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「Lチカから考えるIoT時代のものづくり」

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IoT ALGYAN金沢支部LT大会(2018/9/1)。ムーアの法則、Lチカ、Make、MakeLSI:

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  1. 1. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Lチカから考える IoT時代のものづくり 秋田純一(金沢大) @akita11
  2. 2. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 自己紹介  1970名古屋生まれ  東京で大学→大学院  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(翼セミナーOBの縁)  本業:集積回路、特に(機能つき)イメージセンサ  +集積回路を使うデバイス・システム  ユーザインタフェース・インタラクティブシステム(人間相手の機械) 集積回路(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) 基板設計 研究室(実験室
  3. 3. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 自己紹介(副業) Maker、ハンダテラピスト 好きな半田はPb:Sn=40:60
  4. 4. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータの歴史と半導体 (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
  5. 5. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータの歴史の2つの側面 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 20MIPS 20000MIPS 109MFLOPS
  6. 6. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータの「使い方」の変化 国に1台/会社に1台 個人で1台(PC) 一人で何台も 仕事・勉強の道具国・会社のプロジェクト コミュニケーション ・遊びの道具 >1億円 10〜100万円 数万円 身の回りに無数 存在に 気づかない 〜100円 大昔のコンピュータ 一昔前のコンピュータ 今どきのコンピュータ コンピュータの利用場面(アプリケーション)が広がった
  7. 7. 2018/9/1 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) 電子回路を半導体(ケイ素=シリコン)に作り込んだもの
  8. 8. 2018/9/1 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 年を追って、複雑・高機能な集積回路がつくられるようになった ※G.Moore (インテルの創業者の一人) G.Mooreが1965年に論文[1]で述べる→C.Meadが「法則」と命名→「予測」→「指針(目標)」へ G.E.Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," IEEE Solid-State Circuit Newsletter, Vol.11, No.5, pp.33-35, 1965.
  9. 9. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則のカラクリ:スケーリング 集積回路の部品(MOSトランジスタ)を、同じ形状で、 より小さく作ると・・・? 寸法: 1/α 不純物濃度: α 電源電圧: 1/α 効果: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 R.H.Dennard et al., "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions," IEEE J.of SSC, Vol.9, No.5, pp.256-268, 1974.
  10. 10. 2018/9/1 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 「お金がからむと 技術は進む」 ref: 日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事 L=20nm(いま) L=5nm(2020年ごろ予定)
  11. 11. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「マイコン」という概念 マイコン=Micro-controller / Micro-computer 技術的には:枯れた技術の固まり RISC, Flashメモリ, ... ハーバードアーキテクチャ, … 使い方的には・・・? 「コンピュータ」が安く小さくなることの意義 単なる「安くて小さいコンピュータ」ではない パラダイム(常識・概念)の転換(の可能性) (Atmel ATtiny10データシートより) (日立/Renesas H8/3048F) Mooreの法則の二つ目の意義
  12. 12. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ」から考える半導体 =「LEDチカチカ」(LED Blink) 「LEDを点滅させる」こと プログラミングにおける”Hello World”的なもの (まず始めに試すやつ)
  13. 13. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※ウソです 広辞林(第6版)より
  14. 14. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 日本工業標準調査会(JISC) JIS規格一覧 ※ウソです
  15. 15. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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 「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) while(1){ a = 1; sleep(1); a = 0; sleep(1); } ※さすがにPCではちょっと・・・ Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例 昔のLチカ 今どきのLチカ ※マイコン=Micro Controller(小さなコンピュータ)
  16. 16. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータが「頭脳」から「部品」に 出典:ARM 機器の頭脳 関節ごとに小さい脳(神経節) コンピュータが、システムの「主役」から「構成要素(部品)」になった ※基本的には「コンピュータ」だが、小型で安価
  17. 17. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ IT/ICT業界とハード業界が近づいた  大企業でなくてもハードを製造販売できるようになった  製造技術が身近になった(電子回路、3Dプリンタ、・・・)  部品メーカ、設計者、ユーザの「生態系(Ecosystem)」  ソフト+ハード+サービスで「世の中変える」  多様なニーズ、無視できないロングテール(ニッチ)  従来型製造業の補完(置換ではない)  クラウド・ファンディング=市場調査+資金調達 (売ってみないとヒットするかはわからない) Maker Faire Tokyo 2015 (多数の「作ってみた」) (C.アンダーソン「ロングテール」,早川書房 (2009)) 全体の40%
  18. 18. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ MakerFaire的なイベント:NT金沢 約100組(7月・金沢駅前地下広場):実はたくさんい る TeslaModelS(高速道路自動運転)試乗会 ホバーボート試乗 自作ウエアラブル椅子(製品化中) ハンズオン
