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道具としての半導体設計：Lチカを題材として

（一社）組込みシステム技術協会 RISC-V WG 第2回Webセミナー2021

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Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 道具としての半導体設計 ：Lチカを題材として 秋田純一（金沢大学）
2021/7/28 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  好きなプロセスはCMOS 0.35μm  ＋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）
2021/7/28 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
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「ムーアの法則」について改めて
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体（集積回路）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 インテルの創業者（の一人）
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体の進化の歴史：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.
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則のカラクリ：比例縮小 コンピュータの電子回路の最小単位 ＝MOSトランジスタ 電流のON(“1”)／OFF(“0”)を制御するスイッチ 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 p-Si S D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-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. MOSトランジスタの断面構造
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 比例縮小の効果 効果：いいことばかり 速度↑（電子の移動＝信号の伝搬距離が短くなる） 消費電力↓（電源電圧が下がる） 集積度（機能）↑（1つの素子が小さい＝同一チップに多数） 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 D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-Si L • 素子面積：1/α2 • 素子密度：α2 • 電流I：1/α （←電圧：1/α） • 容量C：1/α （←C=εS/d, S：1/α2, d：1/α） • 抵抗R:α （←R=ρL/S, S：1/α2, L：1/α） • 回路遅延：1/α （←E:一定, S-D間:1/α） • 消費電力：1/α2 （←V:1/α, I:1/α） • 配線遅延時間CR：1 （変わらない） ※MOSトランジスタを 上から見たところ （素子1個の専有面積） 物理的な詳細
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・ 1um 0.8um 0.5um 0.35um 18ヶ月 18ヶ月 18ヶ月 同じ用紙サイズなら文字数2倍 ＝機能2倍
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・（その２） 1um 18ヶ月 18ヶ月 0.5um 0.8um 同じ内容なら用紙サイズ1/2 ＝コスト1/2
2021/7/28 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」 L=20nm L=5nm 平本・日経新聞「経済教室」(2019/7/18) 日経BP Tech-On! 2009/03/30
2021/7/28 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 107MFLOPS 10MIPS 100MIPS 100MIPS 108MIPS 5×1011MFLOPS 106MFLOPS 100MIPS
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ イノベーションのトリクルダウン A. “bunnie” Huan, “Guerilla Production Tactics”より 30倍 3倍 45nmノード 14nmノード
2021/7/28 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）
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※ウソです 広辞林（第６版）より
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ」のパラダイムシフト MCU #Component=1 $1 Oscillator(555) #Component=4 $1.5 while(1){ a = 1; sleep(1); a = 0; sleep(1); } 可能だが非現実的なLチカ 合理的なLチカ マイコン(MCU)を使って 「Lチカ」しない理由がない コスト、機能性、・・・ コンピュータの使い方がもったいなくなくなった Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則のわかりやすい例 マイコン（ATmega328P/PB）の例 機能：ATmega328P ＜ ATmega328PB（上位互換） 価格：ATmega328P ＞ ATmega328PB（30%安価） 0.6umくらいだと、製造コストはほぼチップ面積 ATmega328P（1.2umルール？） ATmega328PB（0.6umルール？） 詳細：http://ifdl.jp/blog/?p=1197
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ （おまけ）炙って見られる どこのご家庭にもある BBQ用バーナー（カセットボンベ式） 3分くらい炙る ※火事・ヤケドに注意 ICチップ（パッケージ入） チップが見えてきた！ 炭化したパッケージを、 ピンセットなどで、崩していく （チップを割らないように注意）
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ （おまけ） ネタをTwitterで晒していたら、本になりました
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 価格が起こしたパラダイムシフト シリアル制御フルカラーLED“NeoPixel” 電源＋1本のシリアル制御線で複数制御 超安価 (～3円/pcs) 普通のLEDより安い LEDディスプレイなど大量に使われるようになった 制御チップは1umルール程度（かなり安い） Ref:https://news.nicovideo.jp/watch/nw4240213
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則の今後 微細化が進みすぎて、素子として動作しない＋ 安定に製造できない 不安要因 製造ばらつき（設計通りの形状にならない） 不純物ばらつき（電気特性が設計通りにならない） トンネル効果（OFFにしたつもりが電子が通り抜ける） ref: https://slideplayer.com/slide/7843454/ Si原子（直径0.2nm） ×50
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 最近のCPU（※イメージ） Intel Core i7 (2008) トランジスタ（素子）数～10億個 （設計では、これらを1つも間違いなく組み合わせる） cf: 地球の人口～70億人、中国の人口～13億人
