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概要一覧
 
VOL.74 NO.6(2019年11月)
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特集1:CPSを支えるストレージ・半導体技術

巻頭言 CPSのキーコンポーネントとなるHDDと半導体の技術 (p.1) 本文PDF(243KB/PDFデータ)
伊藤 淳

 
トレンド CPSを支えるストレージ・半導体技術における東芝グループの最新動向 (p.2-7) 本文PDF(1.25MB/PDFデータ)
山本 耕太郎・吉森 崇

IoT(Internet of Things)やAIの普及に伴い,世界中で生成されるデータ量は加速度的に増え続けており,これらをいかに経済的・効率的に収集・保管して活用していくかが重要になっている。また,今後の成長が期待されるCPS(サイバーフィジカルシステム)に必要な技術や機能を実現するため,大容量のデータ記憶装置や半導体製品が果たす役割は大きい。
東芝グループは,膨大で貴重なデータを保持するHDD(ハードディスクドライブ)や,それらのデータを処理したり,処理結果を基に機器を制御したりする半導体製品などの開発を通じて,サイバー空間からフィジカル空間に至るCPSビジネスの発展に貢献する様々なソリューションを提供している。

 
TDMR技術を適用してCMR方式で業界最大の記憶容量16 Tバイトを実現したニアライン向け3.5型HDD (p.8-11) 本文PDF(565KB/PDFデータ)
阿部 将和・原 武生

クラウドサービスの普及などにより,データセンターなどで大容量HDD(ハードディスクドライブ)の需要が高まり,HDDの高記録密度化と大容量化が加速している。
東芝デバイス&ストレージ(株)は,2019年1月にCMR(Conventional Magnetic Recording)方式で業界最大容量(注1)の16 T(テラ:1012)バイトを実現したニアライン向け3.5型HDD MG08シリーズを製品化した。16 Tバイトという記憶容量をCMR方式で実現するため,当社初となるTDMR(Two Dimensional Magnetic Recording:2次元磁気記録)技術を採用した。更に,記録ヘッドの構造変更によるデータ記録能力の向上や,磁気ディスクの材料変更による再生信号品質の向上,磁気ヘッドと磁気ディスク表面間のスペーシング制御技術の改良,サーボ制御技術及びサスペンションの改良によるヘッド位置決め精度の向上などにより,大容量化を実現した。

(注1)2019年1月現在,高さ26.1 mmの3.5型HDDとして,当社調べ。

 
瓦記録技術を適用したデータセンター向け大容量HDD (p.12-16) 本文PDF(448KB/PDFデータ)
下村 和人

近年,膨大な電子情報を保管するデータセンター向け大容量HDD(ハードディスクドライブ)は,情報インフラの発展には欠かせない製品として,需要がますます高まっている。一般のCMR(Conventional Magnetic Recording)方式のHDDを大容量化するには,磁気ヘッドや,磁気ディスク,信号処理回路といった主要部品の性能向上が不可欠となる。一方,屋根瓦をふくようにデータを記録トラックに重ね書きすることで大容量化を図る瓦記録(SMR:Shingled Magnetic Recording)方式の技術開発も進められている。
東芝デバイス&ストレージ(株)は,SMR方式の適用で大容量化を実現するHDDを開発している。今回,既存の3.5型CMR HDDにデータセンター向けSMR仕様のファームウェア(FW)を搭載し,磁気ヘッドと磁気ディスクの最適化を行うことで,記憶容量を約25 %増大させた。

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HDDの高記録密度化を可能にするマイクロ波アシスト磁気記録技術 (p.17-20) 本文PDF(560KB/PDFデータ)
前田 知幸・山田 健一郎

大量のデジタルデータに,適切な待ち時間かつ低コストでアクセス可能なHDD(ハードディスクドライブ)は,高度な機械学習やAI技術の実現を支える情報ストレージとして,今後も更なる高記録密度化が求められている。しかし,ヘッドの小型化や記録媒体の微細化で高記録密度化を進めていく従来方式は,物理的な限界に近づきつつある。
東芝グループは,HDD高記録密度化のブレークスルー技術として,記録ヘッドにスピントルク発振素子(STO:Spin Torque Oscillator)を設けて記録媒体への記録能力を向上させる,マイクロ波アシスト磁気記録(MAMR:Microwave Assisted Magnetic Recording)方式の開発を進めている。今回,超小型のSTOと,大規模なMAMRシミュレーション技術を開発し,MAMR方式のHDD試作品により記録性能が従来方式に比べ向上することを確認した。

