Cortex-M0プロセッサから自作してLチカをやってみた

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Cortex-M0プロセッサから自作して
Lチカをやってみた
秋田純一（金沢大）
@akita11

2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
自己紹介
 本業：（機能つき）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
 副業：はんだ付け
 小４から大須（名古屋の秋葉原）通い
 好きなはんだはPb:Sn=60:40
 「集積回路を作って使う」研究
 ※意外と、こういうバックグラウンドの
LSI／回路研究者は少ない？

自己紹介（おまけ）
mbedでLチカしてみると気づく、
「ちゃんとした回路の計算」の意義

自己紹介（おまけ：２）
http://deviceplus.jp/people/eagle-eye/

LSI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
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
[1] G.E.Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," IEEE Solid-State Circuit Newsletter, Vol.11, No.5, pp.33-35, 1965.

ムーアの法則とコンピュータの歴史
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
20000MIPS
10MIPS
100MIPS
20MIPS
20000MIPS
109MFLOPS

コンピュータ：「CPU」から「原子」に
Atmel ATtinyシリーズ
（ふりかけマイコン）
出典：ARM
Ubiquitous→IoT /IoE / CPS / M2M
IoT = Internet of Things
IoE = Internet of Everything
CPS = Cyber Physical System
M2M = Machine to Machine

「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）
「集積回路の低価格化」が起こした
「コンピュータ＝部品」へのパラダイムシフト
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・・・

※ウソです
広辞林（第６版）より

日本工業標準調査会（JISC）
JIS規格一覧
※ウソです

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」
TATが長い（＝チップが届くころには忘れている）
作れない→経験できない→学べない
11

LSIは「道具」になっているか？：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)

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

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
例：IoT時代のTrillion Sensor←経済的な方策（設置・運用）は？
例：エナジーハーベストで動く永久センサノード←いずれ故障する
※半導体業界の人気がないのは、
半導体業界の苦境、は原因ではないと思う

「カスタムIC」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
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LSIを道具にするために: MakeLSI:
情報収集・整理
フリーCADなど（けっこうある）
VDEC非依存の環境で
仲間さがし
参加条件：特になし（アツい心）
けっこういる（100名程度）
プロ・経験者〜SWエンジニア〜主婦
http://ifdl.jp/make_lsi
Wgex（浅田先生作）

MakeLSI: まずはやってみた
2015年7月～8月＆2016年7月～8月
参加：
2015年：8人・9種類@2チップ（高専生～ギーク～元プロ）
2016年：11人・13種類＠2チップ（高専生～プロ～主婦）
IP蓄積が異様に速い（オープンソース／Github）
Linuxのような、オープンソース＆分散型IP開発の可能性？

「道具」としてのLSIを持つこと
ふつうの情報工学の研究・・・「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

