マテリアルとデバイスとマイコン

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
マテリアルとデバイスとマイ
コン
秋田純一（金沢大）

2013/7/3 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Contents
マテリアルとデバイス
マテリアル→デバイス
デバイス→マテリアル
マテリアルとしての半導体・マイコン
「ムーアの法則」と半導体・マイコン
半導体・マイコンの行く末
マテリアル化するマイコン
何が必要か？
どうやって作るか？

自己紹介
名古屋市生まれ(‘70)
美馬夫妻と出会う（数理の翼セミナー・’87）
寺沢氏と出会う（数理の翼セミナー・’93）
はこだて未来大計画策定委員（‘95〜’00）
博士号：イメージセンサ(東大 ‘98)
金沢大(’98～’00)
公立はこだて未来大(’00～’04)
金沢大(’04～)

最近の研究テーマ

研究スタンス
コンピュータと実世界の接点（インタ
フェース）
人間－コンピュータ
人間－人間
コンピュータ－コンピュータ
具現化手段
集積回路（既存のLSIで実現不可能ならば）
マイコン
ユーザ（人間）の知覚や感覚の特性も重
視
interface Device

未来大策定委員のころの資料

未来大時代をふりかえって
いろいろ首をつっこんでいました
17Project(‘01)
「下請け」的な関与も多くありました
そんな中から、自分の立ち位置を明確にでき
た
過程でした2001年度学内特別研究費申請分（一部）
• 混成環境における実ロボットサッカーチームの学習過程
• 研究教育用LSI設計・評価環境の整備と試作
• 盲人用歩行補助装置の開発
• 集積回路動作の可視化に関する研究
• 「色相環」を基点とした色彩調和システムの構築に関する研究
• 人間サポート型制御の提案とロボットとの共同作業による荷物搬送への応用
• エンターテイメントロボットのプロトタイプ制作
• 定点気象観測網システムの函館地域展開実験(Ecopic Project)
• オブジェクト指向ポインタに関する研究
• 人とロボットとの協調形態についての調査
• 芝刈りロボット

未来大時代の無茶振り
測定点、と
りあえず100
箇所おいて
みましょう
計測点はとり
あえず10000
個？
無理なら1000
個とか？
コンピュー
タなんて、
使い捨てで
いいんです
よ
10万点く
らいあれ
ば、なん
となく見
えてきま
すよ

未来大でのカルチャーショック
モノの数のオーダーが数桁違う
「どうやって作るの？」から考えてビビって
しまう
「マイコン1個のボードを作る・仕込む手
間」
←→「機器はすでにある（しかも陳腐化）」
「マイコン・リッチ」という表現
（1つの機器内で複数マイコンで分散制御）
「情報」のとらえかたが違う
「１＋１＝２」←→「１＋１≒２ぐらい」
「測定点を多くとると、輪郭がぼんやり見え
てくる」という見方、とらえ方

マテリアルとデバイス
「マテリアルとデバイスの違いは何
か？」
（恩師の酒飲み話）
マテリアル：半分にしたら機能が半分
（おもり、など）
デバイス：半分にしたら機能がなくなる
（コンピュータ、など）
「コンピュータをマテリアル化するには？」
みたいな話だったような・・・

マテリアルとしての半導体・マイ
コン
「ムーアの法則」と半導体・マイコン
半導体・マイコンの行く末

ムーアの法則
加工寸法が3年で1/2になる（べき）
http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm
（日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事）

ムーアの法則のもたらしたもの
「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
重要な前提
「ユーザの機能飢餓」の存在
（潜在的に高機能な製品が求められている状
況）
ムーアの法則はユーザの機能飢餓を満たしてき
た
・・・当たり前と考えられてこなかったか？

実例：4MbDRAMの立ち上がり
 1Mb→４Mbの交代は
ビット単価では説明できない
 不景気説は×
 DRAM大口ユーザのPCのOS
(Win3.1→Win95)の世代交代？（直野「転換期の半導体・液晶産業」(日経BP,1996)）

