ロームの研究開発成果報告

ロームはウェアラブルで常時計測を行うヘルスケアシステムを対象とした研究開発を行った。例えば血圧は1日のうちの時間やどのようなことをしているかによっても変動するので、常時計測が望ましい。そして、生活習慣を分析するためには最低2週間のデータをログする必要があるという。

このような機器は、長時間身に着けるのであるから、着けていることが気にならないパッチ(絆創膏)型にしたい。パッチの下に入れられる10mAHの小型電池で2週間の連続動作を行えるようにするには、システムの消費電流を30μA以下にする必要がある。

このためには、生体情報センサLSIの性能/電力を現状の10倍に引き上げる必要がある。

最低2週間の連続稼働が必要であり、性能/電力を10倍に引き上げる必要がある

この性能/電力10倍を達成するためにロームが選んだのは、ノーマリーオフを用いた低電力化と、FeRAMと不揮発性ロジックの組み合わせである。心電図、心拍、血圧などの生体データのロギングは1Kサンプル/秒以下、運動、睡眠などの生活習慣データの処理間隔は1秒以上であり、ほとんどの時間は待機状態であるので、ノーマリーオフで積極的に電源を切る。

通信はNFCでパッシブ通信を行い、また、チップ上でデータを処理して、通信するデータ量を減らす。アナログ回路も可能な部分はデジタル化してノーマリーオフ化、デジタル化できない部分もデジタルコントロールでノーマリーオフ化を目指す。

そして、メモリは強誘電体を使う不揮発性のFeRAMの使用と、ロジックも電源オフでも状態を保持する不揮発性ロジックを使い、電源をオンオフ時の処理オーバヘッドを減らす。

ロームはグループ内にラピスセミコンダクタという半導体会社を持っており、この会社は強誘電体を使うFeRAMの技術を持っている。強誘電体の分極を使うFeRAMは書き込みが高速で消費電力も小さい。また、書き変え寿命もNAND型フラッシュメモリと比べると非常に長く、実用上問題にならない。FeRAMは他の不揮発性メモリと比較すると集積度は高くないのであるが、生体情報センサLSIで必要とされるメモリは16KBとそれほどの大容量は必要ない。

不揮発性ロジックは、次の図に示すようにCMOSのレジスタのフィードバックパスに強誘電体キャパシタを追加して、電源がオフ状態でも状態を記憶することができるようにしたものである。通常のレジスタでは、電源をオフにすると状態は消えてしまうので、状態を退避した不揮発性メモリから読み出して復旧するという手順が必要であるが、強誘電体キャパシタが状態を記憶するので、電源をオフにしても、また、オンにすればロジックは元の状態に復帰する。このため、電源オンオフ時の情報の退避復元の必要が無くなる。

CMOS FFのフィードバックパスに強誘電体キャパシタを付けて状態を記憶する。原理的には1個でも良いが、安定性を増すため2個のキャパシタを使っている

心拍数の抽出部は、従来はアナログ増幅器とA/Dコンバータ(ADC)を連続動作させていたが、256サンプル/秒の低速サンプリングで間欠動作をさせるようにして、消費電流を135μAから6.7μAと1/20に低減した。そして、従来は波形のピークの間隔を測っていたが、この方法はノイズに弱いので、波形の自己相関から間隔を決定するアルゴリズムを採用した。

従来はアンプとADCを連続動作させていたが、低速サンプリングと間欠動作で電流を1/20に低減

ロジック部は、不揮発性の16KBのFeRAMと不揮発FFを組み込んだARM Cortex-M0コアを使い、ノーマリーオフ化を行って消費電力を削減した。

ロジック部のFFを不揮発化し、電源のオンオフを制御してマイコン部の消費電力を低減

結果として開発されたLSIは0.13μmのCMOSプロセスを使い、チップサイズが3.7mm×4.3mmで、心拍数ロギング状態の消費電流は6.1μAを達成した。

0.13μm CMOSプロセスで製造され、3.7mm×4.3mmの生体情報センサLSI (AFEはアナログフロントエンド、ECGは心拍抽出)

モジュールの消費電流は、従来技術では200μAであったが、同研究では、中間評価時には40μA弱に低減し、今回の報告では20μAと当初目標の従来技術の1/10を達成した。中間評価時からの主な改善点は、心拍予測によるADCの間欠動作とマイコンへの不揮発ロジックの採用によるマイコンの電源オフである。

このように、一応、目標を達成したが、現在のものは医療応用ができる精度に達しておらず、精度を上げるためには高精度のアルゴリズムを使う必要がある。そうすると計算量が増えて消費電流が20μAを超えてしまうので、さらに改良を行い、高精度のアルゴリズムを使っても20μA以下の消費電流の実現を目指すという。

ノーマリーオフの今後の展開

ノーマリーオフコンピューティングの基盤技術を開発するプロジェクトは2016年の2月末で終わることになっているが、このような系統的な電力削減、センサネットワークの開発プロジェクトは欧米にもなく、NEDOは、Beyond Noffということで、Noff技術の発展・普及を目指すプロジェクトを立ち上げる予定になっている。

今回のプロジェクトの開発目標は基礎技術であったが、後続のプロジェクトではシステム階層的な要素を加える予定である。また、電池無しでセンサネットワークを動かすエネルギーハーベストの技術開発にも取り組む必要があるという。