図1　CRESTナノエレクトロニクスプロジェクトで今�v発表に関わった参加メンバー
左から九���j(lu┛)学浅野�|��(l┐i)教�b、�j(lu┛)阪�j(lu┛)学橋本��宜教�b、東�B工業�j(lu┛)学益�k哉教�b（現学長）、このプロジェクト研�|統括の東�B�j(lu┛)学桜井�Q康�@誉教�b、東��セミコンダクター&ストレージ社新�覦茣覯菴篆��霍睫�万�f子�霙�、プロジェクト副研�|総括の富士通研�|所横�冂詔`フェロー

CRESTのナノエレクトロニクスプロジェクトには、平成25�Q度から27�Q度にかけて毎�Q3〜4�P研�|が��(li│n)�I(m┌i)され、合��10�Pの研�|プロジェクトが認可されている。今�v、その中から、3�Pの講演と1�Pのレビュー講演があった（参考�@料1）。最初にプロジェクトのアドバイザーである東��デバイス&ストレージ社新�覦茣覯菴篆��霙垢旅睫�万�f子��(hu━)から、Society 5.0と、それに��要なエレクトロニクスの役割を紹介し、それを実現するための�\術として、サイバーフィジカルシステムのアーキテクチャを紹介した。

この後の3�Pの講演はいずれも平成26�Q度のCRESTプロジェクトで認定された研�|チームの仕��である。いずれも今�Q度に終了する。九���j(lu┛)学浅野�|��(l┐i)教�bをリーダーとする「テラヘルツ�Sビデオイメージングの実現に向けて」、�j(lu┛)阪�j(lu┛)学橋本��宜教�bをリーダーとする「高エネルギー効率コンピューティングを実現するビアスイッチFPGA」、東�B工業�j(lu┛)学益�k哉教�b（現学長）をリーダーとする「��高感度慣性センサ・システムが切り��く世�c」の3�Pをそれぞれのリーダーが紹介した。

テラヘルツで�W��なイメージング

浅野教�bのチームは、テラヘルツ�Sを�莟Rするためのイメージングセンサを開発する。テラヘルツ（THz）�Sは、電磁�Sと光の中間的な1000GHz以�屬亮��S数の�Sであり、その�S長は0.3mm以下という極めて�](m└i)い。光の�S長では��(l┬)外線よりも長い。テラヘルツ�Sは、柔らかいものを透��(c┬)するという性��があり、金�錣呂發箸茲螢札薀潺奪�ナイフを隠し�eっていても検出できる。このため、セキュリティチェックや国防�W(w┌ng)��で�R�`されている�\術である。

THzのエネルギーは4meVと小さいため、X線と異なり人��には�W��で、空港での検�hを高�]にするような応��が期待されている。また、分子間��に依�Tした吸収スペクトルから、分析にも使われる。THz分光分析（スペクトロスコピー）と�}ばれ、創薬開発へも応��できるという。しかし、単にセンサ1素子では機械的に走�hしなければならず、画�気箸靴道１討垢襪砲録�時間もかかってしまう。

そこで、浅野教�bチームが進めるのは、テラヘルツセンサ素子をマトリクス�X(ju└)に並べて、まるでカメラのように画�気鮖１討垢襯ぅ瓠璽献鵐哀妊丱ぅ垢任△�。機械的な走�hよりも高�]に画�気鰓u(p┴ng)ることができる。THzの長さはもはやミクロン単位であるため、チップ�屬縫▲鵐謄覆魏湛�でき、検�S�_(d│)となるInGaAsのHEMTトランジスタ�屬坊狙�する。�‘暗戮�高く電気�B(ni┌o)�^が小さいためTHz�Sを検出する。ただし、検出電圧は13〜14µV��度と小さいため、この後に周�S数変換や�\幅が��要になる。最終的にデジタルに変換しSPIインターフェイスによってCPUに送ることができる。

図2　異�|チップ同士を積層接合するTHzイメージセンサ　出�Z：九���j(lu┛)学浅野�|��(l┐i)教�b

開発した2次元THzイメージセンサ（図2）は、ノイズレベルが1.8pW/√Hzと小さく、1THzの信��(gu┤)を�p信できたという。プロセス的には薄い化合�馮焼���膜とアンテナ素子との接合や、Si基���屬悗��aり��けなど、�}間のかかる工��が��要となる。�x場もデバイスも量��すべき����にはなりにくいが、セキュリティ�屬任��L(f┘ng)かせない半導��チップになりそうだ。

