集積回路工学第2・第13回資料

集積回路工学第２
集積回路工学第２
第１３回：道具になる集積回路
第１３回：道具になる集積回路

秋田純一（金沢大）

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 1

Contents
コンピュータの歴史とスケーリング（復
習）
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

Twitter→#lsi2
01/25/13 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/

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）
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コンピュータの構成要素： LSI
 黒いパッケージの中に
「シリコンのチップ」が入っている

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LSI の歴史

US Patent 　 No. 2 981 877 (R. US Patent 　 No. 2 138 743 (J.
Noyce) Kilby)
(1961) (1959) Twitter→#lsi2

Moore の法則

傾き： × 約 1.5/ 年

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

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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
S G D
 不純物濃度 : α
 電源電圧 : 1/α S G D

 結論：いいことばかり
n-Si n-Si n-Si

p-Si
n-Si

 速度↑ p-Si

 消費電力↓ L

 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
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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

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ref: 日経 BP Tech-On! 2009/03/30 の記事

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

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微細化によるコスト↓の別の側
面

1000MIPS
DEC VAX(1976) 100MIPS
1MIPS

300MIPS
Cray-1 (1978) 20MIPS
100MIPS
（世界最初のスーパーコンピュータ）
10MIPS
※MIPS ： Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数） Twitter→#lsi2

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っ
た
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、・・・
→ 身の回りのあらゆるものに（ユビキタス
化）
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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

Ra ４８
７３

Rｂ２ NE555

C ６
５

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（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);
}

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

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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
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（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）
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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

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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？

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「電子工作」というと・・・？
こんな感じ？

Twitter→#lsi2

もうちょっと凝った「電子工
作」？
こんな感じ？

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一方、「コンピュータ」という
と・・・ ?

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電子工作とコンピュータの
「壁」

超えられない壁？超えられない壁？ Twitter→#lsi2

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」

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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

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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

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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、全体を通して理解超え
超え
ないられ
ないられ
壁？
壁？
している人がいるか？

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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
超えられない壁？
超えられない壁？
タンパク質・ DNA
分子・原子
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 Twitter→#lsi2

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

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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」？）
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多種多様な構成要素から成り立つシステム
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
01/25/13

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

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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
作
工作
工
子
電子
電
＋
ン＋
ン
コ
イコ
イ
マ
マ

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大事なことは・・・？：コミュ
ニティ
「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。
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集積回路とものづくり：最近の
動き
「コミュニティ」に関連する最近の動き
フィジカルコンピューティング
Make:
CGM とニコ動
FabLab

Twitter→#lsi2

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
コミュニティの存在
Twitter→#lsi2

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

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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）

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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
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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
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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

Twitter→#lsi2

未来の「ものづくり」・・・？
例：野尻抱介「南極点のピアピア動画」
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・・・・？？？
( 早川書房・ ISBN:4150310580)
Twitter→#lsi2

要約（ネタバレ）と「示唆」
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・・・？
Twitter→#lsi2

（近）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
Twitter→#lsi2
 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

こんな本も（その１）
（昔）少数のヒット商品
→（今）多数のニッチ商品
クリス・アンダーソン著
ニッチも多数なので ( ハヤカワ新書
・ ISBN9784153200043)

総和は大きい
例：音楽販売では、
25,000 位以下で売上の 40%
「一部のヒット商品」がなくなる
音楽業界：△ 25% （’ 01 〜’ 07 ）
ヒットアルバム：△ 60% （’ 01 〜’ 07 ）
Twitter→#lsi2

「ロングテール」が見直される
背景
嗜好の多様化←メディアの多様化
例：テレビ持ってますか？
昔はテレビ（地上波だけ）しかない
「８時だよ全員集合！」はピーク時平均視聴率
50%
「他に見るものがないから」という要因が大きい
リコメンデーション等の「出会いの手段」の
進歩
在庫コスト：大幅↓（オンライン・スト
ア） Twitter→#lsi2

＝多様な商品が、消費者の選択の対象に
Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
01/25/13

こんな本も（その２）
産業規模の話も
産業全体： 130 兆ドル
IT 産業 (bit 産業 ) ： 20 兆ドル (15%)
残り (85%) ： atom 産業（モノが関わる）
第 1 次産業（農林水産）
第 2 次産業（製造業）
クリス・アンダーソン著
第 3 次産業（小売り・流通・サービス）出版
(NHK
　・

「 IT 産業革命」は限定的→本命は atom 産業 ISBN4140815760)

ものづくりの「ロングテール」を支える技
術革新 Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Twitter→#lsi2
Interface
01/25/13

「ものづくり」における部品
「部品」
ものを構成するのは「部品」
特定用途でない「汎用部品」が多い
ネジ、抵抗、アクリル板
要所には「専用部品」も必要
ケース、プリント基板

Twitter→#lsi2

ロングテールと汎用部品
 汎用部品
 カーボン抵抗、小信号 Tr 、汎用 OPA など
考え方によっては「 PC 」や「 Android タブレット」や
「 TV 」も
（「部品」の考え方は広げられる）
必要とされる性能が低い・“一般的な”性能
コモディティ化（差がない＝コスト競争）
セカンドソース（同等品を複数のメーカが生産する）
定番化→低コスト化＆入手容易化、のサイクル
ロングテールの裾は存在しにくい？
物理的な部品は製造・在庫コストが必要なので、
マイナーな汎用部品は維持が困難
Twitter→#lsi2

