集積回路工学第2・第13回資料

集積回路工学第２
集積回路工学第２
第１３回：道具になる集積回路
第１３回：道具になる集積回路

秋田純一（金沢大）

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 1

Contents
コンピュータの歴史とスケーリング（復
習）
コンピュータと電子工作
マイコンから未来の「ものづくり」へ

Twitter→#lsi2
01/25/13 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

コンピュータの歴史
(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

(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）
Twitter→#lsi2

コンピュータの構成要素： LSI
 黒いパッケージの中に
「シリコンのチップ」が入っている

Twitter→#lsi2

LSI の歴史

US Patent 　 No. 2 981 877 (R. US Patent 　 No. 2 138 743 (J.
Noyce) Kilby)
(1961) (1959) Twitter→#lsi2

Moore の法則

傾き： × 約 1.5/ 年

ref: http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm

Twitter→#lsi2

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
S G D
 不純物濃度 : α
 電源電圧 : 1/α S G D

 結論：いいことばかり
n-Si n-Si n-Si

p-Si
n-Si

 速度↑ p-Si

 消費電力↓ L

 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
Twitter→#lsi2

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

Twitter→#lsi2
ref: 日経 BP Tech-On! 2009/03/30 の記事

スケーリング（微細化）でうれし
いこと
速度↑
パソコンや携帯・スマホがサクサク動く
消費電力↓
バッテリーが長持ち
集積度↑：２つの意味
機能↑ 同一面積チップで 4 倍の MOS 数
＝ 4 倍の機能

コスト↓ 同一 MOS 数が 1/4 の面積
＝ 1/4 のコスト

Twitter→#lsi2

微細化によるコスト↓の別の側
面

1000MIPS
DEC VAX(1976) 100MIPS
1MIPS

300MIPS
Cray-1 (1978) 20MIPS
100MIPS
（世界最初のスーパーコンピュータ）
10MIPS
※MIPS ： Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数） Twitter→#lsi2

微細化によるコスト↓の意義
コンピュータの低価格化＝普及
昔は国で 1 台 → 会社に 1 台 → 一人 1 台
もう 1 つの意義：
「コンピュータ」が特殊なものではなくなっ
た
コンピュータ＝パソコン、にとどまらない
携帯、ゲーム機、家電、おもちゃ、・・・
→ 身の回りのあらゆるものに（ユビキタス
化）
Twitter→#lsi2

「 LED を点滅させる回路」
（１）
普通の設計方法：発振回路

Ra ４８
７３

Rｂ２ NE555

C ６
５

Twitter→#lsi2

（２）
PC を使ってもできる・・・？
可能だが、非現実的・・・か？

while(1){
a = 1;
sleep(1);
a = 0;
sleep(1);
}

Twitter→#lsi2

マイクロコントローラ（ MCU ：マ
イコン）
マイクロコントローラ (MCU)
CPU ＋ RAM ＋ ROM ＋周辺回路を 1 つのチッ
プに
CPU: 1 ～ 100MIPS
RAM: 1K ～ 10KB
ROM: 1K ～ 100KB
Microchip PIC12F629
Cost: ～ 100 円程度
製造技術は、「非常に」枯れた技術

Twitter→#lsi2

MCU の中身
小さいながらも立派なコンピュータ
性能は数 MIPS ＝初期のスーパーコンピュー
タ並

Microchip PIC10F222
Twitter→#lsi2

（３）
発振回路
IC(8p) ＋ C×1 ＋ R×2 ＝ $2

MCU
IC(8p) ＝ $1.5
多機能
点滅速度、点滅パターン
などの変更が容易
（プログラム動作）
Twitter→#lsi2

マイコンを使った LED 点滅回路
価格・性能の両面で、現実的な選択肢
「コンピュータなんてもったいない」ことは
ない
性能面では、実は高機能にもできる
「コンピュータを使う」積極的な理由

Twitter→#lsi2

電子工作とコンピュータ
「マイコン」で、コンピュータが電子工
作で
使えるようになった
＝「集積回路（コンピュータ）の部品
化」
・・・現実はどうか？

Twitter→#lsi2

「電子工作」というと・・・？
こんな感じ？

Twitter→#lsi2

もうちょっと凝った「電子工
作」？
こんな感じ？

Twitter→#lsi2

一方、「コンピュータ」という
と・・・ ?