実例：テレビ
市場動向をどうとらえるか？
公共事業で「市場を作る」ことは得策か？
（オリンピック、エコポイント、・・・）
学生にテレビを持っているか聞くと１０％程
度
PC（動画）と競合すべき？（時間の使い方と
して）
http://www.garbagenews.net/archives/1935926.html http://www.nissay.co.jp/enjoy/keizai/32.html

ムーアの法則と「マイコン」
ムーアの法則→コストダウン
技術的には：枯れた技術の固まり
RISC, Flashメモリ, ...
ハーバード
アーキテクチャ, ...
使い方的には・・・？
「コンピュータ」が安く小さくなることの意
義
単なる「ダウンサイジング」ではない
パラダイムの転換（の可能性）
（Atmel ATtiny10データシートより）（日立／Renesas H8/3048F）

「マイコン」によるパラダイムシ
フト
例：「LED点滅回路」
Ra
Rｂ
C
NE555
８４
３
５
７
２
６
while(1){
a = 1;
sleep(1);
a = 0;
sleep(1);
}
古典的な方法：発振回路
ソフトウエア的な方法
（可能だが非現実的）

「LED点滅」をマイコンでやると？
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
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

「マイコン」のパラダイムシフト
「コンピュータ」が小さく安くなった
「だけ」
システム構成の概念を変える可能性
・・・ここまでの質的な変化が
実質になるためには？
設計者が意図できるか？（シーズ側）
ユーザが理解しているか？（ニーズ側）

「マイコン」における料理人
「マイコン」の「調理例」を示す「料理
人」
雑誌記事、電子工作キット、・・・

新しいパラダイムでの「料理人」の重
要性
2000年頃から店頭に→食べ方？？？
料理番組・雑誌等での調理例→定番キノコ
に

「マイコン」の別の可能性
電子回路→コンピュータの継続性
本来はつながっている知識学問体系
・・・全体を通して理解している人がいる
か？

似た現象？：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
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
超えられない壁？

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

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→量子効果等による動作の不確実性↑
現状では、製造技術や設計技術で、なんとか抑え込
む
・・・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
「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
Blu-ray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」

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

ボトムアップ式電子工作
金沢大３年生の実習（半期）として実施
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

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

半導体・マイコンの行く末
「産業のコメ」としての半導体・マイコ
ンは
どうなっていくべきか？
「日の丸半導体復権」みたいな話は
おいといて・・・

製造業の形態の分類
製造業の形態の分類
（P.F.ドラッカー「現代の経営[上]」(ダイヤモンド社,2006)）
個別生産: 船舶のような一点物の生産
旧型の大量生産: 均一な製品の大量生産
「黒である限り何色の自動車でも手に入る」(H.
フォード)
新型の大量生産: 均一な部品の組み合わせによる
多様な製品の大量生産
プロセス生産: 製品が製造工程に強く依存する生
産(石油精製など)

製造業における半導体
「旧型の大量生産」
同じ製品を大量につくる
汎用Tr・汎用ロジック・汎用アナログ・メモ
リ・・・
「新型の大量生産」
「均一な部品＝汎用半導体」の
組み合わせ
半導体の位置づけ
それ自体が「旧型の大量生産」の対象
「新型の大量生産」による
「電子情報機器」生産のための部品・素材

「新型の大量生産」における部品
部品の規格化による高い効率化
黎明期の半導体における「セカンドソー
ス」
「真の汎用品」
741、555、74シリーズ、・・・
主に供給安定化が目的
電子情報機器の設計・製造に
与えたメリットは、はかりしれない
(Wikipediaより)

「真の汎用半導体」の転換
半導体性能↑と電子情報機器の性能↑
部品である半導体製品への性能要求↑
「真の汎用品」の意義の薄れ
汎用品＝性能もそれなり
特定用途では性能が不足
半導体製品が用途ごとに多様化
＝半導体産業の本質の転換
大量尐品種→尐量多品種

