環境適応型電源およびデジタル変換半導体集積回路を開発――22nmのCMOSプロセスで実証京都大学

京都大学は2024年6月17日、同大学の研究グループが、環境適応型電源およびデジタル変換半導体集積回路を開発したと発表した。体内環境で自律動作するIoT（モノのインターネット）システムの開発に寄与することが期待される。

IoTの開発においては、バッテリーを不要とする環境発電駆動の実用化が求められている。一方で、環境発電は出力が環境の状況に依存してしまうケースが多いため、電源が不安定化することが課題となっていた。

同研究グループは今回、電源確保対象とセンシングデータの取得対象が同一のシステム（発電とセンシングを一体的に行うシステム）において、入力電源電圧の高低に合わせて、動作する要素回路ブロックを自律的に最適化する半導体集積回路技術を開発した。

具体的には、異なるしきい値の電源電圧を有する複数の信号駆動回路（バッファ）を採用し、クロック信号が与えられた際に動いたバッファ回路の数をカウントすることで、デジタル化をする手法を考案した。低入力電源電圧の際には少ない数のバッファが動作するため、消費電力を低減できる。

冒頭の画像は、入力電源電圧をエサの量、クロック信号をメトロノームが発した指揮信号、異なるしきい値の電源電圧を有する複数のバッファを大、中、小のカエルになぞらえて図示したものだ。

入手できるエサの量が変動する環境下で、必要なエサ量が異なるカエルに合唱させると、エサの量に応じて声を出すカエルの頭数が変化する。この頭数をカウントすることで、必要なエサの量を測ることが可能となる。

十分なエサを得られないカエルは、声を発することができない。このため、合唱隊としての全体の消費エネルギーを下げられる。

同研究グループは、22nmの低リーク電流CMOSプロセスで設計、試作した半導体集積回路の上に同コンセプトを実装した。トランジスタのサイズや縦積み段数を調整し、異なるしきい値の電源電圧を有する複数のバッファを構築している。

性能を評価したところ、消費電力が0.9pW、電源電圧が0.1Vとなった。同発表によると、消費電力は同精度に換算した場合で既存技術の27分の1程度となり、電源電圧も既存技術から44％低減したという。

同研究グループは、今回開発した技術のさまざまな集積回路への適用を図る。また、同技術を用いた持続血糖モニタリングスマートコンタクトレンズやスマートステント、デジタル錠剤といった体内環境で動作するIoTシステムの開発を進める。

環境適応型電源およびデジタル変換半導体集積回路を開発――22nmのCMOSプロセスで実証　京都大学