Twitter→#lsi2

電子工作とコンピュータの
「壁」

超えられない壁？超えられない壁？ Twitter→#lsi2

黎明期のパソコン
回路図がマニュアル
に載っている
「パソコン自作」
＝「 IC を買ってき
て
　　　　　　半田付
け」

Twitter→#lsi2

Apple II （ Mac の祖先）の場合
取扱説明書” RedBook”
回路図
ソースコード

Twitter→#lsi2

MZ-80K (SHARP) の場合
やはり回路図は載っている
そもそも組み立てキットだった

Twitter→#lsi2

電子工作→エレクトロニクス
本来はつながっているは
ず
ホビー（アマ）→プロ
コンピュータが複雑化し
すぎた？
本来はつながっているは
ずだが、全体を通して理解超え
超え
ないられ
ないられ
壁？
壁？
している人がいるか？

Twitter→#lsi2

似た問題：化学〜生物
化学〜生物学の学問体系
脳・知能
生物（多細胞生物）
細胞
超えられない壁？
超えられない壁？
タンパク質・ DNA
分子・原子
化学と生物学をつなごうとする試み：
分子生物学、生物物理学、・・・
まだ成功はしていない Twitter→#lsi2

学問体系が断絶した世界で発生する問
題
例：ガン細胞
分子レベルからの発生メカニズムは完全には
未解明
対処療法：外科手術、化学療法など

Twitter→#lsi2

「トランジスタ→コンピュータ」で
は？
トランジスタ→論理回路→コンピュータ
そもそもコンピュータは、構成要素のト
ランジスタが「予定通り働く」ことを前
提に
構築されている（社会主義的システム）
トランジスタが「反乱」するとシステム
が成り立たない（「ベルリンの壁の崩
壊」）
（生物は「民主主義的」？）
Twitter→#lsi2
多種多様な構成要素から成り立つシステム
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
01/25/13

学問体系が断絶した世界で発生する問
題
 例：ガン化したトランジスタ・・・？
 コンピュータ＝決定論的システム＝構成要素の完全動作が前提
 微細化の進展により、量子効果による動作の不確実性が増加
 現状では、製造技術や設計技術で、なんとかおさえこんでいる
 ・・・いつまでも可能なのか？
 ハード屋の言い分：ソフトウエアでなんとかしてくれ（ fault-tolerant
など）
 ソフト屋の言い分：ハードウエアがしっかりしてくれ
 例：組込みシステム
 トレイ開閉ボタンを押してから 45 秒後にトレイが開く BD レコー
ダ（実話）
 ソフト屋の言い分： CPU がもっと速くなってくれ（ソフトの実行ス
テップは見えない）
 ハード屋の言い分：ソフトウエアをもっと効率化してくれ

Twitter→#lsi2

マイコン：これらをつなぐ媒
体？
ぎりぎり、命令実行ステップ〜高級言語
がつながる規模
入出力のための電子回路と親和性・関連
性が高い
作
工作
工
子
電子
電
＋
ン＋
ン
コ
イコ
イ
マ
マ

Twitter→#lsi2

大事なことは・・・？：コミュ
ニティ
「生き字引」の活用
リアル／ネット経由のアクセス、コミュニ
ティ
「居場所」
たぶん個々には「アツい気持ち」がある
学校などでは周りに「理解者」がいない？
・・・萎える
「発表」の機会
自慢したい、よね。
Twitter→#lsi2