 
冷却ファンの高効率駆動を実現するブラシレスDCモーター制御技術 (p.21-24) 本文PDF(654KB/PDFデータ)
王 申

社会のデジタライゼーションに伴い,データセンターの需要が増大している。データセンターのサーバーの冷却には多くの冷却ファンが使用されており,データセンター自体の消費電力を削減するために,ファンモーターの駆動効率の向上が不可欠になっている。
東芝デバイス&ストレージ(株)は,これまでに3個のホールセンサーを用いた三相ブラシレスDC(直流)モーター(以下,三相BLDCモーターと略記)の高効率駆動を実現する,自動進角制御技術InPAC(Intelligent Phase Control)を開発済みである。今回,データセンターの冷却ファン向けに,このInPACを改良してホールセンサー位置の補正機能によって1個のホールセンサーで三相BLDCモーターに適用できるようにするとともに,負荷条件にかかわらず安定した回転速度を実現する回転速度制御機能を実装したモータードライバーIC TC78B025FTGを,2018年4月に商品化した。

 
CPSのセキュリティーを確保するセキュアMCUプラットフォーム技術 (p.25-29) 本文PDF(522KB/PDFデータ)
廣里 暢盛・橋本 幹生

CPS(サイバーフィジカルシステム)の構築に向けて急速に普及が進むIoT(Internet of Things)機器用のMCU(Micro Control Unit)には,ネットワーク接続に伴うセキュアな通信機能,及びIoT機器の完全性と可用性を両立させるファームウェア(FW)更新機能の実現が求められている。
東芝デバイス&ストレージ(株)は,Arm社製のArm® Cortex®-Mプロセッサーを搭載したMCU向けに,同社が提供しているArm® Mbed™ OS(基本ソフトウェア(SW))を適用し,安全なネットワーク接続の実現とともにIoT機器のシステム開発・運用に掛かる負担を軽減した。また,FWを記録するフラッシュメモリーを冗長構成にすることで,IoT機器がサイバー攻撃を受けた後でも,FWの安全な更新を可能にするセキュアFWローテーション技術を開発し,完全性と可用性を両立させた。このセキュアFWローテーション技術のハードウェア(HW)をFPGA(Field Programmable Gate Array)を用いて機能試作し,SWと合わせて動作検証を行って,その有効性を確認した。

・Arm,Cortex,Mbedは,米国及びその他の国におけるArm Limited(又はその子会社)の登録商標あるいは商標。

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特集2:エッジリッチに進化する計測・制御システム

巻頭言 スマートなものづくりを支える計測・制御システム (p.31) 本文PDF(203KB/PDFデータ)
岡庭 文彦

 
トレンド 計測・制御システムのIoT対応の動向と東芝の取り組み (p.32-38) 本文PDF(1.05MB/PDFデータ)
高柳 洋一・三村 昭弘・阿南 和弘

IoT(Internet of Things)化の進展に伴い,工場やインフラ設備のデータをインターネット経由で収集・蓄積・処理できる時代となり,現場に様々なIoT機器が導入され,製品開発やシステムインテグレーションに大きな変革をもたらしている。増え続けるデータをクラウドシステムで集中的に処理するには限界があることや,現場ではリアルタイムのデータ処理が求められることなどから,分散したエッジ部でデータ処理を行うエッジコンピューティングが注目されている。
東芝グループは,計測・制御システムを構成するDCS(Distributed Control System)のコンポーネントや,PLC(Programmable Logic Controller),産業用コンピューター,水処理用センサー,圧延ライン特殊計測器などを長年にわたり開発し,提供してきた。その中で,仮想化や,ソフトウェアPLC,リアルタイム通信,サイバーセキュリティーなど,様々な技術を適用することで,現場環境で高度なデータ分析に適した高性能・大容量化と,長期間の運用を可能にし,エッジリッチに進化する計測・制御システムに対応している。

 
エッジリッチなCPSに貢献する産業用コンピューターFA3100T model 800 (p.39-42) 本文PDF(538KB/PDFデータ)
新沼 佳樹・稲荷 将・中村 匡亨

CPS(サイバーフィジカルシステム)で,クラウドシステムの負荷を低減して最適化するためには,膨大なデータの伝送や分析処理を,現場(エッジ)側で分散処理できる処理性能の高いエッジコンピューティングの活用が有効である。
東芝インフラシステムズ(株)は,第6世代Intel® Xeon®プロセッサーやDDR4(Double Data Rate 4)メモリーなどを採用して演算性能を向上させた,システム拡張性の高い産業用コンピューターFA3100T model 800を開発した。長年培ってきた頑健性や,メンテナンスの容易性,RAS(Reliability,Availability,Serviceability)機能,長期製品供給,長期保守などの特長を継承しており,システムの高性能化とともに,メンテナンス中のダウンタイムの短縮や同一モデルでの長期運用を実現する。

