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 Semiconductor
as a Tool for Makers
秋田純一（金沢大）
@akita11

2015/7/29 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-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
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・・・

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
12
（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
19
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
22

「技術の普及」の結果：深圳の華強北
23
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」
27

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=A188CYfuKQ0
http://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

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