集積回路が広げる「ものづくり」の世界
秋田純一（金沢大）akita@ifdl.jp, http://akita11.jp/@akita11
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

Contentsコンピュータの歴史と技術的カラクリ
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

2012/11/16

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「コンピュータ」のイメージ？

2012/11/16

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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）
2012/11/16

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コンピュータの基本部品：LSI
コンピュータの進化＝部品LSIの進化
ほとんどあらゆる電子機器・情報機器の中「黒いムカデ」のような形（など）の部品

2012/11/16

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LSIの実体黒いパッケージの中に「シリコンのチップ」が入っている

2012/11/16

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LSIの歴史US Patent No. 2 981 877 (R. Noyce)(1961)
2012/11/16

US Patent No. 2 138 743 (J. Kilby)(1959)

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Mooreの法則

傾き：×約1.5/年

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

2012/11/16

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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/αSGS 結論：いいことばかり n-Si
 速度↑
 消費電力↓ 集積度（機能）↑Dn-Sin-Sip-Si
L

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Dn-Sip-Si

 技術が進むべき方向性が極めて明確なまれなケース

2012/11/16

G

MOSトランジスタの微細化の歴史

設計ルール

微細化するほどメリットがある＝がんばって微細化

年度
年度

2012/11/16

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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

2012/11/16

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微細化によるコスト↓の別の側面

1000MIPS

100MIPSDEC VAX(1976)
1MIPS

Cray-1 (1978)
100MIPS
（世界最初のスーパーコンピュータ）

300MIPS
20MIPS
10MIPS

MIPS：Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数）
2012/11/16

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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、・・・

2012/11/16

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「LEDを点滅させる回路」（１）普通の設計方法：発振回路

Ra４８７

2012/11/16

Rｂ２C６３NE555
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「LEDを点滅させる回路」（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);}2012/11/16

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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
Cost: ～100円程度
Microchip PIC12F629
製造技術は、「非常に」枯れた技術

2012/11/16

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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
2012/11/16

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「LEDを点滅させる回路」（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）
2012/11/16

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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

2012/11/16

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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？

2012/11/16

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「電子工作」というと・・・？
こんな感じ？

2012/11/16

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もうちょっと凝った「電子工作」？
こんな感じ？

2012/11/16

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一方、「コンピュータ」というと・・・?

2012/11/16

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電子工作とコンピュータの「壁」

2012/11/16

超えられない壁？
超えられない壁？
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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」

2012/11/16

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

2012/11/16

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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

2012/11/16

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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、全体を通して理解している人がいるか？

2012/11/16

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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
タンパク質・DNA
分子・原子超えられない壁？

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
2012/11/16

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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

2012/11/16

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「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」？）多種多様な構成要素から成り立つシステム
効率は必ずしもよくないかもしれない
2012/11/16

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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2012/11/16

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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

2012/11/16

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ボトムアップ式電子工作金沢大３年生の実習として実施
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 PSoC)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

2012/11/16

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結果：作品例

タッチ式記憶ゲーム

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2012/11/16

学習式目覚まし時計

作曲機能つきミニゲーム機

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大事なことは・・・？
「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。
2012/11/16

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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

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2012/11/16

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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

2012/11/16

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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

2012/11/16

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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）2012/11/16

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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
2012/11/16

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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
2012/11/16

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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

2012/11/16

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

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・・・・？？？
2012/11/16

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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・・・？

2012/11/16

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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 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 （「大量生産」は、現在の嗜好の多様化の時代にはそぐわない：たぶん）
2012/11/16

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