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータの中身が見えなくなる https://hardware.srad.jp/story/18/05/25/0450230/ https://security.srad.jp/story/18/05/08/0919252/ http://www.itmedia.co.jp/news/articles/ 1806/15/news079.html 設計が正しいか検証しきれない
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ AI/IoT時代の半導体 半導体は重要部品なのは事実 Mooreの法則の延長は望めない 十分すぎる、使いこなしきれない機能がある どう使うか？ 「今ある半導体を使う」という発想の転換 ソフトウエア→ハードウエア→半導体チップ
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術が「道具」になる意義と イノベーション
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の進歩と独裁化 科学技術の進歩＝社会水準の向上 科学技術の進歩＝技術の高度化・複雑化 「製造者」と「利用者」の分離 製造者の「特権」： 原材料の入手（原油、電子部品、・・・） 工場・製造装置 販売チャンネル 利用者の「意識」 「ものは買う物」 大量生産・大量消費の時代が長く続いた
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化へ 技術を、市民の手に「取り戻す」流れ 大量生産→ロングテールへ 「技術の民主化」を可能にする技術革新 実はルネッサンス時代への回帰でもある
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの （以前）プロのみ 音楽、映画、・・・ 我々は「消費者」 （現在）アマチュアでもコンテンツを 作ることができる DTM, Vocaloid, … YouTube, … 我々は「制作者」にもなれる （可能性・裾野が広がった） 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)
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの プログラミング （以前）PCもプログラミングツールも高価 「遊び」から始められない （現在）PCもプログラミングツールも安価orタダ 「遊び」などから始められる ＝敷居の低下＝裾野の広がり
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの 裾野が広がる＝イノベータの多様化 「アツい思い」を具現化する 道具がある 多様性＝イノベーションの土壌 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) (L.Fleming, Harvard Business Review, 8(9), pp.22-24 (2004))
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術が「道具」になるとは 技術が「道具」になるステップ 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 道具としてのマイコンボード 文具のように、いつのまにかなくなるので 常時ストック、という感覚
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Makerの道具」としてのArduino Arduino←→それまでのマイコンボード USBケーブルのみでPC接続（給電・通信・書き込み） DTRリセット（PCからリセットをかける） メスソケット（ジャンパ線を挿せる） ArduinoIDE（ソフトウエアはこれで完結。ライブラリと サンプルも） いずれも「なんだ、そんなことか」と思えること しかし、それで「世の中が変わった」
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化の結果：深圳の華強北 38 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
2021/7/28 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
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 最後の砦：半導体 ラスボス
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体は「道具」になっているか？ 「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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体チップは「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）
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Moore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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ これまでに・・・ 「懲りずに再度、LED点滅用のLSIを つくってLチカをやってみた」 Inkscape設計、クリーンルームで製造、 センサ 「また懲りずに再度、LED点滅用の LSIをつくってLチカをやってみた 」 555互換（デジアナ混載） 「またまた懲りずに再度、LED点滅用 のLSIをつくってLチカをやってみた 」 Cortex-M0（HDLから設計）
2021/7/28 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
2021/7/28 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
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体を「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？
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ MakerでオレLSIをつくってみたい 情報収集・整理 仲間さがし 有志でつくってみる？ 製造方法もいくつか フェニテック0.6umなど http://j.mp/make_lsi
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ・・・と思っていたら NDA不要・オープンソースなチップ設計環境 やや議論が発散気味な印象だが、猛スピードで整備中 予定では11月に相乗り試作 「なんてNDAなしでできたんですかね？」 →「だって130nmなんて枯れた技術だし、 隠すより、エコシステム作ったほうがいいじゃん？」
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Non-commercial EDA Tools 結構ある（オープンソースも多い） Layout Tool: Glade, K-Layout Schematic Entry: KiCAD, Xscheme, … Circuit Simulator: LTspice / Spice3 / ngspice, … Synthesize/P&R: Alliance, Qflow, OpenLANE *Open Source Softwares