「DIYマイコン」はどうか？
ARM Cortex-M0 DesignStartプログラム
誰でも申請OK、評価目的でCortex-M0のHDLソース

「自作Cortex-M0でLチカ」：概要
0: 23a0 movs r3, #160 ; 0xa0
2: 05db lsls r3, r3, #23
4: 4c0b ldr r4, [pc, #44]
6: 4f0c ldr r7, [pc, #48]
8: 2201 movs r2, #1
a: 601a str r2, [r3, #0]
c: 2500 movs r5, #0
e: 6025 str r5, [r4, #0]
10: 2600 movs r6, #0
12: 3601 adds r6, #1
14: 42be cmp r6, r7
16: d1fc bne.n 12 <main+0x12>
18: 3501 adds r5, #1
1a: 2dff cmp r5, #255 ; 0xff
1c: d1f7 bne.n e <main+0xe>
1e: 2200 movs r2, #0
20: 601a str r2, [r3, #0]
22: 25ff movs r5, #255 ; 0xff
24: 2600 movs r6, #0
26: 3601 adds r6, #1
28: 42be cmp r6, r7
2a: d1fc bne.n 26 <main+0x26>
2c: 3d01 subs r5, #1
2e: 2d00 cmp r5, #0
30: d1f8 bne.n 24 <main+0x24>
32: e7e9 b.n 8 <main+0x8>
34: 50000004
38: 0000270f
#define GPIO 0x50000000
#define PWMDUTY 0x50000001
#define WAIT 10000 // 3,000,000=0.3s / 256 -> 10,000
void main()
{
volatile unsigned int w;
volatile unsigned int d;
while(1){
*(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0001;
for (d = 0; d < 256; d++){
*(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d;
for (w = 0; w < WAIT; w++);
}
*(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0000;
for (d = 255; d >= 0; d--){
*(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d;
for (w = 0; w < WAIT; w++);
}
}
}
arm-gcc/gas
VerilogHDL
module imem(clk, addr, data2);
input clk;
input [31:0] addr;
output [31:0] data2;
reg [31:0] data, data2;
// 0x00000000 - 0x1fffffff : code (0x00000000-0x000000c0: int.vec.)
// code memory: little-endian (LSB=1st byte / MSB=2nd byte)
wire [31:0] addr2;
assign addr2 = {addr[31:2], 2'b00};
always @(addr2) begin
case (addr2)
32'h00000000 : data <= 32'h0020000; // insital SP
32'h00000004 : data <= 32'h0000101; // reset (bit[0]=T)
32'h00000100 : data <= {16'h05db,16'h23a0};
32'h00000104 : data <= {16'h4f0d,16'h4c0c};
32'h00000108 : data <= {16'h601a,16'h2201};
32'h0000010c : data <= {16'h6025,16'h2500};
32'h00000110 : data <= {16'h3601,16'h2600};
32'h00000114 : data <= {16'hd1fc,16'h42be};
32'h00000118 : data <= {16'h2dff,16'h3501};
32'h0000011c : data <= {16'h2200,16'hd1f7};
32'h00000120 : data <= {16'h25ff,16'h601a};
32'h00000124 : data <= {16'h2600,16'h6025};
32'h00000128 : data <= {16'h42be,16'h3601};
32'h0000012c : data <= {16'h3d01,16'hd1fc};
32'h00000130 : data <= {16'hd1f7,16'h2d00};
32'h00000134 : data <= {16'h0000,16'he7e8};
32'h00000138 : data <= 32'h50000004;
32'h0000013c : data <= 32'd1999;
default: data <= 32'h0;
endcase
end
always @(posedge clk) begin
data2 <= data;
end
endmodule
「Lチカ」＆「Lほわ」
Thumb命令

「自作Cortex-M0でLチカ」：メモリマップ

「Lチカ専用Cortex-M0」：設計してみた
CMOS 0.18um 5Al
0.55mm x 0.65mm
※このチップの設計は、東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、
日本ケイデンス株式会社、シノプシス株式会社研究センターの協力で行われたものです。
※このチップの設計で使用したライブラリは、京都大学情報学研究科田丸・小野寺研究室の
成果によるもので、京都工芸繊維大学小林和淑教授によりリリースされたものです。
※このチップの試作は、東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、
ローム(株)および凸版印刷(株)の協力で行われたものです。
Synopsys
Design Compiler
& IC Compiler

「Lチカ専用Cortex-M0」：製造してみた
※基板はスイッチサイエンスPCBで製造
※クロック周波数＝10MHz

「Lチカ専用Cortex-M0」：動作させてみた
詳細はこちら→https://www.youtube.com/watch?v=Ptb5kcw3QtY / niconico: sm30093578

DIYマイコン：どう作る？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
一部装置は既に販売開始
CMOS製造装置群＆製造サービスはあと数年？
基板界での「P板.com」や「スイッチサイエンスPCB」に
似た位置づけ
http://unit.aist.go.jp/neri/mini-sys/fabsystem/minimalfab.html

1um？0.5in？いえいえ、けっこう使えます
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）
※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

Cortex-M0 DSの可能性：SWとHWの継続
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〜生物学・医学
化学〜生物学・医学の学問体系
脳・知能
生物（多細胞生物）
細胞
タンパク質・DNA
分子・原子
SWとHWが分断すると・・・？
「ガン化するトランジスタ」：確率的に’0’にならない
論理回路（量子効果）
SWからは「ガン」にしか見えない？（対処療法）
超えられない壁？

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