情報工学の道具としてのハードウエアと半導体

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
情報工学の道具としての
ハードウエアと半導体
秋田純一（金沢大）

2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Contents
自己紹介
情報工学とコンピュータと半導体の歴史
「道具の民主化」がもたらすこと
情報工学と半導体の新しい関係

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
 ＋LSIを使うデバイス・システム（←電子工少年）
LSI（イメージセンサ）のレイアウト図
（プロッタ出力して目視チェック）
チップと基板をつなぐ
ワイヤーボンディング基板設計
はんだ部屋

情報工学とコンピュータと
半導体の歴史

コンピュータの歴史
(1946)
真空管: 18,000本
消費電力: 140kW
サイズ: 30m×3m×1m
演算性能: 5,000加算/s
（ENIAC：世界最初のコンピュータ）
(2007)
最小加工寸法: 0.065μm(65nm)
素子数: ～50,000,000
消費電力: 100W～数mW
サイズ: 10mm×10mm程度
演算性能: 10,000,000,000演算/s
(1960)集積回路（ＩＣ）の発明

集積回路（ＩＣ）の発明
US Patent No. 2 981 877 (R. Noyce)
(1961)
US Patent No. 2 138 743 (J. Kilby)
(1959)

ＩＣの進化の歴史：Mooreの法則
ref: http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm
傾き：×約1.5/年

Mooreの法則のカラクリ：スケーリング
MOSトランジスタを、より小さく作ると・・・？
寸法: 1/α
不純物濃度: α
電源電圧: 1/α
結論：いいことばかり
速度↑
消費電力↓
集積度（機能）↑
技術が進むべき方向性が極めて明確なまれなケース
p-Si
S DG
n-Sin-Si
p-Si
S DG
n-Sin-Si
L

MOSトランジスタの微細化の歴史
微細化するほど
メリットがある
＝がんばって微細化
そろそろ「原子」が
見えてきている
ref: 日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事
L=20nm（いま）
L=5nm（2020年ごろ？）

コンピュータの高速化の歴史
DEC VAX(1976)
1MIPS
Cray-1 (1978)
100MIPS
1000MIPS
300MIPS
10MIPS
100MIPS
20MIPS
MIPS：Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数）
（世界最初のスーパーコンピュータ）
「世界トップの高速化」＋「身近なものにも高速化の恩恵」の２つの側面がある

情報工学の広がり
（昔）コンピュータが高価で性能が低かった
紙テープ、テキスト／CUI (Character UI)
ＴＳＳ（大学に1台、企業に1台）
（少し昔）
凝った信号処理もＯＫ／GUI (Graphical UI)
個人に1台（ＰＣ）
（いま）
画像、動画、３Ｄの処理はあたりまえ
Natural UI （ジェスチャなど）／Physical Computing
一人で何台も（ユビキタス化）
コンピュータが「お手軽」に
→利用場面の拡大

マテリアル化するマイコン
NXP LPC1102
(Coretex-M0/50MHz)
Atmel ATtiny10(8MHz)
（通称：ふりかけマイコン）
マイコンの「粒」は小さくなってきた＆コストも安い→「原子」へ

「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・・・

ムーアの法則のもたらしたもの（その２）
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
14
（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

「道具の民主化」がもたらすこと

「道具の普及」がもたらしたもの
（昔）「表現」はプロの特権だった
音楽、映画、・・・
私たち＝Consumer
（今）「表現」は誰でもできる
「道具」の普及
（ＤＴＭ、初音ミク、などなど）
「発表機会」の普及
（ニコ動、などなど）
私たち＝Creator/Makerになることができる
（ならなくてもいい）
宮下芳明「コンテンツは民主化をめざす
―表現のためのメディア技術」
(明治大学出版会, 2015)

