電子工作からエレクトロニクスへ：
いま時代の研究開発の役割
Guerrila Prototyping: From Hobby To
Industry in Electronics
秋田純一（金沢大学）

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

Contents
はじめにMooreの法則を改めて
電子工作からエレクトロニクスへ
研究からエレクトロニクスへ
Makeのラスボス：半導体

2019/3/17

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

電子回路とエレクトロニクス？
身の回りのものは、ほとんど電子回路で動いている。
情報／IT社会だからこそ、電子回路の勉強は大事！
プログラミングなんて軟弱。
ハードウエア・電子回路こそ、本当に大事だし、役にたつ。
なんでその大事さがわからないかなあ（嘆）。

そんなこと言われても、コンピュータは使えるしなあ。
プログラミングのほうが楽しいし。
電子回路っても、何ができるかよくわからないんだよなあ。
2019/3/17

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

研究とエレクトロニクス？
Mooreの法則が飽和しつつある時代
「次に何を作るべきか？」いままでは「機能飢餓」＝ただ性能向上でOK
スマホ→AI、IoT、ロボット・・・ニーズは無限＆成長産業
「で、ほしい半導体の仕様は？」（WSTS (World Semiconductor Trade Statistics：世界半導体市場統計)の資料より）
2019/3/17

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

Mooreの法則を改めて※G.Moore （インテルの創業者の一人）

傾き：×約1.5/年
ref: http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm

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.

2019/3/17

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

Mooreの法則のカラクリと効果
 MOSFETを小さく作る（比例縮小） 効果：いいことばかり
 速度↑
 消費電力↓ 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• 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）
2019/3/17

SGDSn-Sin-Si

Gn-Sin-Si
p-Si

p-Si
L

※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）

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

D般若心経だと・・・
18ヶ月
18ヶ月

18ヶ月

1um
0.8um
同じ用紙サイズなら文字数2倍＝機能2倍
2019/3/17

0.5um

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

0.35um

般若心経だと・・・（その２）
18ヶ月

18ヶ月

1um

同じ内容なら用紙サイズ1/2＝コスト1/2
2019/3/17

0.8um

0.5um
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

比例縮小の歴史
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（いま）2019/3/17

ref: 日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事
L=5nm（2020年ごろ予定）
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

Mooreの法則の2つの側面
109MFLOPSDEC VAX(1976)
1MIPS

Cray-1 (1978)
100MIPS

100MIPS

20000MIPS

20000MIPS

20MIPS（世界最初のスーパーコンピュータ）
MIPS：Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数）

10MIPS「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
2019/3/17

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

コンピュータの「使い方」の変化

今どきのコンピュータ

大昔のコンピュータ

一昔前のコンピュータ

国に１台／会社に１台

個人で１台（PC）

一人で何台も身の回りに無数

国・会社のプロジェクト

仕事・勉強の道具

コミュニケーション
・遊びの道具存在に気づかない＞１億円

１０〜１００万円

数万円

〜１００円

コンピュータの利用場面（アプリケーション）が広がった
2019/3/17

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

「Lチカ」のパラダイムシフト
昔のLチカ
発振回路(555)
部品点数＝4
コスト：150円

今どきのLチカ
マイコン使用
部品点数＝１
コスト：100円
while(1){a = 1;sleep(1);a = 0;sleep(1);}※さすがにPCではちょっと・・・

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・仕様変更も容易）
Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例※マイコン=Micro Controller（小さなコンピュータ）
2019/3/17

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

コンピュータが「頭脳」から「部品」に機器の頭脳
関節ごとに小さい脳（神経節）

出典：ARM※基本的には「コンピュータ」だが、小型で安価コンピュータが、システムの「主役」から「構成要素（部品）」になった
2019/3/17

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

電子工作からエレクトロニクスへ
 大企業でなくてもハードを製造販売できるようになった 製造技術が身近になった（電子回路、3Dプリンタ、・・・）
 部品メーカ、設計者、ユーザの「生態系(Ecosystem)」 ソフト＋ハード＋サービスで「世の中変える」
 多様なニーズ、無視できないロングテール（ニッチ） 従来型製造業の補完（置換ではない） クラウド･ファンディング＝市場調査＋資金調達（売ってみないとヒットするかはわからない）全体の４０％

