センサ端末構築を牽引するマイコン・LSI技術とその動向

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
センサ端末構築を牽引する
マイコン・LSI技術とその動向
秋田純一
（金沢大学理工学域電子情報学類）

2015/3/18 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
自己紹介
 浅田研@東大(VDEC)でPh.D(‘98)（イメージセンサ）
 金沢大(’98～’00・’04～)
 公立はこだて未来大(’00～’04)
 ’95〜’00:はこだて未来大計画策定委員
 本業：（機能つき）イメージセンサ
 そこから派生して、
「集積回路の使い方・使われ方」

ムーアの法則
 加工寸法が3年で1/2になる（べき）
 「わかりやすい＆嬉しい」指針
 メーカ側：微細化による性能↑＆コスト↓
 ユーザ側：機能↑＆コスト↓
 他の産業にない半導体・電子産業の特異性
http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm （日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事）
3

ムーアの法則のもう一つの側面
コストダウン
同一機能を小チップ＝低価格で
古い世代の製造装置でも作れるLSIも、
「そこそこ」高性能
＝パラダイムが
変わる可能性
4
（C.クリステンセン「イノベーションのジレンマ—技術革新が
巨大企業を滅ぼすとき」(翔泳社(2001)）
マイコン
SoC

「LED点滅（Lチカ）」のパラダイムシフト
コスト面：マイコン○（「もったいなくない」）
機能面：マイコン○（多機能・仕様変更も容易）
「枯れた技術」でも、世の中は変わりうる
※ただし、「それを使うこと」ができれば
マイコン使用
部品点数＝１
コスト：100円
発振回路(555)
部品点数＝4
コスト：150円
while(1){
a = 1;
sleep(1);
a = 0;
sleep(1);
}
※さすがにPCではちょっと・・・

「それを使える」とどうなうか？：最近の秋葉原
※客層が変わってきている（こっちの）
（昔）ロボコン高専生・電子工作マニア（おじさん）
（今）↑＋テクノ手芸女子、親子連れ、美大生
6
西餅「ハルロック」
（週刊モーニングで連載中）

Make: 理工離れ？どこの世界の話？
“Maker”の活動の広がり
実はみんな「作るのが大好き」
FabLab（レーザーカッター、３Ｄプリンタ等の
加工機をコアにしたコミュニティ）
いままでは「技術が手元になかった」だけ
道具・技術が「こなれて」きて、使えるようになった
「半導体ユーザが多様化した」と見ることもできる
MakerFaireTokyo2013
の様子

“Maker”から産業へ
ロングテール：嗜好の多様化＋それに応える産業
「本当に欲しいもの」が手に入る
実際に製造業でも
小規模製造業、高い技術力
熱心なユーザ・ファン、ユニークな製品
市場調査＋資金調達=CrowdFunding
サプライチェーン・製造技術の活用
製造業におけるロングテールの具現化
「ハードウエア・スタートアップ」が続々
（C.アンダーソン「ロングテール」,早川書房 (2009)）
全体の４０％
「一人家電メーカ」BsizeのStroke(39,900円)

Makerの背景：フィジカルコンピューティング
PC外の物理現象を扱うコンピューティング
使いやすくまとめたマイコンボード＋開発環境
＋充実したユーザコミュニティ（プロ～初心者）
ノウハウ・ライブラリ・派生品が生まれて進化
「たいしたことないもの」に見える
（ただのマイコンボード？）
マイコンボードが「道具」に＝ユーザの多様性↑↑
ArduinoUno 9

ロングテールと集積回路・マイコン
「少量多品種」を支える集積回路は？
高イニシャルコスト：×
汎用部品(マイコン・FPGAなど)
高い汎用性・低イニシャルコスト
一般に低性能
しかしムーアの法則の恩恵
で、かなり高性能
用途によっては十分
性能
年度
（微細化
の進展）
専用LSI
汎用LSI
必要な性能
SoC（システムLSI）

「汎用部品」になる集積回路
マイコンコア＋周辺回路＝ワンチップでシステム
周辺回路をflexibleに
（用途に合わせてソフトウエアで設定変更）
CPLD/FPGA的なreconfigureなど
周辺回路のアナログ機能↑（アナログFrontEnd)
Cypress社PSoCシリーズ Renesas社SmartAnalogシリーズ

ユーザ層の多様化がもたらすもの
（従来）設計・製造技術＝プロの特権
（いま）設計・製造技術＝誰でも使える
ユーザの裾野が広がる（多様化）
その中から「アタリ（イノベーション）」が生まれる
相対的に「プロ」の重要性↑↑（「遊び」だけでない）
(L.Fleming, Harvard Business Review,
8(9), pp.22-24 (2004))
メンバの「均一性」
生まれる成果

「技術の普及」の結果：深圳の華強北
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山寨(ShanZhai)の例
※FakeCopyではなく、プロダクトの
進化系。これが1週間で量産される
無限に続くパーツ屋
築地のような活気
“Used Mobile Phone Shop”の実体
パーツに分解
(BGAも)
路上で解体
店頭でリペア
(BGAも手はんだ：ボール再生機あり)
※基本的には「コンポーネント」の「アセンブリ」のみ
ShenZhen HuaQiangBei

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
「ユーザ参加型」センシング：
センサネットワーク構築の１つの形

「センシング」のニーズ：ユーザとして
「身の回りの現象を自分で観測したい」のは、
人間の根源的な欲求（のようだ）
農業、自然災害などは死活問題で高いニーズ
3.11後の福島の放射能計測は、まさに死活問題
ホビーユースでも幅広いニーズ
（例：インターバルカメラで撮った画像、昆虫観察）
どうやって「観測」するか？
公共事業（行政サービス）：天気予報など
自分で観測する（ロングテール）
多様な観測対象・多様な計測方法
気象庁AMeDAS