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 5番目のLチカのお題：RISC-V Open SourceなRISC命令セット 用途に応じて、実装する命令が階層化 乗算器、浮動小数点、暗号化、・・・ 回路の小規模下、省電力化に 適している ARMと並んで組み込み用途、 特に中国で採用例が急増中 52 https://riscv.org/specifications/
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ RISC-Vコアの入手 poyo-v 命令セット：RV32I ３段パイプライン VerilogHDLソース MITライセンス https://github.com/ourfool/poyo-v
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ペリフェラルの準備 RISC-V ROM GPIO Lチカのプログラムを 入れておく poyo-v チップ （CMOS0.6um） メモリマップ 0x00000000：プログラム 0x00001000：GPIO
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ プログラムの記述→命令ROM 0000 lui x1,0x0 0004 addi x1,x1,0x0ff ; x1=255 0008 lui x3,0x00001 ; GPIO base address 000c li x4,1 / ori x0,x4,1 0010 sw x4,0(x3) ; GPIO=1 0014 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0018 addi x2,x2,1 ; = x2++ 001c bgeu x1,x2,00018 0020 sw x0,0(x3) ; GPIO=0 0024 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0028 addi x2,x2,1 ; x2++ 002c bgeu x1,x2,00028 0030 j 00010 アセンブラをハードコーディング →機械語へ （確認用にgcc/gasも使用） module imem( input wire clk, input wire [5:0] addr, output reg [31:0] rd_data ); wire [3:0] iaddr = addr[5:2]; always @(posedge clk) begin case (iaddr) // blink program 16'h0000 : rd_data <= 32'h000000b7; // lui x1,0x0 16'h0001 : rd_data <= 32'h0ff08093; // addi x1,x1,0x0ff / x1=255 16'h0002 : rd_data <= 32'h000011b7; // lui x3,0x00001 / GPIO base address 16'h0003 : rd_data <= 32'h00106213; // li x4,1 / ori x0,x4,1 16'h0004 : rd_data <= 32'h0041a023; // sw x4,0(x3) ; GPIO=1 16'h0005 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h0006 : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 = x2++ 16'h0007 : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00018 16'h0008 : rd_data <= 32'h0001a023; // sw x0,0(x3) ; GPIO=0 16'h0009 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h000a : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 ; x2++ 16'h000b : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00028 16'h000c : rd_data <= 32'hfe1ff06f; // j 00010 endcase end endmodule VerilogHDLで命令ROMを記述
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ RISC-Vコア(poyo-v)の修正 そのままでは予定していたチップに入らない （CMOS 0.6um 3M / 1.8mm角） poyo-vでコアで使わない機能を削減 レジスタ数：３２個→５個 レジスタ幅：３２bit→2bit 命令デコーダ：使用する命令のみに
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ チップ製造への流れ 0000 lui x1,0x0 0004 addi x1,x1,0x0ff ; x1=255 0008 lui x3,0x00001 ; GPIO base address 000c li x4,1 / ori x0,x4,1 0010 sw x4,0(x3) ; GPIO=1 0014 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0018 addi x2,x2,1 ; = x2++ 001c bgeu x1,x2,00018 0020 sw x0,0(x3) ; GPIO=0 0024 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0028 addi x2,x2,1 ; x2++ 002c bgeu x1,x2,00028 0030 j 00010 VerilogHDL CMOS 0.6um 3Al 1.8mm(sq) Core=1490um x 1240um Qflow（論理合成・配置配線） osu050 （NDAフリースタセル：一部修正） module imem( input wire clk, input wire [5:0] addr, output reg [31:0] rd_data ); wire [3:0] iaddr = addr[5:2]; always @(posedge clk) begin case (iaddr) // blink program 16'h0000 : rd_data <= 32'h000000b7; // lui x1,0x0 16'h0001 : rd_data <= 32'h0ff08093; // addi x1,x1,0x0ff / x1=255 16'h0002 : rd_data <= 32'h000011b7; // lui x3,0x00001 / GPIO base address 16'h0003 : rd_data <= 32'h00106213; // li x4,1 / ori x0,x4,1 16'h0004 : rd_data <= 32'h0041a023; // sw x4,0(x3) ; GPIO=1 16'h0005 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h0006 : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 = x2++ 16'h0007 : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00018 16'h0008 : rd_data <= 32'h0001a023; // sw x0,0(x3) ; GPIO=0 16'h0009 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h000a : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 ; x2++ 16'h000b : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00028 16'h000c : rd_data <= 32'hfe1ff06f; // j 00010 endcase end endmodule poyo-v + GPIO レイアウトデータ（GDS） フェニテック社の シャトル製造 （約20万円/10chip）
