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集積回路が真の道具になるために

電気学会 電子回路研究会(2014/12/19)。Make、MakeLSI、技術の民主化、深セン、ミニマルファブなど。

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Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
集積回路が真の道具になるために
秋田純一(金沢大)
1
2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Contents
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2
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
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2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
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集積回路が真の道具になるために

  • 1. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路が真の道具になるために 秋田純一(金沢大) 1
  • 2. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Contents 自己紹介 ムーアの法則の歴史と側面 技術の民主化とその意義 集積回路が「真の道具」になるために 2
  • 3. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則の歴史と側面 3
  • 4. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則  加工寸法が3年で1/2になる(べき)  「わかりやすい&嬉しい」指針  メーカ側:微細化による性能↑&コスト↓  ユーザ側:機能↑&コスト↓  他の産業にない半導体・電子産業の特異性 http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm (日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事) 4
  • 5. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則のもたらしたもの(1) 高度な微細化→System on a Chip (SoC) =専門性の高いCustom品 &高いイニシャルコスト (設計・製造装置) =少量多品種への依存 特定製品への強い依存 iPhone搭載SoC/DRAM/フラッシュメモリ/液晶パネル 設計製造技術の過度の専門化 =参入の敷居↑↑↑(素人お断り) 学生はCADを覚えるので精一杯・・・ 5
  • 6. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則のもたらしたもの(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 6 (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
  • 7. 2014/12/19 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・・・
  • 8. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化とその意義 8
  • 9. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 最近の秋葉原(あきば) ※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 9 西餅「ハルロック」 (週刊モーニングで連載中)
  • 10. 2014/12/19 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
  • 11. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 趣味・ライフスタイルの多様化? 11 器具メーカー コミュニティ (カフェ・大会) 素材メーカー (ランニング) 産業・ビジネス
  • 12. 2014/12/19 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)
  • 13. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Makerの背景:フィジカルコンピューティング PC外の物理現象を扱うコンピューティング 使いやすくまとめたマイコンボード+開発環境 +充実したユーザコミュニティ(プロ~初心者) ノウハウ・ライブラリ・派生品が生まれて進化 「たいしたことないもの」に見える (ただのマイコンボード?) マイコンボードの民主化=ユーザの多様性↑↑ ArduinoUno 13
  • 14. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」という見方 (従来)設計・製造技術=プロの特権 (いま)設計・製造技術=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
  • 15. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化の結果:深圳の華強北 15 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) ※基本的には「コンポーネント」の「アセンブリ」のみ ShenZhen HuaQiangBei
  • 16. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ プロは失業するのか?→否 技術が民主化されて万人に渡っても、 プロは存在する MS Word←→作家、Web2.0←→ジャーナリスト、 YouTube←→映画監督、プリンタ←→印刷屋 集積回路・電子回路技術では? プロの役割は残る(というより重要度が増す) 根幹回路技術:電力(EH/LowPower)と 通信(IoT/Last1m) 電子回路の設計技術の提供:ツール、コミュニティ プロ自身も、うまく使えば、更にレベルアップ 16
  • 17. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路が 「真の道具」になるために 17
  • 18. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路は「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、・・・) アナログIPの再利用(VSI等):徐々に・・・ 「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 18
  • 19. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 失敗から学ぶ:「手軽に試せる」環境 19 http://www.viscuit.com/column01/column02/ 原田康徳氏(NTT CS研)
  • 20. 2014/12/19 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 Cadence/Synopsys: 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
  • 21. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSI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
  • 22. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LチカLSI動画:Contents Lチカ:555、マイコンでもできるが、専用LSIで CMOS 0.18um 5Al 2.5mm x 2.5mm RingOSC x 1001 T-FF (Div)
  • 23. 2014/12/19 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
  • 24. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「カスタムLSI」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 24
  • 25. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 設計CAD:フリーウエアで 高度なツールは、ホビーには多機能すぎる 最後はGDSデータ:基本ツールで Inkscapeでレイアウト設計 ※DRCはVirtuosoで・・・
  • 26. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 製造方法:誰でも使える環境で 北九州学研都市のクリーンルーム クリーンルームの設備が時間単位で利用できる 2umルール程度 使い方も指導してもらえる (一通りLSIをつくると2週間くらい、20万円くらい) ※今回は他大学の学生さんのプロセス実習に相乗りして製造
  • 27. 2014/12/19 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
  • 28. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ カスタムマイコンはどうか? 0: 23a0 movs r3, #160 ; 0xa0 2: 05db lsls r3, r3, #23 4: 4c0b ldr r4, [pc, #44] 6: 4f0c ldr r7, [pc, #48] 8: 2201 movs r2, #1 a: 601a str r2, [r3, #0] c: 2500 movs r5, #0 e: 6025 str r5, [r4, #0] 10: 2600 movs r6, #0 12: 3601 adds r6, #1 14: 42be cmp r6, r7 16: d1fc bne.n 12 <main+0x12> 18: 3501 adds r5, #1 1a: 2dff cmp r5, #255 ; 0xff 1c: d1f7 bne.n e <main+0xe> 1e: 2200 movs r2, #0 20: 601a str r2, [r3, #0] 22: 25ff movs r5, #255 ; 0xff 24: 2600 movs r6, #0 26: 3601 adds r6, #1 28: 42be cmp r6, r7 2a: d1fc bne.n 26 <main+0x26> 2c: 3d01 subs r5, #1 2e: 2d00 cmp r5, #0 30: d1f8 bne.n 24 <main+0x24> 32: e7e9 b.n 8 <main+0x8> 34: 50000004 38: 0000270f #define GPIO 0x50000000 #define PWMDUTY 0x50000001 #define WAIT 10000 // 3,000,000=0.3s / 256 -> 10,000 void main() { volatile unsigned int w; volatile unsigned int d; while(1){ *(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0001; for (d = 0; d < 256; d++){ *(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d; for (w = 0; w < WAIT; w++); } *(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0000; for (d = 255; d >= 0; d--){ *(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d; for (w = 0; w < WAIT; w++); } } } arm-gcc/gas VerilogHDL ARM CortexM0 Design Start Program (Synthesizable HDL) Lチカのプログラム (PWM対応) 機械語
  • 29. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ アナログ回路はどうか? Lチカといえば、555 CMOS 0.18um 1P5M CMPx2+DFF+DisChgTr ※製造中
  • 30. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSI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
  • 31. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSIを道具にするために 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 ホビーで作ってみる? 2015/夏ごろ、北九州Fabで 計画準備中 http://j.mp/make_lsi
  • 32. 2014/12/19 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? 来るべき時代に備えて、 回路技術を磨いておきたいところ
  • 33. 2014/12/19 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ まとめ ムーアの法則の歴史と側面 LSI技術が「こなれる」ことで、できたこと 技術の民主化とその意義 ユーザ層が広がる=生まれるものが多様化 その中から生まれるイノベーション 根底:技術が道具になりきること プロの役割はむしろ増大 集積回路が「真の道具」になるために 現状は道具になりきれない:教育面でもマイナス 道具になるために必要な3つのこととその実践 33