Maker Faire Tokyo 2015
（多数の「作ってみた」）
2019/3/17（C.アンダーソン「ロングテール」,早川書房 (2009)）

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

ShenZhen

HuaQiangBei

IT/ICT業界の現状：深圳の華強北
深圳の生態系

無限に続くパーツ屋「ハードウエアのシリコンバレー」とも基板製造＋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）

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週間で量産される電子工作（ホビー）からエレクトロニクス（産業）がつながった※アマチュアは所詮アマチュアなので、プロのエンジニアの力は必要（むしろ重要になっている）
2019/3/17

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/15

研究からエレクトロニクスへ
研究が「社会実装」されるまで
開発／発明される
プロ（詳しい人）しか使えないお店で買えるようになる
使い方が知られるようになる
アマ（詳しくない人）でも使える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

2019/3/17

マニア（ハイレベルアマチュア）向け

だれでも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・・・

2019/3/17

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/

技術が「道具」になるヒント？
Arduino←→無数のマイコンボードの違いは？
圧倒的な使いやすさ（Lチカまでが早い）
USB接続、DTRリセット、メスソケット

ユーザコミュニティ（主にオンライン）
技術に詳しい人ほど、「使いやすさ」を見逃しがち

ArduinoUno

2019/3/17

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/18

技術が「道具」になるヒント？
知財で保護する？
普及させてしまう？
回路図もぜんぶ公開してしまうリファレンス設計ボードも販売パクられるのと表裏一体
普及してしまえば、むしろお得かも？
GonKai System
by bunnie Huang「ハードウエア・ハッカー」

2019/3/17

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

「道具」としての集積回路
「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
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「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
2019/3/17

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/半導体（LSI）は「道具」か？：調査

CMOS 0.18um 5Al
2.5mm x 2.5mm
RingOSC x 1001
T-FF (Div)（※LSI＝集積回路のこと）

https://www.youtube.com/watch?v=A188CYfuKQ0
http://www.nicovideo.jp/watch/sm23660093
2019/3/17

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？
「集積回路＝すごいことをやるためのもの」という意識
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

2019/3/17

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

ムーア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
「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cf:プリント基板製造（$10～）、Arduino（$10～）
cf: 設計CAD＆コンパイラ（IDE）（Free～）
2019/3/17

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

集積回路を「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？
2019/3/17

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

オレLSIをつくってみたい：実践MakeLSI:プロジェクト
情報収集・整理
探せば、ないことはない仲間さがしエンジニア・プロ～主婦
190人程度

http://j.mp/make_lsi
2019/3/17

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

MakeLSI: －データの蓄積・再利用
GitHub上でデータを共有＝再利用OK
NDA-Free設計ルール= NDA-Free IP
迅速なIP開発
 共通設計環境・プロセス
 多くの参加者による開発
 品質が低い場合もある（バグ、エラー） 品質も参加者により改善される？

Cf. OSS (Open Source Software; Linux, etc.)
 品質はコミュニティメンバにより迅速に改善 コミュニティメンバの開発・改良への熱意 オープンな枠組み（ソースコード、ライセンス）が必要
2019/3/17

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

チップを「つくる」
（イメージ：近い将来）
設計する（GDS形式）
データをupload
チップが届くcf: プリント基板
設計する（gerber形式）
Webからデータをupload
基板が届く2019/3/17

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

1um？0.5in？いえいえ、けっこう使えます※0.18[um]/3Alでの配置配線結果のレイアウトデータ(GDS)を1/0.18=28倍に拡大して作成

1[um]/3Alプロセス・0.5inウエハにCortex-M0コアが4ショットは入る
カスタムなペリフェラル・アナログ・センサ・MEMSの混載も（これが数万円&1週間@1個から）
2019/3/17

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

まとめ
Mooreの法則の「副産物」
電子回路、電子工作、エレクトロニクスがつながってきた
その時代だからこそ、電子回路研究の重要性は高まっている社会実装してこそ、その道具になってこそ2019/3/17

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