車載向けSoCに欠かせない「低電圧駆動」

先日、弊社より車載向け低電圧駆動水晶発振器の開発を発表しました。（詳細はニュースリリース「車載品質規格 AEC-Q100/Q200準拠 低電圧+0.9V駆動 2.0×1.6mmサイズ 水晶発振器 「NZ2016SFA」「NZ2016SF」開発のお知らせ」を参照ください。） その特長の一つとして「低電圧駆動」が挙げられますが、今回のコラムでは、車載向けのSystem on a Chip（SoC）において、なぜ低消費電力や低電圧駆動が求められるのか？その背景について解説します。

1. SoC開発プロセスにおける低電圧駆動の必要性

近年の半導体は、7nm、5nm、3nmといった微細プロセス技術の進化により、トランジスタの微細化が進んでいます。

• 微細化による低耐電圧の問題: 微細化が進むと、トランジスタはより低い動作電圧での駆動が必要になります。従来の1.8～3.3Vでは対応できず、0.9～1.5Vでの駆動が必須となります。
• リーク電流の抑制: 低電圧で動作させることで、微細化に伴うリーク電流の増加を抑え、無駄な電力消費を防ぐ効果が期待できます。
• 新技術の導入: FinFETやGAAFETなどの新たなトランジスタ技術の採用により、より低い電圧で高性能な動作が実現可能となり、SoCの高集積化と省電力化を同時に達成しています。

2. 車両全体の要請としての低消費電力

• 燃費・電費の向上と環境規制への対応: 電動車（EV、ハイブリッド車、PHEVなど）の普及により、車両全体のエネルギー効率が非常に重要となっています。SoCが消費する電力が大きいと、バッテリーの消耗が増え、航続距離の短縮や燃費の悪化、さらに各国の環境規制（CO₂排出規制、燃費基準など）への対応が難しくなります。
• 車載電源の制約: 車載システムは通常、12V（ガソリン車）や48V（マイルドハイブリッド車）のバッテリー電源を使用し、これをSoCの極低電圧（0.9～1.5V）に変換する必要があります。高い動作電圧は、電源回路の負担を増大させ、発熱や変換効率の低下を招くため、低電圧での駆動が望ましいです。
• 熱設計とシステムの信頼性: 車載SoCは高温環境（80℃以上）でも安定動作しなければなりません。低消費電力化は発熱の抑制に直結し、冷却対策（エアコンや冷却ファンによる補助冷却）の負荷を軽減し、全体の信頼性向上に寄与します。
• 自動運転・ADASの高負荷処理: 自動運転システムや先進運転支援システム（ADAS）では、カメラ、LiDAR、AI演算など多くの高負荷処理が要求されます。これに伴い、従来よりも大きな電力が必要となるため、効率的な低消費電力設計は必須です。AI専用の低電圧駆動プロセッサ（NPU、DSP、FPGAなど）の採用により、処理性能を維持しながら省電力化を実現しています。

まとめ

車載向けSoCにおける低消費電力・低電圧駆動は、以下の二面性を持っています。

1. SoC開発プロセス上の課題:
   • 微細化による低耐電圧化に対応するため、従来の1.8～3.3Vから大幅な低電圧（0.9～1.5V）への移行が必要。
   • リーク電流の増加を防ぎ、長寿命・安定動作を実現。
2. 車両全体の要求:
   • 電動車普及や環境規制への対応のため、車両全体での消費電力削減が求められる。
   • 車載電源の制約、熱設計、そして自動運転・ADASなどの高負荷処理に対し、効率的な省電力設計が必須。

このように、車載SoCの低消費電力・低電圧駆動は、半導体技術の進化と車両システム全体の高機能化・高精度化の要求の双方に応えるための、不可欠な技術革新となっています。