SFの世界でも？
日本の次期月探査計画に関わっていた大学院生・
蓮見省一の夢は、彗星が月面に衝突した瞬間に潰
え、恋人の奈美までが彼のもとを去った。
省一はただ、奈美への愛をボーカロイドの小隅レイ
に歌わせ、ピアピア動画にアップロードするしかな
かった。
しかし、月からの放出物が地球に双極ジェットを形
成することが判明、ピアピア技術部による“宇宙男
プロジェクト”が開始される・・・・・・
ネットと宇宙開発の未来を描く４篇収録の連作集
・・・・？？？
野尻「南極点のピアピア動画」
(早川書房 , 2012)
（少しネタバレと示唆するもの）
• すごい能力を持った個人が、たくさんいる（が普段は目立たない）
• それらの人が力をあわせると、すごいこと（場合によってはイノベーション）ができる
例：野尻抱介「南極点のピアピア動画」

ユーザーイノベーション
発明・イノベーションは、
ユーザーが行う場合も多い
道具が民主化されている
（＝やろうと思えばできる）
ユーザーは「アツい心」をもつ
（＝採算・労力を度外視で
がんばれる）
小川進「ユーザーイノベーション:
消費者から始まるものづくりの未来」
(東洋経済新報社, 2013)

情報工学ではどうか？
プログラミング言語・環境の民主化
（昔）PCもコンパイラも高価
＝「遊びに使う」なんて論外
（今）PCも安価、コンパイラはタダ
＝「遊びに使う」からはじめられる
ユーザ・コミュニティによる「知の蓄積」も後押し

技術の「民主化」という見方
（従来）技術＝プロの特権
（いま）技術＝誰でも使える（民主化）
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

こんなことやってます：NT金沢
「つくってみた」の「ドヤ顔大会」
遊び・アツい思い（多様性）→アタリは出るか？

ハードウエアはどうか？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（おっさん）
（今）↑＋テクノ手芸女子、親子連れ、美大生
22
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「民主化」されて、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)

なぜMakerが生まれたのか？
製造技術が真の意味で普及したから
技術がこなれてきた
ノウハウがたまった
ユーザの「幅」が広がった
Arduino←→無数のマイコンボードの違いは？
使いやすさ＋ユーザコミュニティ（主にオンライン）
ArduinoUno
25

「技術の普及」の結果：深圳の華強北
26
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)
ShenZhen HuaQiangBei

情報工学と半導体の新しい関係

（おさらい）情報工学と半導体
半導体とコンピュータ・情報工学
ムーア法則→コンピュータの性能向上
コンピュータの性能向上→情報工学の幅の広がり
CUI→GUI→NUI→・・・
単体→インターネット→クラウド→・・・
「技術の民主化」という見方
プロの特権→誰でも使える（コスト面・使い勝手面）
多様な人が使う → アウトプットの多様性↑
その中からイノベーションが出る（かもしれない）

半導体（IC）は「道具」になっているか？
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
29

失敗から学ぶ：「手軽に試せる」環境
30
http://www.viscuit.com/column01/column02/
原田康徳氏（NTT CS研）

MakerがLSIを「つくる」ためのハードル
設計CAD
市販の業務用CAD: 高すぎ、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（設計ルールなどのアクセス制限）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
※人気がないのは、半導体業界の苦境、は
原因ではないと思う

ICが道具になったら何をしたい？
https://www.youtube.com/watch?v=A188CYfuKQ0
http://www.nicovideo.jp/watch/sm23660093

LチカLSI動画：ニコ動でのコメント
 こっから？
 ニコ技界のTOKIO
 ゲートの無駄遣い
 ここから！！？
 ひでえ、勿体ない使い方wwwww
 マジかよ。レジストレベルの設計とか
ガチすぎる。
 無駄遣い過ぎるだろw
 贅沢というかなんというか
 え？まじでここからかよ」wwww」」
 IC版FusionPCB的なところが現れれば・・・
 (FPGAでは)いかんのか？
 俺はFPGAで我慢することにする
 いや、そこまでは必要ないです
 量産品すらFPGA使う時代に専用LSI・・・
 アマチュアはFPGAで良いんだよなぁ・・・w

「カスタムIC」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
34

LチカLSI ver2
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：フリーウエア(Inkscape)
製造：北九州の時間貸しクリーンルーム

