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）

04/15/2023 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-Sip-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・・・

04/15/2023 14Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

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

（ 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

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


「技術の普及」の結果：深圳の華強北

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


失敗から学ぶ：「手軽に試せる」環境

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=A188CYfuKQ0http://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


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 2Al3.2mm 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　　　　　　→ 176x144PixelSize: 10[um]Column Parallel

サッケードに同期した残像ディスプレイ


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

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

[email protected], [email protected]

情報工学の道具としてのハードウエアと半導体

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