多様な学生の教材としてしてのプロトタイピング用マイコンボードの可能性

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
多様な学生の教材としてしての
プロトタイピング用
マイコンボードの可能性
秋田純一（金沢大学）

2021/8/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
Contents
研究者・教育実践者としての
私の属性・立ち位置
Mooreの法則とコンピュータの道具化
技術の「民主化」とMake
「技術」の教育実践の変化と「プロ」の役割
技術の「民主化」のラスボス：半導体

自己紹介
 1970名古屋生まれ
 東京で大学→大学院
 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（翼セミナーOBの縁）
 本業：集積回路、特に（機能つき）イメージセンサ
 好きなプロセスはCMOS 0.35μm
 ＋集積回路を使うデバイス・システム
 ユーザインタフェース・インタラクティブシステム（人間相手の機械）
集積回路（イメージセンサ）のレイアウト図
（プロッタ出力して目視チェック）基板設計
研究室（実験室）

自己紹介（副業）
Maker、ハンダテラピスト
好きな半田はPb:Sn=40:60
好きなパッケージはDIP8p
NT金沢の企画・運営（6月末頃＠金沢駅地下広場）

研究？趣味？
電子工作
（ホビー）
業界
半導体
業界
（学会・産業界）

研究者としての転換点？
（実は一時期、半導体の研究に魅力を感じなくなっ
て、足を洗おうと思った時期もあった）
Mooreの法則＝半導体の継続的な微細化・性能向上
すごいがんばって工夫して「性能0.1%アップ」
巨額投資で技術が進歩（大学の出番・役割は？）
平本俊郎「データ駆動社会の展望(中) 半導体、設計思想の変革を」
（日経新聞「経済教室」2019/7/18）
Si原子
10個分

研究者としての転換点？
研究としてのユニーク性（他にいない）
半導体がわかるMaker
Makeがわかる半導体研究者
How to MakeとWhat to Make
「誰でもチップ設計・製造」
AI/IoT時代にこそ、「道具」に
半導体設計のオープンソース化

Mooreの法則と
コンピュータの部品化

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２つの側面
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
107MFLOPS
10MIPS
100MIPS
100MIPS
108MIPS
5×1011MFLOPS
106MFLOPS
100MIPS

Mooreの法則の帰結
実は半導体は枯れた技術でも、
革新的な使い方はある
Mooreの法則＝トレードオフのない性能向上
突然のゲームチェンジの源泉
機器の頭脳関節ごとに小さい脳（神経節）
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
※基本的には「コンピュータ」だが、小型で安価

「Lチカ」のパラダイムシフト
MCU
#Component=1
$1
Oscillator(555)
#Component=4
$1.5 while(1){
a = 1;
sleep(1);
a = 0;
sleep(1);
}
可能だが非現実的なLチカ
合理的なLチカ
マイコン(MCU)を使って
「Lチカ」しない理由がない
コスト、機能性、・・・
コンピュータの使い方がもったいなくなくなった
Mooreの法則の結果、コンピュータが「部品」になった例

技術の「民主化」とMake

技術の進歩と独裁化
科学技術の進歩＝社会水準の向上
科学技術の進歩＝技術の高度化・複雑化
「製造者」と「利用者」の分離
製造者の「特権」：
原材料の入手（原油、電子部品、・・・）
工場・製造装置
販売チャンネル
利用者の「意識」
「ものは買う物」
大量生産・大量消費の時代が長く続いた

技術の民主化へ
技術を、市民の手に「取り戻す」流れ
大量生産→ロングテールへ
「技術の民主化」を可能にする技術革新
実はルネッサンス時代への回帰でもある
様々な技術的・社会的背景が揃った
半導体・コンピュータの部品化・民主化
デジタル加工技術の普及
“Maker”ムーブメントへ

FabLabの源泉
「（ほぼ）なんでも作る方法」
（MITでの演習）
上流から下流まで一通りを
すべて体験する
「作りたいもの」を
「具現化する」プロセス
http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/863.08/

FabLabと、その派生コミュニティ
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
DIYからDo It With Others (DIWO)へ
現在、日本では鎌倉とつくば他
「製造技術の民主化」
→市民が「製品は買うものではなく作るもの」へ
カフェ併設などの派生型も

