1.6 統合メモリ：LPDDR＋FeRAMによるモバイルエッジAI

Hybrid Memory (LPDDR + FeRAM) for Mobile/Edge AI

📑 Table of Contents

1.6.1 概要 / Overview
1.6.2 目標と制約 / Goals & Constraints
1.6.3 アーキテクチャ / Architecture ＋プロセスノード対応
1.6.4 動作シナリオ / Operation Scenarios
1.6.5 実装方式 / Implementation Options
1.6.6 技術比較 / Technology Parameters
1.6.7 システム効果 / System-Level Impact
1.6.8 開発フロー / Development Flow
1.6.9 比較グラフ / Comparison Charts
1.6.10 FEM解析 / FEM Analysis
1.6.11 時系列シーケンス / Sequence of Operations
1.6.12 応用ユースケース / Mobile Edge AI Use Cases
1.6.13 広範な含意 / Broader Implications
1.6.14 将来展開 / Future Path
1.6.15 関連文書 / References

📌 1.6.1 概要 / Overview

現在、モバイルエッジAI向けの標準メインメモリは LPDDR である。
我々は FeRAM をチップレットとして実装し、不揮発機能を付与することで、低待機電力と
インスタントレジューム（電源断後も状態を保持し、即時復帰できる機能） を実現する。
In mobile edge AI, LPDDR is the dominant working memory. By adding FeRAM as a chiplet with non-volatility,
we enable low standby power and instant resume.

この方式は LPDDRの帯域効率を維持しつつ、チェックポイントやリフレッシュ抑制をFeRAMにオフロードできるため、
バランスの取れたハイブリッド構成を提供する。
This approach preserves LPDDR’s bandwidth efficiency while offloading checkpoints and refresh suppression to FeRAM,
offering a balanced hybrid memory architecture.

🎯 1.6.2 目標と制約 / Goals & Constraints

項目	内容 (日本語)	Description (English)
目標 / Goals	帯域効率維持・低待機電力・インスタントレジューム	Maintain bandwidth efficiency, minimize standby power, enable instant resume
制約 / Constraints	実装面積・BOMコスト・FeRAM耐久性	Die area, BOM cost, FeRAM endurance

🏗️ 1.6.3 アーキテクチャ / Architecture ＋プロセスノード対応

LPDDR = メインワーキングメモリ
LPDDR = main working memory
FeRAM = チェックポイント／OS状態／Cold領域の不揮発層
FeRAM = persistent tier for checkpoints, OS state, and cold data
統合 = チップレット／SiP統合＋SystemDK制御
Integration = chiplet/SiP packaging with SystemDK supervision

flowchart TD
  CPU["🖥️ CPU / Accelerator (5–3nm FinFET/GAAFET)"]
  LPDDR["📗 LPDDR: working memory (14–10nm DRAM nodes)"]
  NV["💾 FeRAM: persistent tier (22–28nm CMOS)"]

  CPU --> LPDDR
  LPDDR <---> NV
  note1{SystemDK<br/>checkpoint / refresh offload}
  NV -.-> note1
  LPDDR -.-> note1

🔬 プロセスノード対応 / Process Node Mapping

対象 / Target	ノード (日本語)	Process Node (English)	備考 / Notes
SoC ロジック	5〜3nm FinFET/GAAFET	5–3nm FinFET/GAAFET	モバイル/エッジSoC世代
LPDDR	1α〜1γ世代 (14〜10nm DRAM)	1α–1γ DRAM nodes (14–10nm)	LPDDR5/5X対応
FeRAM	22〜28nm CMOS	22–28nm CMOS nodes	MCU/IoTで量産済、チップレット実装が現実的
将来FeFET	<10nm CMOS互換	sub-10nm CMOS compatible	Monolithic統合シナリオ

🔄 1.6.4 動作シナリオ / Operation Scenarios

フェーズ	日本語説明	English Description
推論時 / Inference	LPDDR がアクティブに動作し、FeRAM がバックグラウンドでチェックポイント保存	LPDDR active, FeRAM stores checkpoints in background
スリープ時 / Sleep	LPDDR 内容を消去、FeRAM が不揮発的に状態を保持	LPDDR cleared, FeRAM retains OS/application state
復帰時 / Resume	FeRAM から状態をロード → 即時レジューム	Reload from FeRAM enables instant resume