ロングテールと専用部品
 専用部品
マイコン、特定用途用 IC 、高性能 OPA など
必要とされる性能が高い・”特殊な”性能
代替できない（製造中止というリスク）
（例： iPhone が製造中止になったら iOS アプリはどうする ? ）
または汎用部品の組み合わせで妥協する（安定供給）
いままで：いずれかの二択
少量多品種（高い製造コスト・機能の柔軟性）
例：一点モノ・カスタム品
大量少品種（高い初期コスト＋量産時は安価：高リスク）
例：ヒットゲームカセットのマスク ROM

Twitter→#lsi2

「ものづくり」と「部品」の質
的向上
 部品の「組み合わせ」
大量生産される汎用部品（入手容易・セカンドソース
あり）
大量生産される専用部品（入手容易・セカンドソース
なし）
「自分でつくる」専用部品（※後述）
 微細化により「汎用部品」の性能が上がった
昔なら専用部品が必要な場面でも汎用部品で OK
「部品の民主化」（多様なメーカ・互換性、セカンド
ソース）
Twitter→#lsi2

汎用部品 vs 専用部品
ArduinoUno の例
部品点数： 52
汎用部品： 35(67%)
抵抗、コンデンサ、コネクタなど
「メーカー問わず」で指定できそうな部品
専用部品だが代替可能： 15(29%)
LED 、 3 端子レギュレータなど
互換品はないが同等性能の代替品はある部品
特に IC は、微細化による高性能化で汎用品化が進
んだ
Twitter→#lsi2
01/25/13 代替品がない専用品： 2University http://ifdl.jp/ ） (4%)
 Interface Device Laboratory, Kanazawa （マイコン ×2

ものづくりのロングテール化は
？
技術的背景
入手容易な部品の性能向上
部品の入手容易性の向上（サプライチェーンの整
備）
→ロングテールの裾の部品も
（製造されていれば）検索・入手しやすくなった
※ 「自分でつくる専用部品」のことは後述
 「ものづくり」のロングテール化（の裾）のた
めには
「オンデマンド製造」が必要テクノロジか？
（製品の在庫を持たないことも可能になる） Twitter→#lsi2
製造方法の民主化も必要

専用部品→汎用部品のサイクル
汎用部品・専用部品を組み合わせた
「モジュール」という汎用部品
例： Arduino, XBee, RaspberryPi, …
これが「製品」になる場合もある
これが「汎用部品」となって、
「ものづくり」のロングテール化を支える
「汎用部品」の高性能化、と見ることもできる
「汎用部品」という市場
「汎用部品をつくる」ことのロングテール化
Twitter→#lsi2

集積回路が「部品」になるために
は？
 原料（ Si ウエハ）価格はあまり上昇していない
$1.14/inch2→$1.17/inch2 （ 2004, SEMI 統計）
 初期コスト
マスク価格： 45nm は 180nm の 10 倍
電子線（ EB ）直描：低スループットだが多品種向け
 設計コスト
高機能は高価な専用 CAD （米国メーカー独占）
汎用品レベルは汎用（含フリー） CAD でも
設計ツール (CAD) の民主化は・・・？

Twitter→#lsi2

「汎用 / 専用部品」になる集積回
路（１）
 System on Chip (SoC/ システム LSI)
 システム一式をワンチップ化
 必然的に特定用途＝少量多品種
（大量生産品は iPhone の CPU などごく少数）
 「製造初期コスト（マスク）が高価」という矛盾
設計の複雑度が極めて高い
 設計方法が異常に複雑化・高度化
 System in Package (SiP)
 システム一式（ CPU ・メモリ等）を
ワンパッケージ化（ただし若干低速度）
 必然的に特定用途＝少量多品種
 各チップは汎用品：量産効果
 「ロングテール」向き？
Twitter→#lsi2

「汎用 / 専用部品」になる集積回
路（２）
 Configurable なデバイス
 FPGA, MCU, PSoC, スマートアナログ , …
 デバイスそのものは「汎用部品」
（機能をカスタムに設定できる）
 微細化によって「それなりの性能」になってきた
（昔は性能がイマイチだったが）
 設計ツールの民主化により、かなり有望か？
 LSI 試作サービス
 小ロット製品向けも
 例：仏 CMP(€1,200/mm2@0.18um, €650/mm2@0.35um,
€12,000/mm2@28nm)
 「そこそこの性能」ならかなり安くなってきた
 設計ツールの民主化が普及のキーか？
Twitter→#lsi2

集積回路が部品になるためのキー技術
１
 「カスタム LSI が作れるとうれしい用途」
高度・高速信号処理、高機能センサ、などなど
「それまでは考えてもいなかった分野」は、けっこう
ある
 例：（高価な）３次元計測デバイスは昔からあったがイマイチ普及し
なかった
→ Kinect で一気に普及し、基盤技術になった
「やろうと思えばできること」を見据えた考え方
 例：実装技術（「やろうと思えばできること」）を知らなければ
Kinect やそれを使ったアプリは考えられない
 例：高速カメラ＋画像処理を知らなければ、高速ビジョンは考えられ
ない
 プロトタイプでもいいので「動くものを見せられる」のも重要
Twitter→#lsi2

集積回路が部品になるためのキー技術
２
 実装インフラの整備
これは FPGA や LSI 試作サービスが整ってきている
 設計ツールの民主化
現状では民主化されているとは言い難い
↑ のようなケースが出てこれば改善が進む・・・？？
または Arduino や RaspberryPi のような
ブレイクスルーをおこすものを作る人が現れる・・
・？

Twitter→#lsi2

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