科學研究 - 小型省電耐輻射可重寫半導體元件開始量產

為滿足日益多樣化的社會需求，對高通用型開發人員可重寫半導體的需求在不斷增長。為應對這種需求，NanoBridge Semiconductor Inc.（茨城縣筑波市）正致力於量產採用金屬原子開關技術的可重寫半導體元件。這種開創性器件具有體積小、功耗低和耐輻射等特點，將加速全球的ICT研發進程。

杉林直彥董事長兼執行長(CEO)
多田宗弘董事兼副總裁(VP)
阪本利司董事兼技術總監(CTO)

具備高靈活性的FPGA晶片
在IoT和AI領域引起高度關注

隨著物聯網（IoT）的發展，隻需操作身邊的終端就能立即獲取所需資訊，並且可以實現遠程設備控制的時代正在逐步到來。這種便利性是依靠可以瞬間處理大量資訊的積體電路（IC）晶片的大容量化和高性能化來實現的。近來備受關注的IC晶片是「現場可程式設計邏輯閘陣列」（FPGA）器件（圖1）。如果採用FPGA，客戶可以根據設計需求自由重寫，無需隨著硬體升級/更新而重新製作或者購買昂貴的專用晶片，並且可以降低開發風險，縮短製造週期。雖然目前FPGA還隻應用於高畫質相機和通信基地台等，但作為支撐基礎設施的晶片，FPGA正受到越來越高的關注。

圖1：NB-FPGA與高可靠性FPGA的比較。表格左起第二列是採用SRAM開關的目前主流FPGA晶片，每次上電時都需要對FPGA進行配置。其右側的類型包括NB-FPGA在内均採用非易失性開關，即使切斷電源也無需重新配置。

另一方面，很多FPGA為了儲存電路配置資訊需要電源，所以存在晶片尺寸較大的缺點。為此，NanoBridge Semiconductor Inc.（NBS）開發了「原子開關」技術，通過金屬原子移動來控制内部模組互聯的FPGA。NBS董事長兼執行長杉林直彥介紹說：「與擁有同等處理能力的傳統FPGA相比，實現了小型化和低功耗」。

採用銅原子開關構建電路
功率效率提高約10倍

原子開關是青野正和博士在JST戰略性創造研究推進事業（CREST）項目中經過反復研究，於2001年通過原理驗證的技術。該技術在固態電解質電極與金屬電極之間搭建或消除奈米（10億分之1米）級金屬橋接（「奈米橋」）來實現開關控制（圖2）。NBS董事兼技術總監阪本利司回顧到：「當時接到關於原子開關整合的諮詢，從而間接促成奈米橋技術的開發」。在2000年獲得SORST項目支持並開始推進實用化研究時，原計劃是將原子開關應用於無電源供應時也可保存資訊的非揮發性記憶體元件。之後為了縮小FPGA的尺寸並提高其可靠性，決定將原子開關應用於FPGA。2011年利用開始作為半導體布線使用的銅材料，成功試製出採用金屬原子移動型開關的奈米橋-FPGA（NB-FPGA）。

圖2：奈米橋模式圖（左）與NB-FPGA截面圖（右）
原子開關是向電極之間間距約10奈米的電路施加電壓，通過在兩個電極之間搭建或消除金屬橋接來實現開關控制的。NB-FPGA由活性銅電極和非活性釕電極以及置於兩電極間的聚合體固態電解質構成。與半導體開關相比，原子開關負載容量小，高低電阻值比大，所以可同時應用於可擦寫半導體開關與半導體記憶體。從NB-FPGA的截面圖可以看出，整個器件採用7層銅布線，於第4層與第5層之間形成奈米橋。

CREST項目於2014年啟動，其研究目標是，將需要通電才能存儲數據的半導體記憶體「SRAM」全部置換成原子開關，因此記憶體的尺寸約可削減至常規FPGA的三分之一，功率效率提高10倍左右。將SRAM四分之一部分置換成原子開關的產品品質穩定，並且實現了樣品供貨。阪本感慨道：「始於1990年代的基礎研究經過JST的多個項目推進後終於取得成果」。目前正在開發將SRAM全部置換成原子開關的產品。阪本針對下一步發展的課題表示：「目前試製已經成功，正在開發量產技術」。

性能高卻需求有限
通過太空實證實驗尋找發展機遇

開發工作進展順利，並於2017年實現樣品供貨，但需求有限。所以需要拓展可能使用NB-FPGA的潛在客戶，在走訪客戶推介產品時，客戶向我們介紹了日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的「創新衛星技術實證項目」。

傳統的FPGA受到輻射影響時，會發生無法預測的錯誤，所以無法在太空中使用。杉林介紹說：「NB-FPGA的特點剛好是耐輻射。奈米橋由於採用金屬開關技術而不易受到輻射影響，元件本身的錯誤發生率也大為下降。即使衛星發射後出現問題，也可以通過更改電路配置來修復。以上特性使得NB-FPGA適用於太空領域，於是申請了JAXA項目」。研究人員將NB-FPGA嵌入相機中，通過太空實證實驗尋找發展機遇。NB-FPGA的性能在通過有高性能需求的人造衛星的驗證後，有望促進其在太空應用領域取代傳統的FPGA的進程。

期待全新技術覓得良機
團隊各施所長揚帆起航

即將看到實用化曙光的時候，當時團隊所屬的日本電氣公司（NEC）卻宣佈退出半導體業務。NBS董事兼副總裁多田宗弘回顧當時的情況時談到：「如果我們就這樣放棄了實用化，這項優秀的技術將被埋沒。希望能投入社會使用，因此在2019年決定創業」。在NEC，杉林負責業務拓展，阪本負責技術開發，多田負責開發製造，NBS也同樣沿用這個體制。」

杉林強調說，很幸運三人能各施所長共同創業，但初創企業要想取得成功，強大的研發能力和籌資能力也很重要。他表示：「在研發探索新業務的同時，為避免資金鏈斷裂，還必須能夠在需要的時候籌集到足夠的資金」。另外，還需要慎重地制定經營決策，順應市場需求，提供滿足客戶需要的產品。阪本補充道：「或許坦誠地表達出當前的困境也很重要。相比預期，我們獲得了更多人的支持」。

NB-FPGA採用與傳統半導體生產線相容的製造方法從而降低製造難度。多田談到：「在晶片上構建原子開關的掩模技術等也與傳統技術相同。現在的課題是，如何利用現有裝置製作出傳統半導體所沒有的電解質層」。

目前NBS正與日本國内的半導體廠商合作，製造65奈米尺寸的產品，但想要在通信等領域廣泛普及，則需要製程微縮至28奈米。據NBS介紹：「日本沒有可以製造這種尺寸的裝置，所以正委託海外廠商製造。成本和品質也在進行調整，計劃建立量產體制」。NBS理想中的NB-FPGA即將廣泛應用於人造衛星、通信以及汽車和醫療等領域。