・Intel,Xeonは,Intel Corporationの米国又はその他の国における商標。

 
CPSプラットフォームに対応する次世代制御システム (p.43-46) 本文PDF(479KB/PDFデータ)
立野 元気・弘田 達夫・岡部 基彦

今まではつながっていなかったものをつなぎ,そこで得られたデータから新たな付加価値を創出するIoT(Internet of Things)は,産業界でもインダストリアルIoTとして注目され,現在は,幾つもの業界で活用されている。更に,製造業の基幹である制御システムは,プラントや工場などの製造現場にあふれるデータを活用するCPS(サイバーフィジカルシステム)に対応するため,より高度化することが求められている。
東芝インフラシステムズ(株)は,既設システムを次世代の制御システムに移行するための後継機種として,“ユニファイドコントローラVmシリーズ”を開発した。コントローラー機能とコンピューター機能に加え,情報・制御ネットワーク機能を実装して多様なネットワークに対応するとともに,コントローラー機能をマルチPLC(Programmable Logic Controller)として,CPUコアを割り当てて使用できるなど,次世代制御システムのためのCPSプラットフォームとして活用できる。

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圧延ラインの安定稼働や生産効率の向上を実現する計測・検査技術 (p.47-49) 本文PDF(627KB/PDFデータ)
賀川 武・懸田 拓・米川 栄

鉄鋼などの圧延ラインでは,圧延材の形状制御や品質保証のために,寸法計測や欠陥検出が不可欠であるが,高温多湿や振動・衝撃などの厳しい環境下で,高速かつ正確な測定や,測定結果の演算処理側へのリアルタイム伝送が求められる。近年では,測定の信頼性に加え,装置やライン内の状態や周囲情報をリアルタイムで測定・収集・分析して,ライン稼働の効率化や操業監視に必要な情報を提供することも求められている。
東芝インフラシステムズ(株)は,過酷な環境下で,長期間にわたる安定稼働と高精度な計測が可能なX線厚み計を提供している。温度,湿度,加速度などの各種センサーの追加によって周囲のセンシングデータを収集できる機能を実現するとともに,ライン停止のゼロ化を実現するための異常予兆検出機能を備えた厚み計の開発も進めている。

 
デジタル化技術による工場・インフラ設備のO&Mの高度化 (p.50-53) 本文PDF(740KB/PDFデータ)
池田 和史・新谷 文隆・加茂 隆康

工場やインフラ施設では,設備の長期利用に伴う老朽化が進むとともに,それらの運用・メンテナンス(O&M:Operation and Maintenance)の現場において,作業者の高齢化や,後継者不足,熟練者スキルへの依存などといった問題が顕在化している。
そこで,東芝デジタルソリューションズ(株)は,IoT(Internet of Things)やAIなどのデジタル化技術を適用し,業務の効率化や設備の長期間運転,新たなサービスビジネスの創出といったO&Mの高度化に取り組んでいる。これを基に,設備状態の見える化・遠隔監視化ソリューションや,AIによる設備の異常検知・故障予知・寿命予測手法,情報端末や眼鏡型のウエアラブル端末の活用による作業者の業務・安全支援サービスなど,O&Mソリューション・サービスを提供している。

 
操業現場の業務効率化に貢献する電子操業日誌 (p.54-58) 本文PDF(421KB/PDFデータ)
藤田 真治

操業現場の業務効率化は,各企業にとって重要な課題である。近年,これまで人手で行っていた業務を,機械学習や,AI,RPA(Robotic Process Automation:ソフトウェアロボットによる業務の自動化)などを活用して,自動化及び効率化する取り組みに注目が集まっている。
東芝三菱電機産業システム(株)は,工場や操業現場において紙ベースで運用されていた運転日誌をデジタルデータ化する電子操業日誌PlantLogMeister(以下,PLMと略記)を製品化し,提供している。PLMは,蓄積したナレッジデータの活用や,業務フローの適正化,単純作業工数の削減を可能にし,操業現場の課題解決に貢献している。今回,スプレッドシート機能と工事管理機能を追加し,より広範な業務の効率向上を実現した。

 
高速応答と高い運用性・拡張性を備えたWebベースのプラント監視・操作用HMIシステム TMASCA (p.59-62) 本文PDF(660KB/PDFデータ)
清水 亮・許斐 真広

鉄鋼や紙パルプなどのリアルタイム制御が求められる産業プラントでは,ICT(情報通信技術)の適用が進むにつれ,生産性や製品品質の向上のため,制御監視システムの応答性や,運用性,拡張性などの更なる向上が求められている。このため,操作画面は,制御監視システムの要素の一つである汎用SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)のHMI(Human Machine Interface)システムに置き換えられてきたが,依然として性能面に課題があった。
そこで,東芝三菱電機産業システム(株)(以下,TMEICと略記)は,WebベースのHMIシステム TMASCA(ティーエムアスカ:TMEIC Advanced SCADA)を開発し,製品化した。Webベースの利点を生かし,オーバーヘッドの最小化によって汎用SCADAでは困難であった300 ms以下の高速応答性や,現場でタブレットによりHMI画面を確認できる運用性,HMI画面の拡大/縮小表示などの編集ができる拡張性を備えている。