「センシング」のニーズ：メーカとして
例：センシングシステムの受託開発
高い開発コスト←公共事業・補助金
公共性の高いシステム・インフラでは
現実的（スマートグリッドなど）
例：おばあちゃんの畑の観測？
とても開発コストにみあわない・・・
仮に受けるとしても、案件が多様すぎる・・・
（株）協和エクシオの例
（http://blog.livedoor.jp/mikan1515/archives/51285541.html より）

計測技術がユーザの手から離れると？
計測したい人（ユーザ）←→開発者（メーカ）
明確に分離・不可侵（コスト、知財、・・・）
事例：3.11後の福島の放射能計測
生活に直結し、目に見えない事象
きわめて強固な観測のモチベーション
その一方、非科学的（感情的）な
議論が横行
「事故の当事者（東電・政府）の観測データ」
に対する不信感が大きな背景の一つ
「科学的な方法で観測したデータを、
定量的・科学的に解釈する」ことが重要

発想の転換：ユーザ参加型センシング
ユーザの「多種多様で高いモチベーションの
センシング」を持続的に具現化するためには？
ユーザ自身が「センシング技術」を持つことは？
そのために必要なもの・ことは？
そのとき、メーカの立場は？

実例：Radiation Watch
非専門家がスマホ接続型
放射線観測機を製品化、
事業化、進化改良中
回路設計者・メーカも参画
（仙台近辺の方々）
福島第1原発事故という特殊な
状況下とはいえ、極めて迅速な
製品化（フィジカルコンピュー
ティングやMake:の活用）
ビッグデータ的な展開も可能 http://www.radiation-watch.org/

ユーザ参加型センシングに必要なもの
「こなれた」センシング技術
マイコンボード、無線通信、電源供給
回路設計、筐体設計、小ロット生産
ビッグデータの取り扱い
ユーザコミュニティ（Make:）、社会的受容
（将来像？）おばあちゃんセンシング
（参考）近年注目されている動きとも符合
例：ニコニコ学会β（ユーザ参加型研究・学会）
例：ユーザーイノベーション（ユーザー参加型開発）

ユーザ参加型センシング：メーカは？
「技術が普及」して万人に渡っても、
プロは存在する
MS Word←→作家、Web2.0←→ジャーナリスト、
YouTube←→映画監督、プリンタ←→印刷屋
センシング技術では？
プロの役割は残る（というより重要度が増す）
根幹回路技術：電力(EH/LowPower)と
通信（IoT/Last1m)
コンサルティング・事業化へ
設計ツールの提供、コミュニティへの気よ
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最後の砦：集積回路を「道具」に
高性能な「汎用品」：道具になった
（マイコン、FPGA、オペアンプ、・・・）
「専用品」（カスタムLSI）は？：現状、無理
例：学部１年生にLSIを作らせる？
「高いんだぞ・・・」「失敗したらシャレにならんぞ」
「ツールの使い方が難しいぞ」
「基礎知識（回路理論など）をいっぱい勉強しろ」
「ちゃんと動かすのは難しいぞ」
作れない→経験できない→学べない
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「道具としての集積回路」を持つこと
「LSIをつくれる」という道具
＝「いまできること」という発想から脱却
「カメラをつくれる」→画素をいじってみる
「容量センサをつくれる」→回路とつなげる
一般的な技術者の見方・・・「あるもの」を使う
カメラ、Kinect、マイコン、FPGA・・・
新技術で、一気にパラダイムが変わることがある
Depth画像
Kinect

集積回路が「道具になる」ためのハードル
設計CAD
専用CAD: 高すぎ（1000万円）、高機能すぎ
製造方法
高すぎ、時間かかりすぎ（1000万円・半年）
NDA（設計情報へのアクセス制限）が厳しすぎ
ユーザ・コミュニティ
参入障壁：現状は専門家ばかり

失敗から学ぶ：「手軽に試せる」環境
25
http://www.viscuit.com/column01/column02/
原田康徳氏（NTT CS研）

「カスタム集積回路」ならではのことは？
実世界との界面
センサ、アクチュエータ（MEMS）
アナログ回路
超LowPower
カスタムマイコン
過不足ない機能のワンチップ化
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実例：LチカLSI
タッチセンサ
光センサ
※北九州学術研究都市共同研究開発センターの半導体試作施設において、
(一財)ファジィシステム研究所の協力の下、他大学学生のLSI製造演習として
試作されました
CMOS 2um 2Al
3.2mm x 3.2mm
https://www.youtube.com/watch?v=NN1wNf66vXw
http://www.nicovideo.jp/watch/sm24280073
CAD:Inkscape（フリーウエア）
製造：北九州時間貸しクリーンルーム

小ロット集積回路の製造技術：ミニマルファブ
 0.5インチウエハ・局所クリーン化・DLP露光
 工程ごとの小型装置群
 小ロットのLSI製造
 加工寸法：1um程度
 単TAT（１〜２日）
 pMOS, nMOS：OK
→CMOS回路へ／MEMS
 「ミニマルCAD」も進行中
 一部装置は既に販売開始
 CMOS製造装置群はあと5〜10年程度？
 作る→試す→学ぶ、の教育サイクル◎
http://unit.aist.go.jp/neri/mini-sys/fabsystem/minimalfab.html

まとめ
集積回路が「普及」することの意義
ムーアの法則→低コスト化→使われ方の進化
「技術がある」ことと、
「技術が使える（使われる）」ことは、別次元
現に産業構造を変えつつある（Make:）
そのために必要なもの・ことと、現状
センシング技術が「普及」することの意義
ユーザ：自分自身でセンシングできる
メーカ：ユーザ層の拡大→事業拡大へ

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