道具としての「ハードウエア」

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
道具としての「ハードウエア」
秋田純一（金沢大）

2015/2/6 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
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

私自身の研究のバックグラウンド
 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

「道具」としてのLSIを持つこと
一般的な情報系の研究・・・「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

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

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

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

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

具体例５：身体拡張デバイス
Perception Action
Human’s Intuitive Detection of Environment
Smart Mechanism
Action  Information Change  Perception

具体例６：生体信号計測
導電布アースで低ノイズ化
導電布通信でデータ転送
時分割マトリクス構成で多点計測
（最近取り組もうかな、としている内容）
非接触筋電計測
（腕に巻いたコイルから神経電流計測）
※高SNRを回路で解決？
乳酸・ブドウ糖の光学計測
（疲労・筋活性の計測）
※遠赤外(10um)をテラヘルツ波として検知？

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/

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

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

道具としての「ハードウエア」

ムーアの法則
 LSIの加工寸法が3年で1/2になる（べき）
 微細加工技術が進歩し、コンピュータが高性能化してきた
http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm （日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事）
16
L=20nm（いま） L=5nm（2020年ごろ）

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
17
（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

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

「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・・・

ハードウエアが
「道具」になるとは？
20

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
21
西餅「ハルロック」
（週刊モーニングで連載中）

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

“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)

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？
ArduinoUno
24

「技術の普及」の結果：深圳の華強北
25
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

・・・で、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、・・・）
「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
26

失敗から学ぶ：「手軽に試せる」環境
27
http://www.viscuit.com/column01/column02/
原田康徳氏（NTT CS研）

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

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

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)

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

「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
32

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

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

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
素人で作ってみる？
2015/夏ごろ、北九州Fabで
計画準備中 http://j.mp/make_lsi

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