自動運転時代のリアルタイム画像処理を可能にする内蔵SRAMを開発

~16nmプロセスにて688ピコ秒の高速動作と3.6Mbit/mm²の高集積度を同時に実現~

2015年12月09日

ルネサス エレクトロニクス株式会社

 

 ルネサス エレクトロニクス株式会社(代表取締役会長:遠藤 隆雄、以下ルネサス)は、16nm(ナノメートル、10億分の1)世代プロセス以降の車載情報機器用SoC(system on chip、システムLSI)向けに、新たにデュアルポートタイプの内蔵SRAMを開発しました。この新SRAMは、今後の自動運転技術として必要となるリアルタイム画像処理を実現するため、車載情報機器用SoCに搭載する画像バッファメモリに最適化を図りました。今回、新SRAMを最先端16nmプロセスで試作したところ、0.7Vの低電圧条件にて688ピコ秒(ps:ピコは一兆分の1)の高速動作と、世界トップクラスの3.6Mbit/mm2の高集積度を実現しました。

 

 近年、カーナビや先進運転支援システム(Advanced Driver Assistance Systems: ADAS)など将来の自動運転を視野にいれた車載情報機器は大きな進化を遂げています。その中でも、自動運転を実現するためには、リアルタイムに画像を処理する技術が重要であり、その処理性能向上への要求は著しく、回路の微細化等による集積度の向上や、クロック周波数の高速化による対応のみでは限界があると言われています。そこで、画像を細かく分割して、処理を並列化するアルゴリズムにより、性能を更に向上する動きが出てきています。この時、シングルポートSRAMと呼ばれる一般的な内蔵SRAMの約2倍のメモリアクセス性能を実現するために、同時に読出し・書込み動作ができるデュアルポートタイプの内蔵SRAMが求められています。ところが、このデュアルポートSRAMは、シングルポートSRAMに比べて占有面積を必要とする上、アクセス速度向上に伴う消費電力の増大、動作下限電圧マージンの悪化等、様々な課題がありました。

 

 そこで、今回ルネサスは、FinFET用に最適化したデュアルポートSRAM用メモリセルを採用することで、これらの課題を解消しました。また、シングルポートSRAM向けに開発したワード線ブースト型アシスト回路技術をこのデュアルポートSRAMにも適用することで、低電圧でも安定して高速読出し・書込み動作が可能となり、小面積で消費電力を抑えることが可能となりました。

 

 このたび開発した技術の特長は以下のとおりです。

 

(1)FinFETの特長を生かしたワード線オーバードライブ方式アシスト回路により低電圧高速動作を実現

 半導体プロセスの微細化と共にデバイス素子のばらつきが増大することで、デバイスの下限動作電圧が悪化する傾向があり、その対策として回路的に工夫する回路技術(以下、アシスト回路)が導入されています。従来は、読出し動作時の安定動作を確保するため、アクセス時にワード線の電圧を僅かに下げる工夫をしていました。しかし、この方式では、書込み時の動作マージンの悪化や、読出し速度が著しく低下するなどの課題がありました。ルネサスはFinFETの特長を生かし、従来とは逆にワード線電圧を僅かに昇圧し、読出し時と書込み時でそのパルス幅を変えるというアシスト回路方式をシングルポートSRAM向けに提案し、採用しています。今回、このシングルポート向けに開発したアシスト回路技術を拡張し、この画像認識用デュアルポートSRAMに採用しました。最先端16nmプロセスで試作評価した結果、0.7Vの低電圧動作にて、688ピコ秒(ps:ピコは一兆分の1)の高速安定動作を確認しました。

 

(2)デュアルポートSRAMに最適なメモリセルを採用、世界トップクラスの3.6Mbit/mm²の高集積度を実現

 シングルポートSRAMのビットセルと違い、デュアルポートSRAMはレイアウトトポロジが異なる幾つかのビットセルタイプがあります。これまでの28nmプロセスまでは、プレーナ型MOSFET構成が採用されていましたが、16nmプロセスではプロセスばらつきを抑え特性が著しく改善されるフィン構造を導入した新しいFinFETが採用されます。このFinFETでは、レイアウト制約が非常に厳しく、従来のプレーナ型で最適であったレイアウト構造をFinFETに適用することが困難となります。また、レイアウト形状に依存してMOS特性が大きく変動するため、より安定動作させるためには対称的なレイアウト構造が要求されます。今回、このFinFETに最適化されレイアウト対称性の優れるデュアルポート用メモリセルを新たに採用し、周辺回路をリアルタイム画像処理向けSRAMとして最適設計することで、3.6Mbit/mm2と世界トップクラスの集積度を実現しました。これにより、並列処理化と同時に要求が高まっている搭載SRAMの大容量化に対応することが可能となりました。

 

 今回ルネサスが開発したリアルタイム画像処理用デュアルポートSRAMは、今後プロセスの微細化が進むにつれて困難になると予想される速度と安定動作の両立を実現しており、かつ消費電力を抑え小面積化を実現します。将来の先進運転支援システムや自動運転に求められるリアルタイム画像処理の性能向上に大きく貢献できると期待しています。また、今回開発したSRAMを16nm FinFETプロセスのルネサスの最先端SoCに採用し、いち早く提供することで、安全・安心で快適なクルマ社会の構築に貢献します。

 

 なお、当社は今回の成果を、2015年12月7日から米国ワシントンDCで開催される「電子デバイス国際会議IEDM 2015(International Electron Device Meeting 2015)」にて、現地時間の12月8日に発表します。

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以 上

 

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