🏗️ 1.6.5 実装方式 / Implementation Options

方式	日本語説明	English Description
Chiplet/SiP 統合	LPDDRとFeRAMを2.5D/3D技術で統合。SystemDKで制御	Chiplet/SiP integration with SystemDK supervision
Monolithic困難性	LPDDRは >700°C 高温アニール必須、FeRAMは 350–450°C で安定化。プロセス温度不一致	LPDDR requires >700°C anneal, FeRAM stabilizes at 350–450°C → process mismatch

📊 1.6.6 技術比較 / Technology Parameters

項目	LPDDR (typ.)	FeRAM (typ.)
アクセス遅延 / Access latency	15–60 ns	80–150 ns
保持特性 / Retention	揮発性 (32–64 ms)	不揮発 (10⁷–10⁸ s ≈ years)
書込みエネルギー / Write energy	中程度	低い
耐久性 / Endurance	>10¹⁶ アクセス	10¹⁰–10¹² 書込み
プロセス温度 / Process temp.	>700 °C	350–450 °C
役割 / Role	メインメモリ	チェックポイント／状態保持

⚡ 1.6.7 システム効果 / System-Level Impact

指標	LPDDRのみ	LPDDR+FeRAM
スタンバイ電力 / Standby power	100%	80–90% (10–20%削減)
レジューム遅延 / Resume latency	ms オーダー	100–500 µs
効率 / Effective energy efficiency	1.0×	1.15–1.25×

🛠️ 1.6.8 開発フロー / Development Flow

工程 / Step	内容 (日本語)	Description (English)
CPU仕様策定 / CPU Specification	アプリ要件に基づき演算性能・低消費電力・メモリ帯域を定義	Define compute, power, and memory requirements
モジュール選定 / Module Selection	LPDDR・FeRAM容量・インタフェースを決定	Select LPDDR, FeRAM, interfaces
FPGA設計検証 / FPGA Prototype	FPGA上でプロトタイプ構築・FeRAM連携検証	Prototype on FPGA, verify FeRAM integration
RTL設計 / RTL Design	メモリコントローラ・チェックポイント制御をRTL化	Implement memory controller & checkpoint logic
物理設計検証 / Physical Design	配線遅延・電力・面積を解析	Verify layout timing, power, area
GDS / GDSII	マスクデータ生成	Generate GDSII mask layout
IC製造 / Fabrication	CMOS＋NVMプロセスでチップ製造	Fabricate IC with CMOS + NVM
ウエハテスト / Wafer Test	BIST・プローブカードで特性確認	Wafer-level test with probe cards
BR/IPDK・PKGDK	プロセス・パッケージ設計キットで実装最適化	Optimize design using BR/IPDK, PKGDK
SystemDK	アーキテクチャ／パッケージ／OSの協調制御	System-level co-design with SystemDK

flowchart TD
  SPEC["📝 CPU仕様策定"]
  MOD["📦 モジュール選定<br/>(LPDDR, FeRAM)"]
  FPGA["🔧 FPGA設計検証"]
  RTL["💻 RTL設計"]
  PHY["📐 物理設計検証"]
  GDS["📂 GDSII"]
  FAB["🏭 IC製造"]
  WAF["🔬 ウエハテスト"]
  PKG["📦 BR/IPDK・PKGDK"]
  SYS["🧩 SystemDK"]

  SPEC --> MOD --> FPGA --> RTL --> PHY --> GDS --> FAB --> WAF --> PKG --> SYS

📈 1.6.9 比較グラフ / Comparison Charts

スタンバイ電力 / Standby Power
Normalized (LPDDR only = 100). Lower is better.

Standby Power

レジューム遅延 / Resume Latency
Milliseconds. Lower is better.

Resume Latency

備考 / Notes: グラフは本章の代表値（10–20%低減、100–500 µs クラスの復帰）を視覚化した概略値です。Illustrative values consistent with chapter figures.

🔍 1.6.10 FEM解析 / FEM Analysis

解析領域 / Domain	内容 (日本語)	Description (English)
熱解析 / Thermal	LPDDRとFeRAMの発熱分布をシミュレーションし、冷却設計を最適化	Simulate heat distribution and optimize cooling
応力解析 / Mechanical Stress	TSV・バンプ・接着層での応力集中を評価し、パッケージ信頼性を確認	Evaluate stress at TSVs, bumps, adhesives for reliability
電磁界解析 / EM Field	LPDDR高速I/OとFeRAM制御配線のクロストーク、SI/PIを検証	Verify crosstalk, SI/PI, EMI between LPDDR and FeRAM interconnects

flowchart LR
  THERM["🌡️ Thermal Analysis"] --> RESULT1["最適冷却設計<br/>Optimized cooling"]
  STRESS["🔧 Stress Analysis"] --> RESULT2["高信頼パッケージ<br/>Reliable packaging"]
  EM["📡 EM Field Analysis"] --> RESULT3["SI/PI・EMI対策<br/>Signal & Power Integrity"]

