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放射線耐性が高い半導体チップの宇宙空間での実証実験を開始へ

～JAXAの小型衛星に搭載し、動作の信頼性を評価～

2019年1月18日
日本電気株式会社
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構

NECは、国立研究開発法人　新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)プロジェクト※1の成果を活用し、放射線耐性の高い半導体チップ「NanoBridge-FPGA(NB-FPGA)※2」を開発し、このほど、宇宙空間での動作の信頼性に関する実証実験を実施します。2019年1月18日に宇宙航空研究開発機構(JAXA)がイプシロンロケット4号機で打ち上げた革新的衛星技術実証1号機の中の小型衛星「小型実証衛星1号機(RAPIS-1)」に搭載し、放射線が非常に強い宇宙環境下でのエラー率計測などのNB-FPGAの基礎的なデータ蓄積・評価を行います。さらに画像データの圧縮などの動作を通じてNB-FPGAの機能が正常に働くかなどを検証します。
本実証結果をもとにNB-FPGAの事業化を推進し、人工衛星機器のほか、自動車や医療分野への展開を進めるとともに、IoT機器の高度化と省エネルギー化を図ります。

図1 NanoBridge-FPGA
（縦：28mm×横：28mm）

©JAXA
図2 「NanoBridge-FPGA」を実装したカメラモジュール（JAXA開発）

1．概要

画像など大容量データの高速処理ニーズの高まりやIoT化の加速を背景に、高い電力効率と処理性能を両立できる半導体チップとして、ユーザーが電子回路を書き換え可能なFPGAの採用が広がっています。FPGAは、電気信号を切り替えるためのトランジスタの素子サイズを微細化することで、チップに搭載する回路規模を大きくしていますが、微細化するほどトランジスタのリーク(漏れ)電流が増え、それによる消費電力の増加が課題となっていました。
そこでNEDOのプロジェクトにおいて、NECは、信号切り替えに独自の金属原子移動型スイッチ「NanoBridge」を用いることで、省電力と小型化を実現したFPGA「NanoBridge-FPGA(NB-FPGA)」を開発しました。
NB-FPGAは、日本独自の動作原理(原子スイッチ)に基づく革新的なFPGAです。書き換え可能でありながら回路構成情報を保存するメモリが不要なため、放射線の影響で回路構成情報が書き換わってしまうソフトエラーの発生確率が極めて小さく、信頼性が高いほか、現在の最先端FPGAと比較して消費電力を10分の1、チップサイズを3分の1に抑えられ、低消費電力と小型化の両立が可能です。これらの特長を生かして、今般、国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構(JAXA)が2019年1月18日にイプシロンロケット4号機で打ち上げた革新的衛星技術実証1号機の中の小型衛星「小型実証衛星1号機(RAPIS-1)」に、NB-FPGAを搭載し、JAXAとNECが共同で、放射線が非常に強い宇宙空間での動作・信頼性に関する実証実験を行います。

2．実証内容

今回、JAXAが開発したカメラモジュールにNB-FPGAを実装しRAPIS-1に搭載しました。ソフトエラーの評価回路を一定期間動作させ、正常な動作完了を知らせる信号が評価期間中に継続出力されることを確認します。また、衛星の太陽電池パネルの開閉前後の画像と衛星から地球を撮影した画像を、NB-FPGAに書き込まれた画像圧縮回路で圧縮し、その圧縮データが地上へ正常に送信されることを確認します。実証は打上後、1年間の中で行う予定です。

実証内容の詳細

ソフトエラー評価回路動作 NB-FPGAに書き込まれたソフトエラー評価回路を一定期間動作させ、正常な動作完了を知らせる信号が評価期間中に継続出力されることを地上で確認する。
画像圧縮
回路動作		 NB-FPGAに書き込まれた画像圧縮回路によりCMOS撮像センサのデータを圧縮する。圧縮データが地上に送信され、正常に伸張されることを確認する。
NB-FPGA
書き換え		 書き換えデータを地上より送信し制御装置に記録する。書き換えモードでNB-FPGAを起動した後、制御装置よりNB-FPGAへ書き換えデータを送信する事で書き換えを実行する。書き換え後、NB-FPGAの抵抗状態を読み出し、期待値と一致することを確認する。

©JAXA
図3 小型実証衛星1号機（RAPIS-1）

©JAXA
図4　革新的衛星技術実証1号機
（イプシロンロケット4号機への搭載イメージ）

3．今後の展開

今後、NECは本実証で得られた結果を検証し、NB-FPGAのさらなる性能向上を目指し、早期事業化を推進します。人工衛星機器に加え、高い信頼性が要求される自動車、医療分野への展開を進めるとともに、IoT機器の高度化および省エネルギー化、IoT機器産業の発展に貢献します。

以上

  • ※1プロジェクト
    プロジェクト名：戦略的省エネルギー技術革新プログラム／100万LUT規模原子スイッチFPGAの開発
    期間：2016年度～2018年度
  • ※2FPGA
    Field Programmable Gate Arrayの略。ユーザーが論理回路を自由に書き換えられる論理LSI。短期間の仕様変更にも対応可能で、必要であれば出荷後のハードウエア変更も可能。現在の市場規模は6,000億円で、今後も市場は成長が予想される。

    NanoBridge-FPGA(NB-FPGA)
    独自の金属原子移動型スイッチ"NanoBridge"を搭載したFPGA。金属原子は放射線の影響を受けにくく、強い放射線耐性を持つ。またスイッチとして採用することで、LSIの低消費電力・小型化を可能とする。
    主な仕様
    • 論理ソース： 100 K―ASICゲート相当
    • 内部動作電圧：1.1V、入出力電圧：1.8 V、最大内部クロック：256MHz
    • 搭載回路：ブロックRAM、PLL
    • パッケージ：QFP、BGA

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