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ボンディング→配線 クロック源の”555”(約10Hz) （同一チップの余白に集積） MakerFaireTokyo2020の１週間前に到着 →ボンディングして、ブレッドボードで マニュアルボンダーで ボンディング（Al線）
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 動作結果 一応、LEDは点滅している（約2Hz） ただ、ちょっと動作があやしい 周期が不規則にばらつく D-FFのセットアップ／ホールドタイムが足りない？ ←製造プロセスとは別の論理セルライブラリを使用 ＝遅延モデルが設計と実際で異なる？ https://www.youtube.com/watch?v=kV9WkaiM1Ik https://www.nicovideo.jp/watch/sm38762993 「相変わらず懲りずに再度、LED点滅用の LSIをつくってLチカをやってみた 」
2021/7/28 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ まとめ ムーアの法則とコンピュータの歴史 高性能化 用途の拡大：その意義 「技術の民主化」という考え方 技術が「道具」になるステップ 半導体の民主化：そのステップ 現状の整理 MakeLSI:他、世界的な流れになりつつある

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道具としての半導体設計：Lチカを題材として

  • 1.
    Interface Device Laboratory,Kanazawa University http://ifdl.jp/ 道具としての半導体設計 ：Lチカを題材として 秋田純一（金沢大学）
  • 2.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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  好きなプロセスはCMOS 0.35μm  ＋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.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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.
    Interface Device Laboratory,Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「ムーアの法則」について改めて
  • 5.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 6.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体（集積回路）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 インテルの創業者（の一人）
  • 7.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体の進化の歴史：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.
  • 8.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則のカラクリ：比例縮小 コンピュータの電子回路の最小単位 ＝MOSトランジスタ 電流のON(“1”)／OFF(“0”)を制御するスイッチ 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 p-Si S D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-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. MOSトランジスタの断面構造
  • 9.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 比例縮小の効果 効果：いいことばかり 速度↑（電子の移動＝信号の伝搬距離が短くなる） 消費電力↓（電源電圧が下がる） 集積度（機能）↑（1つの素子が小さい＝同一チップに多数） 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 D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-Si L • 素子面積：1/α2 • 素子密度：α2 • 電流I：1/α （←電圧：1/α） • 容量C：1/α （←C=εS/d, S：1/α2, d：1/α） • 抵抗R:α （←R=ρL/S, S：1/α2, L：1/α） • 回路遅延：1/α （←E:一定, S-D間:1/α） • 消費電力：1/α2 （←V:1/α, I:1/α） • 配線遅延時間CR：1 （変わらない） ※MOSトランジスタを 上から見たところ （素子1個の専有面積） 物理的な詳細
  • 10.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・ 1um 0.8um 0.5um 0.35um 18ヶ月 18ヶ月 18ヶ月 同じ用紙サイズなら文字数2倍 ＝機能2倍
  • 11.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・（その２） 1um 18ヶ月 18ヶ月 0.5um 0.8um 同じ内容なら用紙サイズ1/2 ＝コスト1/2
  • 12.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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」 L=20nm L=5nm 平本・日経新聞「経済教室」(2019/7/18) 日経BP Tech-On! 2009/03/30
  • 13.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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 107MFLOPS 10MIPS 100MIPS 100MIPS 108MIPS 5×1011MFLOPS 106MFLOPS 100MIPS
  • 14.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 15.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ イノベーションのトリクルダウン A. “bunnie” Huan, “Guerilla Production Tactics”より 30倍 3倍 45nmノード 14nmノード
  • 16.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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）
  • 17.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※ウソです 広辞林（第６版）より
  • 18.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 日本工業標準調査会（JISC） JIS規格一覧 ※ウソです