集積回路とものづくり：最近の
動き
「コミュニティ」に関連する最近の動き
フィジカルコンピューティング
Make:
CGM とニコ動
FabLab

Twitter→#lsi2

近年の大きな動き：
フィジカルコンピューティング
マイコンをお手軽に使えるようにまとめ
る
Arduino など
パソコンの「外の世界」へ
ハードウエアの
オープンソース化
改造・発展が自由
コミュニティの存在
Twitter→#lsi2

近年の大きな動き : 「 Make: 」
DIY （ Do It Yourself ）系の雑誌・イベント
なんでも作る＆自慢する＆相互に評価しあう

Twitter→#lsi2

近年の大きな動き： CGM とニ
コ動
CGM(Consumer Generated Media)
プロでない人がつくるコンテンツ
（最近は特に音楽が多い）
（ニコニコ技術部で電子工作も）

Twitter→#lsi2

近年の大きな動き： FabLab
加工機をコアにしたものづくりコミュニ
ティ
レーザーカッター、３Ｄプリンタ等
相互交流・評価の精神
現在、日本では鎌倉とつくば
（経済的な自立は課題か？）

FalLab つくば (FPGA Café) のメニュー
Twitter→#lsi2

FabLab が社会を変える？
いま：製品は「買う物」
中身はわからない＆いじれない
（コンピュータが複雑すぎるから仕方ない）
大量生産品：個人の好みが反映されにくい
壊れたら直せない＝廃棄＝モノへの愛着がな
い
将来：製品は「作る物」
ほしい機能をカスタマイズ
壊れたら直せる＝モノへの愛着
Twitter→#lsi2

これらの動きが出てきた背
景・・・ ?
道具の進化
マイコン、初音ミク、レーザーカッター
成果発信の手段
Web 、ニコ動、 SNS （ Facebook/Twitter 等）
相互評価・尊重の文化
これまでは「自己満足」で終わっていた

Twitter→#lsi2

未来の「ものづくり」・・・？
例：野尻抱介「南極点のピアピア動画」
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・・・・？？？
( 早川書房・ ISBN:4150310580)
Twitter→#lsi2

要約（ネタバレ）と「示唆」
ニコニコ技術部でロケットつくって宇宙
に行ったり、潜水艦でクジラと会話する
、というお話
この小説の示唆・・・？（私の解釈）
個々人の才能は尖っている（レベルが高い）
皆で力をあわせると、すごいことができる
現在は、皆が「趣味」の範囲でやっている
はたしてこれが産業になるのか・・・？
Twitter→#lsi2

（近）未来の「ものづく
り」・・・？
 「ニコ技で作る」ことを職業にできる人は、
（おそらく）ほとんどいない
 今の職業を放りだしてまで取り組む自信が（たぶん）ない
 しかし「趣味の時間」でならできる
 （睡眠時間を減らすのは持続的ではない）
 TV 観たりマンガ読んだりジョギングするの代わりに「ものづく
り」
 人を束ねるベース（ SNS 等）は既にある
 KickStarter のような少額資金調達の素地もある
 あとはこれを販売するルートがあれば現代の産業革命になる
か・・・？
 経理などの事務仕事が負担になるかもしれないが、
「事務仕事を手伝う」という形の支援形態もあり得るはず
Twitter→#lsi2
 おそらく少量多品種＆オープンソース。だからこそ FabLab でつく
れる

こんな本も（その１）
（昔）少数のヒット商品
→（今）多数のニッチ商品
クリス・アンダーソン著
ニッチも多数なので ( ハヤカワ新書
・ ISBN9784153200043)

総和は大きい
例：音楽販売では、
25,000 位以下で売上の 40%
「一部のヒット商品」がなくなる
音楽業界：△ 25% （’ 01 〜’ 07 ）
ヒットアルバム：△ 60% （’ 01 〜’ 07 ）
Twitter→#lsi2