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一般論文
福島第一原子力発電所2号機の燃料デブリの可能性がある堆積物への接触調査 (p.63-66) 本文PDF(1.23MB/PDFデータ)
杉浦 鉄宰・清水 智得・坂本 直弥

東京電力ホールディングス(株)福島第一原子力発電所2号機の原子炉格納容器(PCV)の底部全域は,2018年1月に行った先行調査で,堆積物が存在することがカメラ映像で確認された。事故で溶融した燃料が,燃料デブリとなって原子炉圧力容器(RPV)の下部から落下したと予測され,燃料デブリの取り出し手順や工法の検討に資する情報が求められている。
そこで,東芝エネルギーシステムズ(株)は,堆積物の一部に接触してその状態変化を確認するため,これらの接触調査ができる調査ユニットを開発した。調査ユニットは,カメラ,LED(発光ダイオード)照明,線量計,温度計,及び堆積物に接触するフィンガー開閉機構を持ち,2019年2月に事故後初めて実施した接触調査では,一部の堆積物を動かせることが確認できた。

 
マルチパラメーター・フェーズドアレイ気象レーダーの3次元観測データによる気象防災への取り組み (p.67-70) 本文PDF(879KB/PDFデータ)
吉見 和紘・水谷 文彦

近年,河川の増水や,都市域の浸水,土砂災害など,局地的大雨に起因する多種多様な災害の発生が増加している。しかし,局地的大雨の予兆を捉え,発生タイミングや発生位置を的確に予測することは難しく,現象の捕捉とその情報伝達スキームの確立が喫緊の課題となっている。
このような中で,東芝インフラシステムズ(株)は,高速かつ3次元で気象現象を観測できる,マルチパラメーター・フェーズドアレイ気象レーダー(MP-PAWR)の開発や,観測データを利用した局地的大雨予測などの研究開発を推進している。MP-PAWRを用いた水災害予測として,地上に降る前の豪雨の予兆を早期に検知・解析することによる都市河川の水位上昇の予測や,水災害を防ぐための豪雨検知システムによるアラーム配信などの実証実験を行った結果,MP-PAWRの観測データが水防活動の事前情報として有効であることを確認した。

 
野外の作業員の暑さストレスレベルの把握を可能にするBLE/920 MHz無線中継システム (p.71-74) 本文PDF(420KB/PDFデータ)
大喜多 秀紀・井手 賢一

山間部の建設現場など野外の作業では,夏場の暑さ対策が重要である。数km離れた場所で働く作業員の状態を把握するため,ウエアラブルデバイスを作業員に装着させ,測定した暑さストレスレベルを管理事務所の責任者までデータ中継する方法が考えられるが,現場が携帯電話の圏外であることも多く,別の通信手段が必要となる。
東芝デジタルソリューションズ(株)は,作業員からの暑さストレスレベルを管理事務所までデータ中継するため,Bluetooth® Low Energy(BLE)及び920 MHz帯通信を用いた無線中継システムを開発した。BLEで受信した信号を到達距離の長い920 MHz無線に変換し,複数の中継器を経由するマルチホップ通信を用いる。山間部など起伏や障害物の多い環境で実地検証した結果,安定した長距離通信が可能なことを確認した。

・Bluetoothは,Bluetooth SIG, Inc.の登録商標。

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R&D最前線
半導体製造プロセスで発生する爆発性シラン化合物の分子構造推定と危険性評価 (p.76-77) 本文PDF(252KB/PDFデータ)
内田 健哉

未知の爆発性シラン化合物の分子構造を分析と量子化学計算で推定し,熱分析と弾道臼砲試験で危険性を評価
半導体製造プロセスで使用されるクロロシラン化合物は,高温処理によって副生成物を生じます。この副生成物は,油状のシラン化合物であり,装置内壁や配管内に堆積するためメンテナンス時に取り除く必要があります。このシラン化合物は,爆発性があるため分析が困難であり,分子構造や性質に関する研究報告はほとんどありませんでした。東芝は,キオクシア(株)(旧東芝メモリ(株))及び国立大学法人 東北大学(以下,東北大学と略記)と連携して,このシラン化合物を不活性ガス雰囲気下で適切に取り扱って分析する手法を確立し,分子構造を推定しました。また,熱分析と弾道臼砲試験を実施し,加水分解前後のシラン化合物が混在する状態が最も危険であることを見いだしました。

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