東北大、バッテリなしで動作するIoT向け不揮発性マイコンを世界初実証

今回開発された不揮発性マイクロコントローラユニット(MCU)

　東北大学の省エネルギー・スピントロニクス集積化システムセンターおよび国際集積エレクトロニクス研究開発センターらは2月19日、動作周波数200MHzと高性能でありながら、平均電力50μW以下の低消費電力を両立する“不揮発性マイコン”を世界で初めて実証したと発表した。

　現在主流の揮発性半導体メモリに代わり、待機電力を必要としない不揮発性メモリの1つとして、電荷と磁石の性質を利用するスピントロニクス技術を用いたSTT-MRAM(スピン注入型磁気抵抗メモリ)の開発が進められており、高速動作や低電圧動作、書き換え耐性の強さなどから、大きな期待が持たれている。

　また、IoT技術を背景とする分散型システムの社会実装において、太陽光や照明光、振動、熱、電波などの環境を利用したエナジーハーベスティングによる電力駆動を可能とする超低消費電力性と、AIの発展にともない予想されるIoTシステムの高機能化の要求に応える高性能さを両立するマイクロコントローラユニット(MCU)の開発が急務とされている。

　東北大の研究グループはこの問題への解決策として、スピントロニクス素子のスピン移行トルク型MTJ(磁気トンネル接合素子)と、Si-CMOS技術を組み合わせた集積回路技術を用いたMCUを開発。40nmのCMOSプロセスと、同大学の国際集積エレクトロニクス研究開発センターで開発された39nm MTJプロセスが用いられている。

　すべての演算部をスピントロニクス素子で不揮発化し、パワーゲーティング技術を細かい粒度で適用することで、無駄な消費電力を排除。さらに、信号処理を高速化する再構成型演算モジュール、演算部とメモリの転送ボトルネックを緩和するメモリコントローラを組み込むことで、革新的とする200MHzの高速動作と、性能評価では平均47.14μWの超低消費電力を実現した。

　従来のMCUと比べて2倍以上の演算性能の向上と、2桁以下の低消費電力となっており、本研究で実証されたMCUではエナジーハーベスティングでのバッテリフリー駆動の可能性が見込まれ、ICT社会における基盤技術として期待できるとしている。

開発チップにおける平均消費電力と性能をこれまでの報告と比較した結果