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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1. 1. 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）
2. 2. 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
3. 3. 2015/7/21 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  ＋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
4. 4. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 情報工学とコンピュータと 半導体の歴史
5. 5. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
6. 6. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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)
7. 7. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
8. 8. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
9. 9. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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？）
10. 10. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
11. 11. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
12. 12. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
13. 13. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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・・・
14. 14. 2015/7/21 Interface 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 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
15. 15. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「道具の民主化」がもたらすこと
16. 16. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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)
17. 17. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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」
18. 18. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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)
19. 19. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
20. 20. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
21. 21. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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？
22. 22. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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）
23. 23. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
24. 24. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ “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)
25. 25. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
26. 26. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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
27. 27. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 情報工学と半導体の新しい関係
28. 28. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ （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）
29. 29. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
30. 30. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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）
31. 31. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
32. 32. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
33. 33. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
34. 34. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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
35. 35. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
36. 36. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
37. 37. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
38. 38. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
39. 39. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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
40. 40. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
41. 41. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
42. 42. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
43. 43. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
44. 44. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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/
45. 45. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://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
46. 46. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
47. 47. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
48. 48. 2015/7/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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