An MTTF-aware Design and Post-Silicon Validation Methodology for Adaptive Voltage Scaling

 半導体製造プロセスの微細化により，多くの機能を小体積内に搭載することが可能となり，集積システムの多機能化，高性能化，省電力化が推進され続けてきました．集積システムの性能向上に伴い，ビッグデータ，エッジ・コンピューティング，ディープ・ラーニングなどの新たなコンピューティング技術が創出されており，省電力かつ高性能な集積システムへの期待はますます高まっています．一方，微細化に伴うシステムの高集積化に伴い，回路性能のばらつきが大きな問題となっています．これは，まったく同じように設計・製造された回路であっても，動作開始時および開始後に性能に差が生じることを意味します．従来設計では，設計者がすべての回路に対して高い動作電圧を設定し，処理性能に余裕を設けていますが，この対策は性能の良い回路も高い電圧で動作させ，消費電力を増大させます．

 本研究では，性能ばらつきを克服し，省電力化と高性能化を推進可能な設計技術として，適応的電圧制御（AVS; Adaptive Voltage Scaling）に着目しています．AVSは，集積回路自身が動作時の速度余裕を動的に診断し，自律的に電源電圧を制御する設計技術です．本研究では，AVSの実用化に向けて，以下の2つの課題に取り組みました．

（1）センサと観測対象回路の一体最適設計手法
 AVSでは，センサを用いて，動作時の速度余裕を観測し，観測結果をもとに電源電圧を制御します．そのため，センサを「どこに」，「どれだけ」挿入するか，観測対象回路を「どのように」設計するか，決定する必要があります．本研究では，AVSの性能を最大限高め得る設計を目指して，センサと観測対象回路の両方を設計する一体最適設計手法に取り組みました．（a）センサの選定，（b）被制御回路の最適化，（c）センサの観測個所決定，のすべてを組み入れた設計手法を構築し，AVSが省電力・長寿命動作を両立できることを実験的に確認しました．

（2）ソフトウェアベースの製造後テスト容易化手法
 設計・製造した集積回路／集積システムは，膨大なテストを実行された後に，製品として出荷されます．テスト時には，さまざまな環境で動作検証を行い，異常動作を観測した際には，その原因となる故障が「なぜ」，「どこで」，「いつ」起こったのか調査します．ここでは，故障発生後の検出が遅れるほど，発生個所と原因の特定が難しくなりますので，発生した故障を素早く検出することがきわめて重要です．本研究では，「製造後テストで使用するテストプログラムに，故障の高速検出性を付与する手法」に取り組みました．異常動作に繋がる故障を素早く検出することで，製造後テストを容易化する狙いがあります．本手法は，プログラム内の実行命令を複製し，複製前後で計算結果を定期的に比較することで，発生した故障を素早く検知します．シミュレーション評価と実機評価により，プログラム実行時の電源電圧変動に起因する遅延故障に対する有効性を，実験的に明らかにしました．