IC製造方法の革命：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

ICを道具にするために: MakeLSI:
情報収集・整理
フリーCADなど
VDEC非依存の環境で
仲間さがし
けっこういる
素人で作ってみる？
2015/8に北九州Fabで製造開始
http://ifdl.jp/make_lsi

「道具」としてのICを持つこと
ふつうの情報工学の研究・・・「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
「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
Depth画像

具体例１：擬似的不規則画素配置
格子状の画素配置
擬似的に不規則な画素配置
「画素」から、いじる
少画素でもジャギー解消
視覚の特性（副尺視力）
方向依存性がないジャギー
擬似的不規則画素配置をもつイメージセンサ（カメラ）擬似的不規則画素配置をもつ模擬ディスプレイ
プロジェクタ＋縮小投影で模擬
画素パラメータの最適化
低解像度でも高い画質
画像計測への応用

具体例２：視線計測カメラ素子
カメラ＋画像処理回路
（列並列処理）
超高速化(〜1000fps)
小型化（カメラサイズ）
低レイテンシ化
列並列構成で高解像度化
高速カメラ＋FPGAによる
エミュレーション・システム
カメラ
（受光素子）
画像処理回路
（並列処理）
サッケード（急速眼球運動）
到達点のリアルタイム予測
CMOS0.18um
#Pixel: 16x16
→176x144
PixelSize: 10[um]
Column Parallel
サッケードに同期した
残像ディスプレイ
APSR/O&CmpSSXSY
APSR/O&CmpSSXSY
APSR/O&CmpSSXSY
APSR/O&CmpSSXSY
RawOut
Y & Yrst
X
X
X&Y
Accum
Vref
S S
Accum
SX SX
Accum
SY SY

具体例３：可視光インタフェース
可視光による入力
（２色対応：赤・緑）
ブロック型デバイス
→連結拡張（マグネット）
パターン認識
→機能定義・インタラクション

具体例４：電力重畳通信ブロック
ネジ
基板
バネ
2極で給電＋通信（重畳）
隣接ブロックとの通信
接続情報取得→全体形状認識など

研究室内サークル：マイコンブ
マイコンペ（コンペ）
→各種イベントで展示
ノウハウ共有
使うマイコンの共通化
いずれも学生の発案
http://combu.ifdl.jp/

前座：B3自主課題研究「PSoCを用いた○○の製作」
作りたいもののアイディアを出す
（実現性は考慮しない）
そのアイディアの実現可能性を、指導者と吟味
用いるセンサ・アクチュエータを選定
期間内に実現できそうなレベル・複雑度を設定
学習方法の効率化
用いるマイコン(Cypress PSoC1)を共通化＝ノウハウ共有・蓄
積
用いる部品のデータシートの読み方を学習
＝自ら先へ進めるようにステップアップ
「自分で考えた、作りたいもの」を作るので、
モチベーションを維持しやすい

結果：作品例
タッチ式記憶ゲーム学習式目覚まし時計
作曲機能つき
ミニゲーム機

まとめ
半導体とコンピュータ・情報工学
ムーア法則→コンピュータの性能向上
コンピュータの性能向上→情報工学の幅の広がり
「技術の民主化」という見方
プロの特権→誰でも使える（コスト面・使い勝手面）
多様な人が使う → アウトプットの多様性↑
その中からイノベーションが出る（かもしれない）
「半導体の民主化」
そのための道筋
それによって広がる「情報工学」の守備範囲・可能性

課題
MOSトランジスタのスケーリング則・ムーアの
法則がもつ技術的・社会的・経済的意義につ
いて、あなた自身のこれまで勉強したことや
今後の進路との関連を交えて、あなた自身の
観点でまとめてください。もちろん独断が入っ
ても構いません。（A4で1枚程度）
提出方法・期限：7/23木
宛先：以下の2箇所に送信してください
akita@ifdl.jp, t-kawanami@neptune.kanazwa-it.ac.jp

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