「ロングテール」が見直される
背景
嗜好の多様化←メディアの多様化
例：テレビ持ってますか？
昔はテレビ（地上波だけ）しかない
「８時だよ全員集合！」はピーク時平均視聴率
50%
「他に見るものがないから」という要因が大きい
リコメンデーション等の「出会いの手段」の
進歩
在庫コスト：大幅↓（オンライン・スト
ア） Twitter→#lsi2

＝多様な商品が、消費者の選択の対象に
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
01/25/13

こんな本も（その２）
産業規模の話も
産業全体： 130 兆ドル
IT 産業 (bit 産業 ) ： 20 兆ドル (15%)
残り (85%) ： atom 産業（モノが関わる）
第 1 次産業（農林水産）
第 2 次産業（製造業）
クリス・アンダーソン著
第 3 次産業（小売り・流通・サービス）出版
(NHK
　・

「 IT 産業革命」は限定的→本命は atom 産業 ISBN4140815760)

ものづくりの「ロングテール」を支える技
術革新 Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Twitter→#lsi2
Interface
01/25/13

「ものづくり」における部品
「部品」
ものを構成するのは「部品」
特定用途でない「汎用部品」が多い
ネジ、抵抗、アクリル板
要所には「専用部品」も必要
ケース、プリント基板

Twitter→#lsi2

ロングテールと汎用部品
 汎用部品
 カーボン抵抗、小信号 Tr 、汎用 OPA など
考え方によっては「 PC 」や「 Android タブレット」や
「 TV 」も
（「部品」の考え方は広げられる）
必要とされる性能が低い・“一般的な”性能
コモディティ化（差がない＝コスト競争）
セカンドソース（同等品を複数のメーカが生産する）
定番化→低コスト化＆入手容易化、のサイクル
ロングテールの裾は存在しにくい？
物理的な部品は製造・在庫コストが必要なので、
マイナーな汎用部品は維持が困難
Twitter→#lsi2

ロングテールと専用部品
 専用部品
マイコン、特定用途用 IC 、高性能 OPA など
必要とされる性能が高い・”特殊な”性能
代替できない（製造中止というリスク）
（例： iPhone が製造中止になったら iOS アプリはどうする ? ）
または汎用部品の組み合わせで妥協する（安定供給）
いままで：いずれかの二択
少量多品種（高い製造コスト・機能の柔軟性）
例：一点モノ・カスタム品
大量少品種（高い初期コスト＋量産時は安価：高リスク）
例：ヒットゲームカセットのマスク ROM

Twitter→#lsi2

「ものづくり」と「部品」の質
的向上
 部品の「組み合わせ」
大量生産される汎用部品（入手容易・セカンドソース
あり）
大量生産される専用部品（入手容易・セカンドソース
なし）
「自分でつくる」専用部品（※後述）
 微細化により「汎用部品」の性能が上がった
昔なら専用部品が必要な場面でも汎用部品で OK
「部品の民主化」（多様なメーカ・互換性、セカンド
ソース）
Twitter→#lsi2

汎用部品 vs 専用部品
ArduinoUno の例
部品点数： 52
汎用部品： 35(67%)
抵抗、コンデンサ、コネクタなど
「メーカー問わず」で指定できそうな部品
専用部品だが代替可能： 15(29%)
LED 、 3 端子レギュレータなど
互換品はないが同等性能の代替品はある部品
特に IC は、微細化による高性能化で汎用品化が進
んだ
Twitter→#lsi2
01/25/13 代替品がない専用品： 2University http://ifdl.jp/ ） (4%)
 Interface Device Laboratory, Kanazawa （マイコン ×2

ものづくりのロングテール化は
？
技術的背景
入手容易な部品の性能向上
部品の入手容易性の向上（サプライチェーンの整
備）
→ロングテールの裾の部品も
（製造されていれば）検索・入手しやすくなった
※ 「自分でつくる専用部品」のことは後述
 「ものづくり」のロングテール化（の裾）のた
めには
「オンデマンド製造」が必要テクノロジか？
（製品の在庫を持たないことも可能になる） Twitter→#lsi2
製造方法の民主化も必要

