科学研究 - 小型省电耐辐射可重写半导体器件开始量产

为满足日益多样化的社会需求，对高通用型开发人员可重写半导体的需求在不断增长。为应对这种需求，NanoBridge Semiconductor Inc.（茨城县筑波市）正致力于量产采用金属原子开关技术的可重写半导体器件。这种开创性器件具有体积小、功耗低和耐辐射等特点，将加速全球的ICT研发进程。

杉林直彦董事长兼首席执行官(CEO)
多田宗弘董事兼副总裁(VP)
阪本利司董事兼技术总监(CTO)

具备高灵活性的FPGA芯片
在IoT和AI领域引起高度关注

随着物联网（IoT）的发展，只需操作身边的终端就能立即获取所需信息，并且可以实现远程设备控制的时代正在逐步到来。这种便利性是依靠可以瞬间处理大量信息的集成电路（IC）芯片的大容量化和高性能化来实现的。近来备受关注的IC芯片是“现场可编程逻辑门阵列” （FPGA）器件（图1）。如果采用FPGA，用户可以根据设计需求自由重写，无需随着硬件升级/更新而重新制作或者购买昂贵的专用芯片，并且可以降低开发风险，缩短制造周期。虽然目前FPGA还只应用于高清相机和通信基站等，但作为支撑基础设施的芯片，FPGA正受到越来越高的关注。

图1：NB-FPGA与高可靠性FPGA的比较。表格左起第二列是采用SRAM开关的目前主流FPGA芯片，每次上电时都需要对FPGA进行配置。其右侧的类型包括NB-FPGA在内均采用非易失性开关，即使切断电源也无需重新配置。

另一方面，很多FPGA为了储存电路配置信息需要电源，所以存在芯片尺寸较大的缺点。为此，NanoBridge Semiconductor Inc.（NBS）开发了 “原子开关”技术，通过金属原子移动来控制内部模块互联的FPGA。NBS董事长兼首席执行官杉林直彦介绍说：“与拥有同等处理能力的传统FPGA相比，实现了小型化和低功耗”。

采用铜原子开关构建电路
功率效率提高约10倍

原子开关是青野正和博士在JST战略性创造研究推进事业（CREST）项目中经过反复研究，于2001年通过原理验证的技术。该技术在固体电解质电极与金属电极之间搭建或消除纳米（10亿分之1米）级金属桥接（“纳米桥”）来实现开关控制（图2）。NBS董事兼技术总监阪本利司回顾到：“当时接到关于原子开关集成的咨询，从而间接促成纳米桥技术的开发”。在2000年获得SORST项目支持并开始推进实用化研究时，原计划是将原子开关应用于无电源供应时也可保存信息的非易失性存储器元件。之后为了缩小FPGA的尺寸并提高其可靠性，决定将原子开关应用于FPGA。2011年利用开始作为半导体布线使用的铜材料，成功试制出采用金属原子移动型开关的纳米桥-FPGA（NB-FPGA）。

图2：纳米桥模式图（左）与NB-FPGA截面图（右）
原子开关是向电极之间间距约10纳米的电路施加电压，通过在两个电极之间搭建或消除金属桥接来实现开关控制的。NB-FPGA由活性铜电极和非活性钌电极以及置于两电极间的聚合物固体电解质构成。与半导体开关相比，原子开关负载容量小，高低电阻值比大，所以可同时应用于可擦写半导体开关与半导体存储器。从NB-FPGA的截面图可以看出，整个器件采用7层铜布线，于第4层与第5层之间形成纳米桥。

CREST项目于2014年启动，其研究目标是，将需要通电才能存储数据的半导体存储器“SRAM”全部置换成原子开关，因此存储器的尺寸约可削减至常规FPGA的三分之一，功率效率提高10倍左右。将SRAM四分之一部分置换成原子开关的产品品质稳定，并且实现了样品供货。阪本感慨道：“始于1990年代的基础研究经过JST的多个项目推进后终于取得成果”。目前正在开发将SRAM全部置换成原子开关的产品。阪本针对下一步发展的课题表示：“目前试制已经成功，正在开发量产技术”。

性能高却需求有限
通过太空实证实验寻找发展机遇

开发工作进展顺利，并于2017年实现样品供货，但需求有限。所以需要拓展可能使用NB-FPGA的潜在客户，在走访客户推介产品时，客户向我们介绍了日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“创新卫星技术实证项目”。

传统的FPGA受到辐射影响时，会发生无法预测的错误，所以无法在太空中使用。杉林介绍说：“NB-FPGA的特点刚好是耐辐射。纳米桥由于采用金属开关技术而不易受到辐射影响，元件本身的错误发生率也大为下降。即使卫星发射后出现问题，也可以通过更改电路配置来修复。以上特性使得NB-FPGA适用于太空领域，于是申请了JAXA项目”。研究人员将NB-FPGA嵌入相机中，通过太空实证实验寻找发展机遇。NB-FPGA的性能在通过有高性能需求的人造卫星的验证后，有望促进其在太空应用领域取代传统的FPGA的进程。

期待全新技术觅得良机
团队各施所长扬帆起航

即将看到实用化曙光的时候，当时团队所属的日本电气公司（NEC）却宣布退出半导体业务。NBS董事兼副总裁多田宗弘回顾当时的情况时谈到：“如果我们就这样放弃了实用化，这项优秀的技术将被埋没。希望能投入社会使用，因此在2019年决定创业”。在NEC，杉林负责业务拓展，阪本负责技术开发，多田负责开发制造，NBS也同样沿用这个体制。”

杉林强调说，很幸运三人能各施所长共同创业，但初创企业要想取得成功，强大的研发能力和筹资能力也很重要。他表示：“在研发探索新业务的同时，为避免资金链断裂，还必须能够在需要的时候筹集到足够的资金”。另外，还需要慎重地制定经营决策，顺应市场需求，提供满足客户需要的产品。阪本补充道：“或许坦诚地表达出当前的困境也很重要。相比预期，我们获得了更多人的支持”。

NB-FPGA采用与传统半导体生产线兼容的制造方法从而降低制造难度。多田谈到：“在芯片上构建原子开关的掩模技术等也与传统技术相同。现在的课题是，如何利用现有装置制作出传统半导体所没有的电解质层”。

目前NBS正与日本国内的半导体厂商合作，制造65纳米尺寸的产品，但想要在通信等领域广泛普及，则需要制程微缩至28纳米。据NBS介绍：“日本没有可以制造这种尺寸的装置，所以正委托海外厂商制造。成本和品质也在进行调整，计划建立量产体制”。NBS理想中的NB-FPGA即将广泛应用于人造卫星、通信以及汽车和医疗等领域。