ＪＡＸＡ、耐放射線性を持つ高機能論理集積回路の開発基盤を構築

民生用最先端ＳＯＩ技術と宇宙用耐放射線技術の融合により

耐放射線性を持つ高機能論理集積回路の開発基盤を世界で初めて構築


　宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）宇宙科学研究所は、民生用最先端ＳＯＩ（１）技術をベースに、宇宙科学研究所の耐放射線化技術を付加するとともに、宇宙分野以外の民生応用を意識してセルライブラリー方式（２）を導入することで、きわめて高い放射線耐性をもつ論理集積回路を自由かつ安価に設計・製造できる技術基盤を世界で初めて構築しました。この技術基盤はすでに利用段階に入っており、論理集積回路の中でも最も高機能な宇宙仕様のＳｏＣ（３）が三菱重工業（株）により宇宙分野以外との共用を目的として製品化されました。宇宙用部品も宇宙分野以外の量産と相乗りすれば大幅なコスト減となります。この技術基盤は放射線耐性の高いさまざまな論理集積回路の開発をも可能とするもので、日本の宇宙産業や高い放射線耐性を要求される技術分野において、大きな戦略技術となると期待されます。

（１）Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒの略。超高集積回路の高速化・低消費電力化を実現するためのキーテクノロジーとして期待されている。
（２）集積論理回路の設計手法の一つ。標準的なセルをあらかじめ最適設計してライブラリーとしてコンピュータのメモリーに登録しておき、それらのセルを用いてチップを設計する方式。
（３）Ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐの略。マイクロプロセッサーやメモリーなど、ある装置やシステムの動作に必要な機能のすべてを一つの半導体チップに実装する方式。配線の省略による高速化や、部品点数の削減による消費電力節減、装置の小型化や製造コスト低減などのメリットが期待できる。


解説

　地球の大気に守られていない宇宙空間は、宇宙からの強い放射線に直接さらされ、人間だけでなく電子回路にとっても過酷な環境です。電子回路にとって特に問題となるのが、半導体部品のソフトエラー（放射線によるビット反転エラー）やシングルイベントラッチアップ（放射線により過大電流が流れて永久損傷になる可能性があるエラー）と呼ばれる誤動作です。現在、国産の大型・中型の人工衛星のコストの約１割を電子部品が占めていますが、その中核部品である高い放射線耐性を持つ高機能ＬＳＩのほとんどは海外製品の輸入に頼っており、高価格であるだけでなく戦略物資扱いを受けていることから、日本の人工衛星開発を大きく阻害しています。
　一方、電子回路の高集積化が進むにつれ、この問題は放射線の強度が弱い地上でも深刻になりつつあります。特に、放射線の影響を受けやすい航空機や原子力機器だけでなく、きわめて高い信頼性を要求されるハイエンドサーバーなどのＩＴ基盤や、誤動作が人命にかかわる建設機械、自動車、医療用機器などにおいても、パッケージ内部の不純物から発生する放射線や、地上に到達する微弱な宇宙放射線によるソフトエラーが危惧され、さまざまな対応が進められており、これがシステムの複雑化やコスト増につながっています。
　このように、宇宙分野のみならず宇宙分野以外の分野においても、今後さらに電子回路の高集積化・高機能化とともに、その放射線耐性への依存度が高まることが予想され、それを克服するような技術革新や生産拠点の確立が望まれています。

　宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）宇宙科学研究所の廣瀬和之（ひろせ・かずゆき）准教授、齋藤宏文（さいとう・ひろぶみ）教授を中心とする研究チームは、高速性・低消費電力が要求されるエレクトロニクス製品を製造している三菱重工業（株）の最先端の民生ＳＯＩ技術をベースに、宇宙科学研究所の耐放射線化技術を付加し、宇宙分野以外への応用を意識して集積回路の設計手法にセルライブラリー方式を採用することで、きわめて高い放射線耐性をもつ論理集積回路をこれまでになく自由かつ安価に設計・製造できる技術基盤を世界で初めて構築しました。
　この技術基盤は、平成１４年に発表した民生ＳＯＩプロセスによるＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）の開発体制を拡張したものです。集積回路の設計者は、このライブラリーの中にある放射線耐性を備えたセルを組み合わせるだけで、放射線耐性の高い論理集積回路を自由に設計することができます。これをＳＯＩプロセスで製造する際に、共同で民生工場に委託すれば、マスクや製造にかかる費用を分担することで、経費を低く抑えることができます。
　この開発体制はすでに実用段階に移行しています。例えば三菱重工業（株）は、論理集積回路の中でも最も高機能な耐放射線仕様のＳｏＣの製品化に成功しました。このＳｏＣには、３２ビットマイクロプロセッサーや、メモリー、スペースワイヤーインターフェースなどが１チップ上に集積され、きわめて高い機能を備えていますが、ＳＯＩ構造の採用と回路上の工夫により、シングルイベントラッチアップ（放射線による過大電流が永久損傷をもたらしうるエラー）が全く起こらないという特性と同時に、ソフトエラーの発生確率をきわめて低く抑える（耐放射線性として２５−４０　ＭｅＶ／（ｍｇ／ｃｍ２）程度と、最先端の民生用ＳＯＩ素子の１　ＭｅＶ／（ｍｇ／ｃｍ２）以下より大幅に向上）という特徴を持ちます。当面は、次期天文衛星への搭載が計画されています。また三菱重工は量産の期待できる宇宙分野以外の機器への採用も計画しています。
　今回、宇宙科学研究所がもつ放射線耐性強化技術と、国内の最先端の民生ＳＯＩ技術とを組み合わせ、民生応用を意識してセルライブラリー方式を採用することで、高い耐放射線性能を持つ超高集積回路を自由かつ安価に開発できる基盤が整いました。これは、今回の製品化されたＳｏＣに限らず、放射線耐性の高いさまざまな論理集積回路の開発を可能とするもので、日本の宇宙産業や高い放射線耐性を要求される技術分野において、大きな戦略技術となるものと期待されます。
　なお、本成果を実現するために行ってきた基礎研究の成果は、放射線が半導体素子に及ぼす影響に関する世界最高峰の学術雑誌であるＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ誌にこれまでに１９件の論文としてまとめられており、米国で毎年開催されるＩＥＥＥ　Ｎｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅという国際会議においてＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　Ｐａｐｅｒ　Ａｗａｒｄを２度受賞しています。

研究チーム：
宇宙航空研究開発機構　宇宙科学研究所
齋藤宏文　教授、廣瀬和之　准教授、小林大輔　助教

図：三菱重工業（株）により製品化されたＳｏＣ。（Ｃ）三菱重工業（株）
　※添付の関連資料を参照