが出てきます。逆に、異分野連携ができない製品や技術ならば日本で手掛ける必要はないでしょう。

もう一つ、商社という業態も日本にしかありません。かつて英語をうまく操れなかった日本の産業を助けるために貿易を手掛けていましたが、今は人のネットワークと資金力が商社の大きな強みとなっています。人脈を生かして異分野を連携しまとめて指揮するのに商社は最適だと思います。商社が中心となって半導体を企画し設計してエンジニアリングにして売れば他の国ではできない製品ができるのではないでしょうか。


(2008/10/28 セミコンポータル編集室)

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