2008-0092
2008年4月30日
株式会社富士通研究所
先端LSIのソフトエラー発生率を短期間で高精度測定する技術を開発
〜先端LSIの用途ごとに適切なソフトエラー対策が可能に〜
株式会社富士通研究所(注1)は、大学共同利用機関法人自然科学研究機構 国立天文台(注2)ハワイ観測所と共同で、宇宙線の一種の中性子線(注3)によって引き起こされる先端LSIの誤動作であるソフトエラー(注4)の利用現場における発生率を、短期間で高精度に測定する技術を確立しました。
本技術は、緯度・経度や高度、建物の遮蔽など、測定位置により異なるソフトエラー発生率を短期間で正確に評価することを可能にするものです。これにより、先端LSIの開発者に対して、LSIの利用現場および用途に合わせた最適なソフトエラー対策を行なうための判断材料を提供することを可能にします。
なお本技術の詳細は、4月27日から米国フェニックスで開催されている国際会議「2008 IRPS（International Reliability Physics Symposium)」にて発表します。
開発の背景
ソフトエラーは、二次宇宙線の中性子線や材料中の放射性不純物から放出されるα線(注5)などが、LSI中のメモリや論理回路に影響をおよぼし、ごく稀に誤動作を引き起こす現象です。特に中性子線はソフトエラーの3〜8割を占める主要因となります。ソフトエラーは、LSIの高集積化にともない増加するため、今後、ソフトエラー対策がますます重要となります。
しかし、中性子線のエネルギー分布(注6)は緯度や経度、建物の遮蔽に影響を受けるため、測定位置により異なります。従って、最適なソフトエラー対策を行うためには、実際の利用現場におけるソフトエラー発生率の正確な評価が必要となります。従来のシミュレーション評価技術や高エネルギー加速器施設を用いたソフトエラーの発生率の評価方法は、利用現場における中性子のエネルギー分布を反映しない可能性があるため、実際の利用現場におけるソフトエラーの評価実験(ソフトエラー・フィールド実験)が重要になっています。
課題
従来のソフトエラー・フィールド実験には、以下のような課題がありました。
1. 利用現場における中性子線のエネルギー分布の測定
ソフトエラーの発生率は、大気中の中性子線のエネルギー分布に依存し、さらに中性子線のエネルギー分布は、緯度・経度や高度、建物の遮蔽などにより変化します。しかし、実際の利用現場における中性子線のエネルギー分布を正確に測定することは困難でした。
2. 統計精度
1000個程度のメモリチップを1年間測定しても、数回〜10回程度のエラーしか発生しないため、十分な統計精度を得ることが難しいという状況でした。
開発した技術
先端LSIの利用現場におけるソフトエラー発生率を、短期間で高精度に測定する技術を確立しました。開発した技術の特長は、以下の通りです。
1. 中性子線のエネルギー分布とソフトエラー発生率の関係を正確に評価
中性子線の強度およびエネルギー分布を正確に測定する中性子線測定器と、ソフトエラー測定システムを組み合わせて同時に測定することで、中性子線の強度やエネルギー分布とソフトエラー発生率の関係を正確に評価することを可能にしました。さらに建物の内と外で中性子線測定を行なうことによって、建物の遮蔽効果がソフトエラー発生率におよぼす影響を評価しました。
2. ソフトエラー発生率評価の高精度化
ソフトエラーの発生率を高精度に評価するため、低地の10倍以上の中性子線の強度が推定された、すばる望遠鏡(注7)があるハワイのマウナケア山頂で測定を実施し、中性子線エネルギー分布測定に成功し、短期間で高精度なエラー発生数の統計データを取得することができました。
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測定場所(ハワイ マウナケア山頂) | ソフトエラー発生率：マウナケアの値を1に規格化。東京の推定区間が大きいのは2回しかエラーが発生していないため（推定区間は90%の確率で値が収まる範囲で決めた）。 |
効果
東京とマウナケナ山頂で測定したところ、マウナケナ山頂での中性子線の強度は東京の約16倍、さらに遮蔽効果により東京の7.4倍という結果を得ました。また、マウナケア山頂で測定したソフトエラー発生率に、7.4分の1倍を掛けて算出した値は、東京で測定した従来のデータや計算値にほぼ一致しました。
さらに、マウナケア山頂における測定では、90ナノメートル（以下、nm）世代のSRAM 1024個のサンプルに対して約2,400時間の測定を行ったところ、36回ものソフトエラーを検出することができました。東京における測定期間の約8分の1の短期間で、高精度な評価結果を得ることができました。
今後
今回開発した技術を適用して、65nm世代以降、45nm、32nm世代のLSIのソフトエラー発生率を評価します。これにより、ソフトエラーが増加する最先端LSIについても、用途ごとに適切なソフトエラー対策（対策の要・不要、材料の選択、回路方式の決定、など）を行なうための判断材料を提供することが可能になります。
以上
注釈
注1 株式会社富士通研究所：
代表取締役社長 村野和雄、本社 神奈川県川崎市。
注2 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 国立天文台：
台長 観山正見、所在地 東京都三鷹市。
注3 中性子線：
陽子などの宇宙線が、大気に突入して酸素や窒素などの元素の原子核（電荷を持つ複数個の陽子と電荷を持たない複数個の中性子より構成）に衝突した際に放出される中性子の流れ。
注4 ソフトエラー：
ハード的には壊れていないにも関わらず、メモリや論理回路が誤動作してしまう現象。地上に届く二次宇宙線の中性子線や材料中の放射性不純物起因のα線が発生させる電荷が原因となりごく稀に発生する。
注5 α線：
ウラニウムやトリウムなどの放射性元素がα崩壊を起こし放出されるヘリウムの原子核の流れ。高純度の材料でも、わずかに放射性元素を不純物として含んでいるケースが往々にしてある。
注6 中性子線のエネルギー分布：
二次宇宙線の中性子線はエレクトロンボルト（eV）のオーダーからギガeV (10の9乗eV)のオーダーまでのエネルギー分布を持っている。ソフトエラーに影響をおよぼすのは、特に数メガeV以上のエネルギーを持つ中性子線。
注7 すばる望遠鏡：
自然科学研究機構国立天文台ハワイ観測所が運用する口径8.2mの世界最大級の光学赤外線望遠鏡。ハワイ島マウナケア山頂(4,200m)にある。
関連リンク
・株式会社富士通研究所
本件に関するお問い合わせ
株式会社富士通研究所
シリコンテクノロジ開発研究所 第一インテグレーション開発部
電話： 0594-24-2640（直通）
E-mail： acmos-ask@ml.labs.fujitsu.com
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