小さな�C積でAI向きのFPGAを�`指す

2番�`の講演の橋本教�bチームの研�|は、プログラミング素子とCMOS�v路を�_ねることでチップ�C積を削��(f┫)し、性�Α�消�J電��を改良しようとするFPGAである。プログラマブルなロジックとして、ソフトウエアで処理するCPUやGPUと比べると、ハードウエア�v路をプログラムによってカスタマイズできるFPGAは、��格変��(g┛u)や仕様変��(g┛u)が��しい通信����や周辺機�_(d│)で使われることが�Hいが、SRAMスイッチを使っているため�C積が�j(lu┛)きく価格が高くなってしまう。

橋本教�bのチームが考えるFPGAは、プログラム素子として��来のSRAMに代わり、�w��電解��の中でCuイオンの�‘阿砲茲辰�、導通・��(r┫n)導通�X(ju└)��を作り出すビアスイッチを�W(w┌ng)��する(図3)。マトリクス�X(ju└)に原子スイッチを構成し、さらにプログラムする時の��(li│n)�I(m┌i)ダイオードとしてバリスタを設けている。LUT（Look Up Table）のロジックとして�W(w┌ng)��するCMOS�v路はシリコン基��内に形成し、プログラム��のビアスイッチは、�H層配線層の中に形成する。このため、FPGA����の�C積は��(f┫)る。

図3　Cuイオンの�‘阿砲茲辰謄�ン・オフを実現するビアスイッチと��(li│n)�I(m┌i)バリスタ　出�Z：CREST、�j(lu┛)阪�j(lu┛)学

この新しいFPGAでは、CMOS�v路�霾�にはLUTとSRAM、MAC（積和演�Q�_(d│)）を��?chu┐ng)�的に配��しており、AIの推�b演�Qをできるようなアーキテクチャをとった。スイッチ�霾�はクロスバー構�]を�Dり、プログラミングによってドライブしないスイッチには影�xを及ぼさないことを確認している。今後はFPGAの試作と�h価を進めていく。

高感度センサでパーキンソン��を早期発見する

益�k哉教�bのチームは、��高感度の加�]度センサを作り、パーキンソン��の早期発見・早期�E��を�`指す。2013�Q以�iのプロジェクトの時は分解��1mGレベルの感度（分解�Α砲世辰燭�、現在は4ケタ低い、0.1µGまでやってきた。

加�]度センサは、シリコンMEMSにAuの�_りを先端に載せることで感度を�屬欧討�た。このためAu�U(��(l┐i)確には合金)材料の開発、加�]度センサデバイスの開発、そして�R定�T果からデータを機械学�{で分析し健常�vとパーキンソン��患�vとを����する(図4)。

図4　高感度加�]度センサでパーキンソン��を早期発見するシステム　出�Z：CREST、東�B工業�j(lu┛)学

材料グループはMEMSカンチレバーの先端に�Dり��けたAu合金の加�]度センサの�饑���性を調べ、Au合金は�wく合成に優れているという常識外れの�T果を�u(p┴ng)ている。デバイスグループは、加�]度センサからの信��(gu┤)を�\幅し、信��(gu┤)を読み出す�v路やそれを表��(j┤)する�v路などをプリント�v路基���屬房��△�、腕に�⊂�できるところまで作っている。しかも高感度なカンチレバーのセンサができたおかげで、感度が�屬�りこれまでのセンサと比べてノイズフロアが�j(lu┛)きく下がった。

����グループは、歩行障害を検出するために健常�vと患�v、健康な高齢�vなどの歩行時の�Bの高さと歩幅のデータを収集する。さらに、震えの��(sh┫)向を1軸だけではなく3軸に広げたセンサも作った。これらのデータを機械学�{によって、軽度のパーキンソン��患�v、�{い健常�v、高齢の健常�vなどを区別できる�J(r┬n)囲を求めた。����グループは��院とも協��しており、材料からプロセス、デバイス、�v路、システム、応��までレイヤー間のコラボレーションを実現した。

これら3�PのCRESTの研�|��例は、��て実��化を念頭に��いた「開発」である。ただ単に研�|するだけではない。このため、材料、プロセス、�v路、システムのレイヤーごとに協��することが求められている。このようなレイヤー間の�劜プロジェクトは今�vのCRESTナノエレクトロニクスプロジェクトが初めてである。

参考�@料
1. ��省エネルギーIoT社会実現に向けたナノエレクトロニクス�\術 〜イメージング・センサ・コンピューティングから��くイノベーション〜 (2019/10/16)