  • 19.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ」のパラダイムシフト MCU #Component=1 $1 Oscillator(555) #Component=4 $1.5 while(1){ a = 1; sleep(1); a = 0; sleep(1); } 可能だが非現実的なLチカ 合理的なLチカ マイコン(MCU)を使って 「Lチカ」しない理由がない コスト、機能性、・・・ コンピュータの使い方がもったいなくなくなった Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例
  • 20.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 21.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則のわかりやすい例 マイコン（ATmega328P/PB）の例 機能：ATmega328P ＜ ATmega328PB（上位互換） 価格：ATmega328P ＞ ATmega328PB（30%安価） 0.6umくらいだと、製造コストはほぼチップ面積 ATmega328P（1.2umルール？） ATmega328PB（0.6umルール？） 詳細：http://ifdl.jp/blog/?p=1197
  • 22.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ （おまけ）炙って見られる どこのご家庭にもある BBQ用バーナー（カセットボンベ式） 3分くらい炙る ※火事・ヤケドに注意 ICチップ（パッケージ入） チップが見えてきた！ 炭化したパッケージを、 ピンセットなどで、崩していく （チップを割らないように注意）
  • 23.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ （おまけ） ネタをTwitterで晒していたら、本になりました
  • 24.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 価格が起こしたパラダイムシフト シリアル制御フルカラーLED“NeoPixel” 電源＋1本のシリアル制御線で複数制御 超安価 (～3円/pcs) 普通のLEDより安い LEDディスプレイなど大量に使われるようになった 制御チップは1umルール程度（かなり安い） Ref:https://news.nicovideo.jp/watch/nw4240213
  • 25.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則の今後 微細化が進みすぎて、素子として動作しない＋ 安定に製造できない 不安要因 製造ばらつき（設計通りの形状にならない） 不純物ばらつき（電気特性が設計通りにならない） トンネル効果（OFFにしたつもりが電子が通り抜ける） ref: https://slideplayer.com/slide/7843454/ Si原子（直径0.2nm） ×50
  • 26.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 最近のCPU（※イメージ） Intel Core i7 (2008) トランジスタ（素子）数～10億個 （設計では、これらを1つも間違いなく組み合わせる） cf: 地球の人口～70億人、中国の人口～13億人
  • 27.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータの中身が見えなくなる https://hardware.srad.jp/story/18/05/25/0450230/ https://security.srad.jp/story/18/05/08/0919252/ http://www.itmedia.co.jp/news/articles/ 1806/15/news079.html 設計が正しいか検証しきれない
  • 28.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ AI/IoT時代の半導体 半導体は重要部品なのは事実 Mooreの法則の延長は望めない 十分すぎる、使いこなしきれない機能がある どう使うか？ 「今ある半導体を使う」という発想の転換 ソフトウエア→ハードウエア→半導体チップ
  • 29.
    Interface Device Laboratory,Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術が「道具」になる意義と イノベーション
  • 30.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の進歩と独裁化 科学技術の進歩＝社会水準の向上 科学技術の進歩＝技術の高度化・複雑化 「製造者」と「利用者」の分離 製造者の「特権」： 原材料の入手（原油、電子部品、・・・） 工場・製造装置 販売チャンネル 利用者の「意識」 「ものは買う物」 大量生産・大量消費の時代が長く続いた
  • 31.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化へ 技術を、市民の手に「取り戻す」流れ 大量生産→ロングテールへ 「技術の民主化」を可能にする技術革新 実はルネッサンス時代への回帰でもある
  • 32.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの （以前）プロのみ 音楽、映画、・・・ 我々は「消費者」 （現在）アマチュアでもコンテンツを 作ることができる DTM, Vocaloid, … YouTube, … 我々は「制作者」にもなれる （可能性・裾野が広がった） 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)
  • 33.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの プログラミング （以前）PCもプログラミングツールも高価 「遊び」から始められない （現在）PCもプログラミングツールも安価orタダ 「遊び」などから始められる ＝敷居の低下＝裾野の広がり
  • 34.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の「民主化」がもたらすもの 裾野が広がる＝イノベータの多様化 「アツい思い」を具現化する 道具がある 多様性＝イノベーションの土壌 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) (L.Fleming, Harvard Business Review, 8(9), pp.22-24 (2004))
  • 35.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術が「道具」になるとは 技術が「道具」になるステップ 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
  • 36.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 道具としてのマイコンボード 文具のように、いつのまにかなくなるので 常時ストック、という感覚
  • 37.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Makerの道具」としてのArduino Arduino←→それまでのマイコンボード USBケーブルのみでPC接続（給電・通信・書き込み） DTRリセット（PCからリセットをかける） メスソケット（ジャンパ線を挿せる） ArduinoIDE（ソフトウエアはこれで完結。ライブラリと サンプルも） いずれも「なんだ、そんなことか」と思えること しかし、それで「世の中が変わった」
  • 38.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 技術の民主化の結果：深圳の華強北 38 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
  • 39.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 40.