  RESULT1 --> SYS
  RESULT2 --> SYS
  RESULT3 --> SYS

1.6.10 🔍 FEM解析 / FEM Analysis

本節では 熱解析 / Thermal, 応力解析 / Mechanical Stress, 電磁界解析 / EM Field の3観点で
LPDDR + FeRAM チップレット統合時の設計検証フローを示す。/
This section describes FEM workflows for Thermal, Mechanical Stress, and EM Field in LPDDR + FeRAM chiplet integration.

1.6.10.0 共通前提 / Common Assumptions

プロセス・パッケージ：LPDDR（PoP相当）＋ FeRAM チップレット（インターポーザ or UBM経由）
代表ケース：ピーク帯域動作、チェックポイント・オフロード時のBurst、低電力Standby
モデル粒度：ダイ（熱は粗メッシュ→詳細局所化）、TSV/バンプ近傍は細分化
代表方程式 / Governing Eqs

Heat:

\[\frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \nabla^2 T + \frac{q}{\rho c}\]

Stress:

\[\nabla \cdot \boldsymbol{\sigma} + \mathbf{f} = 0, \quad \boldsymbol{\sigma} = \mathbf{C} : \boldsymbol{\varepsilon}\]

EM:

\[\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}, \quad \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}\]

1.6.10.1 熱解析 / Thermal Analysis

目的 / Objective

LPDDR・FeRAMの同時発熱時における温度分布、ホットスポット、冷却設計の最適化

結果例 / Example

Thermal

温度分布の一例（ダミー図）。ホットスポットとスプレッダ効果の比較に使用。

1.6.10.2 応力解析 / Mechanical Stress

目的 / Objective

TSV/バンプ/接着層界面の応力集中、サーマルサイクル信頼性、はんだクラック起点の特定

結果例 / Example

Stress

TSV周りの応力コンター（ダミー図）。半径方向の集中と界面付近のピークを可視化。

1.6.10.3 電磁界解析 / EM Field (SI/PI/EMI)

目的 / Objective

LPDDR高速I/O と FeRAM制御パルスの相互干渉（クロストーク）および電源インテグリティを確認

結果例 / Example

EM Crosstalk

隣接配線のクロストーク波形（ダミー図）。アグレッサとビクティムの振る舞い比較。

1.6.10.4 ワークフロー / Workflow

flowchart LR
  PWR[消費電力プロファイル] --> TH(Thermal Solve)
  PKG[幾何・材料] --> TH
  TH --> ST(Stress Solve)
  TH --> EM(EM/SI-PI Solve)
  ST --> SYS[Reliability Margin]
  EM --> SYS
  TH --> SYS

1.6.10.5 解析セットアップ表 / Setup Tables

(A) 条件・目的・評価指標 / Objective–Inputs–Metrics

Domain	Objective (JP/EN)	Key Inputs	Metrics	Pass-Fail
Thermal	発熱分布の把握と冷却最適化 / Hotspot & Cooling	Power map, k/ρ/c, BCs	Tmax, ∇T, Rθ	Tmax < Tspec
Stress	界面応力と信頼性 / Interface Reliability	CTE, E, ν, geometry	σvM, τiface, plastic strain	Safety margin > target
EM	SI/PI/EMI健全性 / Signal Integrity	Stack-up, IBIS/Spice	Overshoot, Eye, Z(ω), S-params	Margin/EMI within spec

(B) 入力チェックリスト / Input Checklist

単位系一貫性（SI）を確認すること
メッシュ収束確認（refinement study）を行うこと
境界条件の物理妥当性をレビューすること
熱 → 応力 → EM の 連成一方向 を考慮（温度依存物性の反映）
Worst / Typical / Best の 3 コーナーで評価すること

メモ / Notes

表や図は教材用デモ。実務ではツール出力（カラー/スケール/凡例）を整形して用いること
解析条件（電力、幾何、材料データ）は data/ch1/fem_inputs/ ディレクトリで管理し、再現性を確保すること

🧭 1.6.11 時系列シーケンス / Sequence of Operations

Power state transitions with checkpoint offload and instant resume.

sequenceDiagram
    autonumber
    participant App as 🧠 App/AI Runtime
    participant OS as 🧩 OS / SystemDK
    participant DRAM as 📗 LPDDR (volatile)
    participant NVM as 💾 FeRAM (non-volatile)

