研究室について (About Laboratory)

本研究室では、現在の電子情報産業を支えているシリコンCMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 集積回路をベースに、そこにこれまでにない機能を付加することにより新しい電子情報デバイスを創出することを目的に研究しています。

現在、『Mooreの法則』により推し進められる半導体素子の微細化は限界に近づいてきています。そこで、半導体に新たな機能を付加した新規 デバイスを創造しようという『More than Moore』が世界的な動きとなっています。

本研究室では『More than Moore』にのっとり、半導体デバイスに物質化学を融合させた化学集積デバイスの実現を目的としています。この化学集積デバイスとは、『チップ上に化学 を集積・化学素子を集積』という2つの意味をもっています。この新しいデバイスの実現のため、様々な方向からアプローチを行い、研究を進めて います。

We are developing “Chemical integrated circuits” based on silicon CMOS technology. The purpose of this research is to realize chemistry integrated circuits where several chemical reactions occur on a chip, which are controlled and detected electrically. This type of device is mainly expected for the use of biomedical applications. In view of the growing concern about such issues as food security, health care, evidence-based care, infectious disease, and tailor-made medicine, a portable gene-based point-of-care testing (POCT) system is needed. For a system that anyone can operate anywhere and obtain immediate results, a new biosensor chip must be developed. Electrical detection using complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits has great potential since it eliminates the labeling process, achieves high accuracy and real-time detection, and offers the important advantages of low-cost, compact equipment. Our main target is the realization of chemical integrate circuit to detect very small amount of target molecules by amplifying them on a chip.

研究テーマ（Research Topics）

大規模集積回路は、様々な産業を下支えする重要な社会情報基盤となっています。本分野では、大規模集積回路の高エネルギー効率化設計技術の研究開発を通して、社会をよりよくすることを目指します。大規模集積回路設計技術の基礎を身に着けるとともに、その特性を活かした社会実装までを見据えて、社会価値創造までつなげることを目指します。

大規模集積回路の研究開発においては、基礎となる基盤技術とその応用が、密接に結びついており、基礎と応用は切っても切り離せない関係にあります。基礎的な基盤技術が応用を生み出すケースもあれば、応用での必要性から基盤技術が発展することがあります。どちらも大変重要ですが、興味に合わせて、基盤技術と応用技術のどちらも研究できる環境を構築しています。

大規模集積回路の研究開発においては、計算機シミュレーションにおける回路設計のみならず、実際の集積回路を試作・評価して性能を実証することが非常に重要となります。本研究室では、12nm FinFET, 22nm Bulk CMOSプロセスといった世界中で使用されているファウンドリ（半導体製造受託企業）を活用して、年に複数回の試作機会を提供します。在学中に複数回の半導体集積回路試作・評価を経験することを目標としています。

Integrated circuits become one of the most important social infrastructures. Our laboratory aims at improving our society by developing energy-efficient design engineering of integrated circuits. We are focusing on not only developing energy-efficient circuit design techniques itself but also creating final applications and social scenarios with them.
Research and development of integrated circuits inherently has aspects of fundamentals and application. Sometimes fundamental technologies create new applications, and at other times applications drive fundamental technologies. Since both are important, we are preparing the environment where the students can choose and focus on fundamental and/or application research according to their interests.
It is quite important to develop the prototype integrated circuits as well as simulation with EDA for becoming an excellent designer. Our laboratory offers several chances per year to experience design, simulation, and developing with a widely used CMOS process such as TSMC 22nm ultra low leakage power RF/analog CMOS technology. Our target is offering students experience of several cycles from design to measurement.

1． 高エネルギー効率・大規模集積回路設計基盤技術の開発（Developing fundamental design technique for energy-efficient integrated circuits）

大規模集積回路の高性能化は近年、歴史的な変換点を迎えています。ピーク性能の向上が難しくなり、高エネルギー効率化への注力化が鮮明となっています。スマートフォン向けのアプリケーションプロセッサにおいて、同じバッテリー容量下での演算性能が年々向上しているように、単位演算性能あたりのエネルギー効率は、改善の一途をたどっています。これは、半導体製造プロセスの微細化(28nm, 16nm, 7nm, 5nm…といった最小加工寸法の微細化)によるもので今後も継続が予想されており、0.2nmまでのロードマップが描かれています。

本研究室では、この大規模集積回路の製造プロセスの進化に親和性が高く、半導体産業の発展に伴って拡張的に性能向上が可能（スケーラブル）な、高エネルギー効率・大規模集積回路設計基盤技術に取り組みます。回路技術をイラスト上で定性的に構想するところから、計算機での定量的なシミュレーション、そして実集積回路デバイス上での評価までを一貫して実施します。深い集積回路への知識と共に、応用を見据えて回路性能に落とし込む幅広い視野を育むことを目指します。

Recently, the trend on performance improvement of integrated circuits has been changing. Traditional peak performance enhancement becomes difficult and energy-efficient design becomes more and more important. As we can feel the year-by-year rapid performance improvement of application processors in smartphones with almost constant battery capacity, energy efficiency per data processing is being improved even now. This is mainly thanks to CMOS process technology scaling such as 28nm, 16nm, 7nm, 5nm, … This CMOS technology scaling is expected to continue and one of the technology roadmaps forecasts a future development of 0.2 nm.
Our laboratory focuses on scaling-friendly energy-efficient circuits design technology which can improve its performance as progress of technology scaling. From qualitative conceptual images to quantitative simulation and device prototyping, the student can experience entirely. Our target is encouraging the students to get both deep insight of integrated circuits design and wide knowledge of applications.

2. 高エネルギー効率・大規模集積回路を活かした応用技術の開発（Creation of innovative application employing energy-efficient integrated circuits）

大規模集積回路の高性能化により、これまでには想定しえなかった新たな応用が花開いています。エネルギー効率の向上により、Beyond5G/6Gを担う超低消費電力・超高速無線通信やバイオ・医療応用IoTデバイスなど我々の生活を豊かにする技術が大規模集積回路の特長を活かして実現・開発されています。歴史的に、職人芸とされるアナログ・高周波向け大規模集積回路開発や開発リスクの高いバイオ・医療応用大規模集積回路開発は、大企業のみでなく小規模なスタートアップ・大学研究室からも革新的な成果が生まれています。

本研究室では、最終製品ならびにその製品を活用したサービス、そしてそのサービスを通じて実現される社会を自身で想定し、それを実現するための高エネルギー効率・大規模集積回路を設計・開発することを目指します。社会受容シナリオを描くことから、必要な大規模集積回路仕様の策定・そしてプロトタイプ作成までを一貫して取り組みます。将来最終製品として社会実装することを目指して研究開発を行います。アナログ・高周波向け大規模集積回路設計技術を身に着け、それを特定用途へと応用させて、社会実装までをイメージ可能なプロトタイプまでを作成できる力を育むことを目指します。

Recently, energy-efficiency improvement of integrated circuits enables new innovative applications. For example, ultra-low power yet ultra-high speed wireless communication technology and biomedical IoTs are realized by energy-efficient integrated circuits. Historically, analog/RF CMOS circuits design and biomedical circuits have been proposed and developed by not only large companies but also small-scale startup companies and university laboratories.
Our laboratory focuses on the creation of innovative applications employing energy-efficient integrated circuits and its lifestyle. From making scenarios of commercialization to research and development of prototype based on the custom-made integrated circuits, the student can experience entirely. Our target is encouraging the students to get both deep analog/RF circuit design techniques and the ability of pioneering new innovation with integrated circuits.

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