    Interface Device Laboratory,Kanazawa University http://ifdl.jp/ 最後の砦：半導体 ラスボス
  • 41.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体は「道具」になっているか？ 「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
  • 42.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体チップは「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）
  • 43.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 44.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Moore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
  • 45.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ これまでに・・・ 「懲りずに再度、LED点滅用のLSIを つくってLチカをやってみた」 Inkscape設計、クリーンルームで製造、 センサ 「また懲りずに再度、LED点滅用の LSIをつくってLチカをやってみた 」 555互換（デジアナ混載） 「またまた懲りずに再度、LED点滅用 のLSIをつくってLチカをやってみた 」 Cortex-M0（HDLから設計）
  • 46.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 47.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, 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
  • 48.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体を「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？
  • 49.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ MakerでオレLSIをつくってみたい 情報収集・整理 仲間さがし 有志でつくってみる？ 製造方法もいくつか フェニテック0.6umなど http://j.mp/make_lsi
  • 50.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ・・・と思っていたら NDA不要・オープンソースなチップ設計環境 やや議論が発散気味な印象だが、猛スピードで整備中 予定では11月に相乗り試作 「なんてNDAなしでできたんですかね？」 →「だって130nmなんて枯れた技術だし、 隠すより、エコシステム作ったほうがいいじゃん？」
  • 51.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Non-commercial EDA Tools 結構ある（オープンソースも多い） Layout Tool: Glade, K-Layout Schematic Entry: KiCAD, Xscheme, … Circuit Simulator: LTspice / Spice3 / ngspice, … Synthesize/P&R: Alliance, Qflow, OpenLANE *Open Source Softwares
  • 52.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 5番目のLチカのお題：RISC-V Open SourceなRISC命令セット 用途に応じて、実装する命令が階層化 乗算器、浮動小数点、暗号化、・・・ 回路の小規模下、省電力化に 適している ARMと並んで組み込み用途、 特に中国で採用例が急増中 52 https://riscv.org/specifications/
  • 53.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ RISC-Vコアの入手 poyo-v 命令セット：RV32I ３段パイプライン VerilogHDLソース MITライセンス https://github.com/ourfool/poyo-v
  • 54.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ペリフェラルの準備 RISC-V ROM GPIO Lチカのプログラムを 入れておく poyo-v チップ （CMOS0.6um） メモリマップ 0x00000000：プログラム 0x00001000：GPIO
  • 55.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ プログラムの記述→命令ROM 0000 lui x1,0x0 0004 addi x1,x1,0x0ff ; x1=255 0008 lui x3,0x00001 ; GPIO base address 000c li x4,1 / ori x0,x4,1 0010 sw x4,0(x3) ; GPIO=1 0014 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0018 addi x2,x2,1 ; = x2++ 001c bgeu x1,x2,00018 0020 sw x0,0(x3) ; GPIO=0 0024 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0028 addi x2,x2,1 ; x2++ 002c bgeu x1,x2,00028 0030 j 00010 アセンブラをハードコーディング →機械語へ （確認用にgcc/gasも使用） module imem( input wire clk, input wire [5:0] addr, output reg [31:0] rd_data ); wire [3:0] iaddr = addr[5:2]; always @(posedge clk) begin case (iaddr) // blink program 16'h0000 : rd_data <= 32'h000000b7; // lui x1,0x0 16'h0001 : rd_data <= 32'h0ff08093; // addi x1,x1,0x0ff / x1=255 16'h0002 : rd_data <= 32'h000011b7; // lui x3,0x00001 / GPIO base address 16'h0003 : rd_data <= 32'h00106213; // li x4,1 / ori x0,x4,1 16'h0004 : rd_data <= 32'h0041a023; // sw x4,0(x3) ; GPIO=1 16'h0005 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h0006 : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 = x2++ 16'h0007 : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00018 16'h0008 : rd_data <= 32'h0001a023; // sw x0,0(x3) ; GPIO=0 16'h0009 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h000a : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 ; x2++ 16'h000b : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00028 16'h000c : rd_data <= 32'hfe1ff06f; // j 00010 endcase end endmodule VerilogHDLで命令ROMを記述
  • 56.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ RISC-Vコア(poyo-v)の修正 そのままでは予定していたチップに入らない （CMOS 0.6um 3M / 1.8mm角） poyo-vでコアで使わない機能を削減 レジスタ数：３２個→５個 レジスタ幅：３２bit→2bit 命令デコーダ：使用する命令のみに
  • 57.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ チップ製造への流れ 0000 lui x1,0x0 0004 addi x1,x1,0x0ff ; x1=255 0008 lui x3,0x00001 ; GPIO base address 000c li x4,1 / ori x0,x4,1 0010 sw x4,0(x3) ; GPIO=1 0014 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0018 addi x2,x2,1 ; = x2++ 001c bgeu x1,x2,00018 0020 sw x0,0(x3) ; GPIO=0 0024 mv x2,x0 ; = addi x2,x0,0 0028 addi x2,x2,1 ; x2++ 002c bgeu x1,x2,00028 0030 j 00010 VerilogHDL CMOS 0.6um 3Al 1.8mm(sq) Core=1490um x 1240um Qflow（論理合成・配置配線） osu050 （NDAフリースタセル：一部修正） module imem( input wire clk, input wire [5:0] addr, output reg [31:0] rd_data ); wire [3:0] iaddr = addr[5:2]; always @(posedge clk) begin case (iaddr) // blink program 16'h0000 : rd_data <= 32'h000000b7; // lui x1,0x0 16'h0001 : rd_data <= 32'h0ff08093; // addi x1,x1,0x0ff / x1=255 16'h0002 : rd_data <= 32'h000011b7; // lui x3,0x00001 / GPIO base address 16'h0003 : rd_data <= 32'h00106213; // li x4,1 / ori x0,x4,1 16'h0004 : rd_data <= 32'h0041a023; // sw x4,0(x3) ; GPIO=1 16'h0005 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h0006 : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 = x2++ 16'h0007 : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00018 16'h0008 : rd_data <= 32'h0001a023; // sw x0,0(x3) ; GPIO=0 16'h0009 : rd_data <= 32'h00000113; // mv x2,x0 = addi x2,x0,0 16'h000a : rd_data <= 32'h00110113; // addi x2,x2,1 ; x2++ 16'h000b : rd_data <= 32'hfe20fee3; // bgeu x1,x2,00028 16'h000c : rd_data <= 32'hfe1ff06f; // j 00010 endcase end endmodule poyo-v + GPIO レイアウトデータ（GDS） フェニテック社の シャトル製造 （約20万円/10chip）
  • 58.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ボンディング→配線 クロック源の”555”(約10Hz) （同一チップの余白に集積） MakerFaireTokyo2020の１週間前に到着 →ボンディングして、ブレッドボードで マニュアルボンダーで ボンディング（Al線）
  • 59.
    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 動作結果 一応、LEDは点滅している（約2Hz） ただ、ちょっと動作があやしい 周期が不規則にばらつく D-FFのセットアップ／ホールドタイムが足りない？ ←製造プロセスとは別の論理セルライブラリを使用 ＝遅延モデルが設計と実際で異なる？ https://www.youtube.com/watch?v=kV9WkaiM1Ik https://www.nicovideo.jp/watch/sm38762993 「相変わらず懲りずに再度、LED点滅用の LSIをつくってLチカをやってみた 」
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    2021/7/28 Interface DeviceLaboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ まとめ ムーアの法則とコンピュータの歴史 高性能化 用途の拡大：その意義 「技術の民主化」という考え方 技術が「道具」になるステップ 半導体の民主化：そのステップ 現状の整理 MakeLSI:他、世界的な流れになりつつある