Makeと半導体の過去と未来

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Makeと半導体の過去と未来
秋田純一
金沢大学

2018/10/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Contents
自己紹介
コンピュータからIoTと集積回路の歴史
IoT時代の「道具」としての集積回路

自己紹介
1970年、名古屋市生まれ
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
「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（副業）
Maker、ハンダテラピスト
小４のころからはんだの煙で育つ
好きな半田はPb:Sn=40:60

コンピュータからIoTと
集積回路の歴史

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

集積回路（ＩＣ）の発明
US Patent No. 2 981 877 (R. Noyce)
(1961)
US Patent No. 2 138 743 (J. Kilby)
(1959)
電子回路を半導体（ケイ素＝シリコン）に作り込んだもの

ＩＣ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
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 （インテルの創業者の一人）
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.

Mooreの法則のカラクリ：スケーリング
集積回路の部品（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/α
結論：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
p-Si
S DG
n-Sin-Si
p-Si
S DG
n-Sin-Si
L

MOSトランジスタの微細化の歴史
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」
ref: 日経BP Tech-On! 2009/03/30の記事
L=20nm（いま）
L=5nm（2020年ごろ予定）

Mooreの法則の終焉？
Mooreの法則の近未来（現在）の不安要因
製造ばらつき（設計通りの形状にならない）
不純物ばらつき（電気特性が設計通りにならない）
トンネル効果（OFFにしたつもりが電子が通り抜ける）
ref: https://slideplayer.com/slide/7843454/
Si原子（直径0.2nm）
×50
＝

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
Mooreの法則の効果：低価格化
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）
while(1){
a = 1;
sleep(1);
a = 0;
sleep(1);
}
※さすがにPCではちょっと・・・
Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例
昔のLチカ
今どきのLチカ
「LED点滅（Lチカ）」のパラダイムシフト

IoT時代の「道具」としての
集積回路

技術が「道具」になるステップ
開発／発明される
お店で買えるようになる
使い方が知られるようになる
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
プロのみマニア（ハイレベルアマチュア）向けだれでも
プロ（詳しい人）しか使えない
アマ（詳しくない人）でも使える

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・・・
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

集積回路は「道具」か？
集積回路が「道具」になった面もある
マイコン、FPGA、SoC、・・・（システム構成要
素としての部品）
集積回路が「道具」でなくなった面もある
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） : Priceless
製造工場〜$1G

集積回路は「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

小ロット・教育場面での集積回路
「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」
「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
スタートアップ企業で「チップを起こす」のは
ふつうは選択肢ではない
起こさなくても、買ってこれば大半のことができるのも事実
IoT時代＝（尖った機能は）少量・多品種
SoCのうち、ソフトウエアで対応できない領域は
不向き（センサ、電源）（SoC＝イニシャル費用が高額）
19

「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
「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
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）
基本、物理法則に沿っていれば「何でもできる」
アナログ回路
超LowPower
カスタムマイコン
超ニッチなニーズ
特殊な電源IC、etc…
22
ref: https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/article/WORD/20090415/168824/

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）
NDAフリーの設計ルール
仲間さがし
参加条件：特になし（アツい心）
けっこういる（150名程度）
プロ・経験者〜SWエンジニア〜主婦
http://ifdl.jp/make_lsi

MakeLSI: まずはやってみた
2015年7月～（１～２回／年）
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？

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

MakeLSI: －チップ製造（近い将来）
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
小ロット・短TAT（製造期間）のＬＳＩ製造
加工寸法：1umくらい
ムーアの法則→非先端プロセスでも十分な性能
設計ルールのNDA→λルールでオープンソース化？
5umルールでも十分（な人も多い）
「P板.com」並に・・・
「ミニマルCAD」も
進行中
あと数年で実用化？
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

LSIが道具になるとは・・・
『３Ｄプリンタは、私たちに「何をつくりたいの
か」を問いかけているのです。』
あなたなら、何を作りますか？
いまのうちから、考えておいても
損はないはず。

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