    Note over App,OS: 推論中 / Inference
    App->>DRAM: Read/Write activations & weights
    OS-->>NVM: Background checkpoint (periodic)

    Note over OS,NVM: スリープ移行 / Enter Sleep
    OS->>NVM: Final checkpoint (OS state, app state)
    OS->>DRAM: Quiesce & flush working set
    OS->>DRAM: Power-down / self-refresh minimization
    DRAM-->>OS: Acknowledge

    Note over OS,NVM: 復帰 / Resume
    OS->>NVM: Restore OS/app state
    OS->>DRAM: Rapid re-init
    App->>DRAM: Resume execution (instant)

📱 1.6.12 応用ユースケース / Mobile Edge AI Use Cases

🔋 On-device inference: アイドル時のスタンバイ電力削減
Reduce standby energy during idle periods
🔄 Federated / continual learning: 頻繁なモデル更新のチェックポイントをFeRAMに退避
Enable frequent model update checkpoints without DRAM refresh overhead
🎮 Interactive AR/VR & Sensor Fusion: サブms復帰でUX改善
Support instant resume for AR/VR and sensor fusion

🌐 1.6.13 広範な含意 / Broader Implications

✅ DRAMを主メモリとして維持しつつ、FeRAMを補助層として導入
📏 小容量FeRAM（数MB〜数十MB）で十分効果を発揮
🛠️ SystemDKによる協調最適化: アーキテクチャ・パッケージ・OSを統合制御

🚀 1.6.14 将来展開 / Future Path

将来の高帯域用途では HBM＋FeFET への置換が可能である。
ただし、現行のモバイルSoC設計においては LPDDR＋FeRAM がより現実的かつ低コストであり、
実装性と効率のバランスが取れている。
For future high-bandwidth use cases, HBM + FeFET can replace this scheme.
However, in today’s mobile SoC designs, LPDDR + FeRAM offers a more practical and cost-efficient balance.

📄 1.6.15 関連文書 / References

項目 / Item	説明 / Description	Links
📄 LPDDR+FeRAM Chiplet Integration	LPDDRとFeRAMを統合したモバイル/エッジAI向けチップレット構想。 LPDDR + FeRAM integration concept for Mobile/Edge AI
📄 HBM+FeRAM Chiplet Integration	HBMとFeRAMを組み合わせたチップレット統合方式の検討。 HBM + FeRAM chiplet integration approach for Mobile/Edge AI
📘 VSRAMアーカイブ (2001)	2001年に量産されたエプソン製モバイル用VSRAMとシャープ製Flashの組合せにより、世界初のカメラ付き携帯電話を実現。 Epson’s pseudo-SRAM enabled the first camera-equipped mobile phone in 2001.
🔧 第2a章：SystemDK	熱・応力・ノイズ制約を体系的に整理した設計キット章。 System Design Kit for thermal/stress/EMI constraints

1.6 統合メモリ：LPDDR＋FeRAMによるモバイルエッジAI

📑 Table of Contents

📌 1.6.1 概要 / Overview

🎯 1.6.2 目標と制約 / Goals & Constraints

🏗️ 1.6.3 アーキテクチャ / Architecture ＋ プロセスノード対応

🔬 プロセスノード対応 / Process Node Mapping

🔄 1.6.4 動作シナリオ / Operation Scenarios

🏗️ 1.6.5 実装方式 / Implementation Options

📊 1.6.6 技術比較 / Technology Parameters

⚡ 1.6.7 システム効果 / System-Level Impact

🛠️ 1.6.8 開発フロー / Development Flow

📈 1.6.9 比較グラフ / Comparison Charts

🔍 1.6.10 FEM解析 / FEM Analysis

1.6.10 🔍 FEM解析 / FEM Analysis

1.6.10.0 共通前提 / Common Assumptions

1.6.10.1 熱解析 / Thermal Analysis

1.6.10.2 応力解析 / Mechanical Stress

1.6.10.3 電磁界解析 / EM Field (SI/PI/EMI)

1.6.10.4 ワークフロー / Workflow

1.6.10.5 解析セットアップ表 / Setup Tables

🧭 1.6.11 時系列シーケンス / Sequence of Operations

📱 1.6.12 応用ユースケース / Mobile Edge AI Use Cases

🌐 1.6.13 広範な含意 / Broader Implications

🚀 1.6.14 将来展開 / Future Path

📄 1.6.15 関連文書 / References

🏗️ 1.6.3 アーキテクチャ / Architecture ＋プロセスノード対応