  19. 19. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ IT/ICT業界の現状:深圳の華強北 19 山寨(ShanZhai)の例(“iPhone nano”) ※FakeCopyではなく、プロダクトの 進化系。これが2週間で量産される 無限に続くパーツ屋 “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 新製品の試作に流用 ShenZhen HuaQiangBei 基板製造 + 部品(サプライチェーン) + 起業(ハードウエアスタートアップ) + 資本(VC/アクセラレータ) 深圳の生態系 謎の起業・新製品が続々(ときどきアタる) 世界中から頭脳と資金が集まり、 イノベーションを生み出している 「ハードウエアのシリコンバレー」とも
  20. 20. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ハードとソフトが混ざってきたのは? ハード技術が「道具」になったから 開発/発明される お店で買えるようになる 使い方が知られるようになる みんなが使うようになる それが「道具」となって、次のステップへ プロのみ マニア(ハイレベルアマチュア)向け だれでも プロ(詳しい人)しか使えない アマ(詳しくない人)でも使える
  21. 21. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術が生まれて「道具」になるまで エリンギの例 1993年に日本へ 2003年ごろから一般化 ↑10年かかって「道具」に 料理番組、調理例・・・ 農林水産省「平成20年度 農林水産物貿易円滑化推進事業 台湾・香港・シンガポール・タイにおける品目別市場実態調査 (生鮮きのこ)報告書」(林野庁経営課特用林産対策室 )より
  22. 22. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「道具の普及」がもたらすもの (昔)「○○」はプロの特権だった 音楽、映画、電子回路、製造 私たち=Consumer (今)「○○」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 (CrowdFunding、YouTube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)
  23. 23. 2018/9/1 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
  24. 24. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ IoT時代に「技術」とどう付き合うか やろうと思えば、「自分でできることが」 圧倒的に増えた 技術の「道具化」、ハードウエアスタートアップ、 エコシステム 「誰かがやってくれる」のを待つのは、もったいない ※「ちゃんとやる」には専門家が必要なのも事実 「おばあちゃんセンシング」 畑の状況確認など、「センシング欲」は無限大 ×おばあちゃんが「技術を買う」 ◎おばあちゃん自身が「技術」を使う
  25. 25. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体を「道具」として持つこと
  26. 26. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路(IC)は「道具」か?:調査 https://www.youtube.com/watch?v=A188CYfuKQ0 http://www.nicovideo.jp/watch/sm23660093 CMOS 0.18um 5Al 2.5mm x 2.5mm RingOSC x 1001 T-FF (Div) (※LSI=集積回路のこと)
  27. 27. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Lチカ動画: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 「集積回路=すごいことをやるためのもの」という意識
  28. 28. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則がもたらしたもの(2) LSI設計・製造コストの高騰 シャトル製造サービス〜$1k 製造初期コスト(マスク)〜$1M 設計ツール 〜$1M 秘密保持契約(NDA; Non Disclosure Agreement) : Priceless 製造工場 〜$1G cf:プリント基板製造($10~)、Arduino($10~) cf: 設計CAD&コンパイラ(IDE)(Free~) 「専用LSIつくってLチカ」ってもったいない&無駄遣いすぎる
  29. 29. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「道具」としての集積回路 「ハード」=電子回路、プリント基板あたり 「集積回路(半導体チップ)」までは、なかなか どうしても「今あるもの・使えるもの」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 「集積回路をつくれる」という道具 =「いまできること」という発想の縛りから開放 Depth画像 ※昔は「可能だが高価」 →Kinect後は「誰でも使える」 →ユーザインタフェース界の革命
  30. 30. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ オレLSI:AI向けも AI/深層学習向けのプロセッサ 従来型の「ノイマン型コンピュータ」では苦手 いわゆるASIC(特定用途向けIC)だが、 少量多品種向け GoogleのTPU (Tensorflow Processing Unit)の例 ref: https://news.mynavi.jp/article/20170411-tpu/2
  31. 31. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ オレLSI:IoT向けも IoTは、本質的に「少量多品種」 使う場面ごとに、必要な機能・性能が異なる 情報処理のやり方も多様(端末側?サーバ?) 環境発電(太陽電池、振動発電など)など、 超低消費電力が必要な場面も多い センサ プロセッサ 通信 記録 電源
  32. 32. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路を「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 “How”の専門家は多いが、”Why/What”は皆無 いずれも、なんとかなりそう?
  33. 33. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ オレLSIをつくってみたい:実践 情報収集・整理 探せば、ないことはない フリーウエアの設計ツール 安価な製造方法 NDAフリーの設計ルール 仲間さがし http://j.mp/make_lsi
  34. 34. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ MakeLSI: -データの蓄積・再利用 GitHub上でデータを共有=再利用OK NDA-Free設計ルール= NDA-Free IP 迅速なIP開発  共通設計環境・プロセス  多くの参加者による開発  品質が低い場合もある(バグ、エラー)  品質も参加者により改善される? Cf. OSS (Open Source Software; Linux, etc.)  品質はコミュニティメンバにより迅速に改善  コミュニティメンバの開発・改良への熱意  オープンな枠組み(ソースコード、ライセンス)が必要
  35. 35. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ チップをお手軽に製造できる近未来 ミニマルファブ(産総研)の目標:マスクレス露光 1[um]/3Alプロセス・0.5inウエハ、1週間、数万円 Cortex-M0コアが4ショットは入る カスタムなペリフェラル・アナログ・センサ・MEMSの 混載も(これが数万円&1週間@1個から) ※0.18[um]/3Alでの配置配線結果の レイアウトデータ(GDS)を1/0.18=28倍に 拡大して作成
  36. 36. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ チップを「つくる」 (イメージ:近い将来) 設計する(GDS形式) データをupload チップが届く cf: プリント基板 設計する(gerber形式) Webからデータをupload 基板が届く
  37. 37. 2018/9/1 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSI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? いまのうちから、考えておいても 損はないはず。
  • HatukiMaru

    Sep. 2, 2021

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