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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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2015/7/22 講演@金沢工大。ムーアの法則とMaker、MakeLSI

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情報工学の道具としての ハードウエアと半導体

  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

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