ムーアの法則のもたらすもの
半導体性能↑＆電子情報機器の性能↑
→半導体製品の尐量多品種化→SoC※
半導体固有の事情：イニシャルコスト↑↑↑
一企業の身の丈にあった投資額を超えている
大量生産しないと回収できない
＝ヒット製品への強い依存
例：iPhoneに搭載されると
業績回復
産業構造として健全か？
（朝日新聞2009/06/03）（朝日新聞2013/02/06）
※SoC : System-on-Chip。システム構成要素をワンチップ化したLSI。システムLSI。

半導体の用途の開拓（１）
「集積回路向き」の応用分野の開拓
社会的要請
実現のため必要微細加工されたSoCが必要
十分な出荷数を期待できる
スマート家電、スマートグリッド、ロボットビ
ジョン・・・
 ※ユーザの機能飢餓を無視した「余計なお世話」?「市場創出」?
（TV?3D?4K?LTE?）
（経済産業省低炭素電力供給システム報告書より）

半導体の用途の開拓（２）
「枯れた技術の集積」マイコンのような実例
は？
十分枯れた製造技術
回路構成やアーキテクチャも学術的興味は薄い
ムーアの法則がもつ「低価格化」が産業構造、
世の中そのものを変える可能性
十分に減価償却が済んだ製造装置だから可能な
コストも含めて実現可能なアプリケーション
「人類の幸福に貢献する」という産業の
本来の目的には適うのではないか？

MAKERSムーブメントと半導体・マイコ
ン
C.アンダーソン
「MAKERS」
(NHK出版,2012)
三木・宇都宮
「マイクロモノづく
り
を始めよう」
(テンブックス,2013)

MAKERSの背景：フィジカルコンピューティ
ング
PC内にとどまらず、
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
センサ・アクチュエータの接続・情報処理が容
易
「たいしたことないもの」に見える
マイコンボードの民主化
ArduinoUno

フィジカルコンピューティングを支えるコミュニ
ティ
ハードウエアのOpen Source化
(OSHW: Open Source Hardware)
改良・派生を促す
共通ベースを使って、ユーザごとの付加価値
（「作りたいもの」を素早く具現化する道
具）
Arduino用シールド（拡張ボード）の例

OSHWコミュニティで大事なこと
は・・？
情報共有コミュニティ
リアル／ネット経由のアクセス
「生き字引」の活用
「言語」となる共通ハードウエア
ユーザの「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。

金沢大・秋田研の実践例
マイコンブ
（研究室内サークル）
マイコンペ（コンペ）
→各種イベントで展示
ノウハウ共有
いずれも学生の発案
http://combu.ifdl.jp/

半導体メーカの取り組み（例）
「がじぇっとるねさす」（がじぇるね）
GR-SAKURA
ボードの完成度は○、性能も○
サポートコミュニティの運用が課題か？
バグ放置＆ユーザとの非対等な関係など
「メーカvsユーザ」から「メーカがユーザを取り
込む」へ
ビジネスモデル・マインドの転換が必要か？（感
想）

MAKERSムーブメント
「21世紀の産業革命」とも呼ばれる
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）
「IT産業革命」は限定的→本命はatom産業
ものづくりの「ロングテール」を支える技術革新
3Dプリンタ等によるプロトタイピング
クラウド・ファンディング（市場調査・資金調達）
サプライチェーン活用による
量産手段の民主化
「モノへの愛着」の重要性
（熱心なファン）
C.アンダーソン
「MAKERS」
(NHK出版,2012)
三木・宇都宮
「マイクロモノづく
り
を始めよう」
(テンブックス,2013)

SFの中のMAKERS？
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
・・・・？？？野尻「南極点のピアピア動
画」
(早川書房 , 2012)

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）
＝潜在的な生産者・技術の存在
皆で力をあわせると、すごいことができる
＝潜在的な共同起業の可能性
現在は、皆が「趣味」の範囲でやっている
もしかしたら産業になる・・・？

メイカー企業
小規模製造業
数万個ロット
高い技術力
熱心なユーザ・ファン
価格勝負でないユニークな製品
「製造業におけるロングテールの具現化」
均一・大量生産製品：
平均満足度は高いが、満足度maxではない
http://www.bsize.com/