専用部品→汎用部品のサイクル
汎用部品・専用部品を組み合わせた
「モジュール」という汎用部品
例： Arduino, XBee, RaspberryPi, …
これが「製品」になる場合もある
これが「汎用部品」となって、
「ものづくり」のロングテール化を支える
「汎用部品」の高性能化、と見ることもできる
「汎用部品」という市場
「汎用部品をつくる」ことのロングテール化
Twitter→#lsi2

集積回路が「部品」になるために
は？
 原料（ Si ウエハ）価格はあまり上昇していない
$1.14/inch2→$1.17/inch2 （ 2004, SEMI 統計）
 初期コスト
マスク価格： 45nm は 180nm の 10 倍
電子線（ EB ）直描：低スループットだが多品種向け
 設計コスト
高機能は高価な専用 CAD （米国メーカー独占）
汎用品レベルは汎用（含フリー） CAD でも
設計ツール (CAD) の民主化は・・・？

Twitter→#lsi2

「汎用 / 専用部品」になる集積回
路（１）
 System on Chip (SoC/ システム LSI)
 システム一式をワンチップ化
 必然的に特定用途＝少量多品種
（大量生産品は iPhone の CPU などごく少数）
 「製造初期コスト（マスク）が高価」という矛盾
設計の複雑度が極めて高い
 設計方法が異常に複雑化・高度化
 System in Package (SiP)
 システム一式（ CPU ・メモリ等）を
ワンパッケージ化（ただし若干低速度）
 必然的に特定用途＝少量多品種
 各チップは汎用品：量産効果
 「ロングテール」向き？
Twitter→#lsi2

「汎用 / 専用部品」になる集積回
路（２）
 Configurable なデバイス
 FPGA, MCU, PSoC, スマートアナログ , …
 デバイスそのものは「汎用部品」
（機能をカスタムに設定できる）
 微細化によって「それなりの性能」になってきた
（昔は性能がイマイチだったが）
 設計ツールの民主化により、かなり有望か？
 LSI 試作サービス
 小ロット製品向けも
 例：仏 CMP(€1,200/mm2@0.18um, €650/mm2@0.35um,
€12,000/mm2@28nm)
 「そこそこの性能」ならかなり安くなってきた
 設計ツールの民主化が普及のキーか？
Twitter→#lsi2

集積回路が部品になるためのキー技術
１
 「カスタム LSI が作れるとうれしい用途」
高度・高速信号処理、高機能センサ、などなど
「それまでは考えてもいなかった分野」は、けっこう
ある
 例：（高価な）３次元計測デバイスは昔からあったがイマイチ普及し
なかった
→ Kinect で一気に普及し、基盤技術になった
「やろうと思えばできること」を見据えた考え方
 例：実装技術（「やろうと思えばできること」）を知らなければ
Kinect やそれを使ったアプリは考えられない
 例：高速カメラ＋画像処理を知らなければ、高速ビジョンは考えられ
ない
 プロトタイプでもいいので「動くものを見せられる」のも重要
Twitter→#lsi2

集積回路が部品になるためのキー技術
２
 実装インフラの整備
これは FPGA や LSI 試作サービスが整ってきている
 設計ツールの民主化
現状では民主化されているとは言い難い
↑ のようなケースが出てこれば改善が進む・・・？？
または Arduino や RaspberryPi のような
ブレイクスルーをおこすものを作る人が現れる・・
・？

Twitter→#lsi2

集積回路工学第2・第13回資料

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to 集積回路工学第2・第13回資料

Similar to 集積回路工学第2・第13回資料 (20)

More from Junichi Akita

More from Junichi Akita (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (14)

集積回路工学第2・第13回資料