Maker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/

Maker の道具としてのハードウエアと半導体Hardware and Semiconductoras a Tool for Makers

秋田純一（金沢大）@akita11

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

Contents自己紹介コンピュータと半導体の歴史：ムーアの

法則「道具の民主化」がもたらすこと情報科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


コンピュータと半導体の歴史：ムーアの法則


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）

最小加工寸法 : 0.014μm(14nm)

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 頃 ) 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

50 年間ずっと、性能が毎年「約 1.5 倍」になっている（等比数列）


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

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

20000MIPS

10MIPS

100MIPS

20MIPS20000MIPS

109MFLOPS


コンピュータの進化がもたらしたもの（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


「 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(MCU)

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 12Interface 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)


「道具の普及」と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)


情報科学ではどうか？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」と多様性（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

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 (“iPhone nano”)※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


情報科学と半導体の新しい関係


「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

「ＩＣをつくる」という道具を持つと？＝「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


現状、ＩＣは「道具」になっているか？マイコンは「道具」になった

カスタムＩＣ（オレＩＣ）は？：否「カスタムＩＣを作ったことがある人、いま

すか？」設計ツール：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 （設計情報のアクセス制限）が厳しすぎ

ユーザ・コミュニティ：高い参入障壁、現状は専門家ばかり


「失敗から学ぶ」「作る→失敗する→そこから学ぶ」のサイ

クルプログラミング：失敗ＯＫマイコン：失敗ＯＫプリント基板：失敗ＯＫカスタムＩＣ：さすがにＮＧ

もし学部 1 年生が「ＩＣ作らせてください」ときたら？

「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」


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？

http://ifdl.jp/make_lsi


MakeLSI: まずはやってみたＭＬ登録： 50 人くらい（プロ以外も多数）設計データ： 8 人・ 9種類＋ α （イラスト）8/3 から北九州で製造開始


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

本チップ試作は東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、ローム (株 )および凸版印刷 (株 ) の協力で行われたものです


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


L チカ LSI ver2 （センサ機能つき）

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

マイコンではできない芸当！


でもやっぱり、そこまでやらなくても・・・・SiP (System In Package)

（ Elmos社の Webページより）

自分でつくったＩＣ（カスタム品）（ほしい機能）

既製品のチップ＝汎用品（マイコン、無線など）

「 Arduino まで作らなくても、それは買ってきて、それにつなぐ部分だけ作れば OK 」と同じこと


ＩＣが道具になるとは・・・『３Ｄプリンタは、私たちに「何をつく

りたいのか」を問いかけているのです。』

あなたなら、何を作りますか？

田中「 SF を実現する 3D プリンタの想像力」(講談社現代新書 , 2014)


まとめ半導体とコンピュータ・情報科学

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（ＩＣ）の民主化」

そのための道筋それによって広がる「情報科学」の守備範囲・可

能性

Makerの道具としてのハードウエアと半導体

Engineering

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