製品の種類とメイカー企業
すべての製品が「メイカー企業向き」で
はない
例：ノート・鉛筆
十分にコモディティ（均質）化した製品
ユーザの多様な嗜好を反映させる余地は皆無
→価格競争（レッドオーシャン化）
現状の情報通信機器・白物家電の多くも
大ヒット製品（バクチ）ではない製造業
へ
※区別つきますか？

半導体産業に求められるもの
（１）
ミニマルファブ
尐量多品種向きの半導体製品生産の方法
「半導体の製造方法の民主化」により
情報通信産業構造の質的な変化の可能性
http://unit.aist.go.jp/neri/mini-sys/fabsystem/minimalfab.html

半導体産業に求められるもの
（２）
「部品」になりきる？
「新型の大量生産」
「均一な部品＝汎用半導体」の組み合わせ
部品の規格化・汎用化
＝大きなメリット＆MAKERS的な新しい世界

半導体の汎用品化アプローチ
（１）
再構成可能論理
FPGA
PA3 (Renesas): SRAMベース
PSoC (Cypress)
（回路的に）均一な部品
・多様な製品
専用品よりは性能が务るが、
基本性能が高いので、
多くの用途では十分
ムーアの法則の恩恵
富豪的アプローチ
Y.Kawamura, Proc. of IEEE A-SSCC,
pp.388-391 (2007)
Cypress PSoCシリーズの概念図

半導体の汎用品化アプローチ
（２）
汎用LSIチップを
用途にあわせてパッケージ化
MCM (Multi Chip Module)
SiP (System In Package)
SoCよりは性能が低い
ムーアの法則の恩恵
富豪的アプローチ
http://developer.axis.com/old/products/mcm/
http://www.renesas.com/products/package/what/index.jsp

半導体製品のレッドオーシャン
化？
 半導体のASSP化＝コモディティ化＝レッドオーシャン化
 インフラとしては成り立つはず
 （例）鉛筆産業：世の中での必要性からの需給バランス＆淘汰の結
果、健全な産業として存在
 半導体産業も「産業のコメ」として不可欠なのは事実
 「最先端の微細加工」が手段でなく目的化していないか？
例：Flashメモリの価格・性能は微細化でメリットがあるのか？
ユーザ（機器メーカ）からは
「加工寸法」はみえない（製品も多い）
価格、容量、速度、安定供給・・・
 研究としては興味が薄いかもしれない
 安定供給・ユーザの質的変化による
イノベーションも使命（マイコンの例）
※何nmプロセス？

マテリアル化するマイコン
NXP LPC1102
(Coretex-M0/50MHz)
Atmel ATtiny10(8MHz)
マイコンの「粒」は小さくなってきた＆コストも安い→原子へ

マイコンのマテリアル化：何が必要
か？
マイコン間の
通信・給電
位置関係（結合）
位置センシング
位置制御
豆大福的な構成
豆＝原子＝マイコ
ン
大福＝媒質／結合
（戸田先生とのメモ：2013/6）

マイコンのマテリアル化：どうやって作るか？
（１）
媒質を通した通信・給電
（例）導電性粘土＝形状保持＋電気経路
給電もがんばればできる？
通信もなんとかなるだろう
(山岡・筧, NeonDough, インタラクション2012予稿集)

マイコンのマテリアル化：どうやって作るか？
（２）
位置センシング
アトム間距離：電波強度(RSSI)／粘土抵抗
（誤差あり）
「基地局なし・ノード間情報共有・多点での
相対位置推定」という問題
なんとか解けそう
位置制御
バネ＋サーボ、人工筋肉等で
制御できそう島村「センサの相対位置推定のための
最適化手法」千葉大修論(2013.3)

まとめ
半導体産業と「ムーアの法則」と
「マイコン」私観
製造業の部品としての半導体・マイコン
マテリアル化するマイコン
何が必要か？→給電・通信・位置計測・位置
制御
豆大福的なシステム？

マテリアルとデバイスとマイコン

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