Makeの要請：ロングテール
（昔）少数のヒット商品
→（今）多数のニッチ商品
ニッチも多数なので
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）
（C.アンダーソン「ロングテール」,早川書房 (2009)）

“Maker”ムーブメントへ
従来型の「大量生産型」産業を
補完するものとして一定の定着
ものづくりの「ロングテール」を支える技術革新
3Dプリンタ等によるプロトタイピング
クラウド・ファンディング（市場調査・資金調達）
サプライチェーン活用による
小ロット量産の低ハードル化
「モノへの愛着」の重要性
（熱心なファン）
「製造業・製造技術」の
「民主化」とでも呼ぶべき現象
C.アンダーソン
「MAKERS」
(NHK出版,2012)

Make: 理工離れ？どこの世界の話？
“Maker”の活動の広がり
実はみんな「作るのが大好き」
FabLab（レーザーカッター、
３Ｄプリンタ等の加工機を
コアにしたコミュニティ）
今までは「技術が手元になかった」だけ
道具・技術が「民主化」されて、
使えるようになった
MakerFaireTokyo2013
の様子

技術の「民主化」がもたらすもの
（以前）プロのみ
音楽、映画、・・・
我々は「消費者」
（現在）アマチュアでもコンテンツを
作ることができる
DTM, Vocaloid, …
YouTube, …
我々は「制作者」にもなれる
（可能性・裾野が広がった）宮下芳明「コンテンツは民主化をめざす
―表現のためのメディア技術」
(明治大学出版会, 2015)

プログラミング
（以前）PCもプログラミングツールも高価
「遊び」から始められない
（現在）PCもプログラミングツールも安価orタダ
「遊び」などから始められる
＝敷居の低下＝裾野の広がり

裾野が広がる＝イノベータの多様化
「アツい思い」を具現化する
道具がある
多様性＝イノベーションの土壌
小川進「ユーザーイノベーション:
消費者から始まるものづくりの未来」
(東洋経済新報社, 2013)
(L.Fleming, Harvard Business Review,
8(9), pp.22-24 (2004))

「技術の民主化」の必要条件
技術が「道具」になる
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

道具としてのマイコンボード
文具のように、いつのまにかなくなるので
常時ストック、という感覚

「Makerの道具」としてのArduino
Arduino←→それまでのマイコンボード
USBケーブルのみでPC接続（給電・通信・書き込み）
DTRリセット（PCからリセットをかける）
メスソケット（ジャンパ線を挿せる）
ArduinoIDE（ソフトウエアはこれで完結。ライブラリと
サンプルも）
いずれも「なんだ、そんなことか」と思えること
（特に、「詳しい人」にとっては）
しかし、それで「世の中が
変わった」のも事実

「技術」の教育実践の変化と
「プロ」の役割

最近の秋葉原（あきば）
※客層が変わってきている（こっちの）
（昔）ロボコン高専生・電子工作マニア（おっさん）
（今）↑＋親子連れ，美大生
29
西餅「ハルロック」

「Lチカの次」の谷
Arduinoなどで、マイコン（Lチカ）デビュー
・・・さて、その次は・・・？
センサ？
モータ？
制御プログラム？
「とりあえずつないで動く」のレベルの次が
とたんにハードルが上がる

「なぜ電子回路を学ぶのか？」
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。

「で、なぜ電子回路を学ぶのか？」
「世の中、ほとんどの機器が電子回路で動い
ているから」
でも知らなくてもスマホもネットも使える
・・・よね？
プログラミングの勉強をしたいし・・・
電子回路からコンピュータの限度を知る
＝「使いこなせる」
ソフト／ハードで分けずに両方できるとお得

“Make”で、いろいろつながってきた
電子回路（理論）
エレクトロニクス（産業）
電子工作（ホビー）

“Make”の教育実践の例
M5Stackでセンサ・IoT（共通機材）
プログラミング入門、センサ、アクチュエータ、
IoT (Webスクレイピング、IFTTT、 LINE)
「純正」ではないセンサ類も（IOピンを直接制御）
ブラウザからWiFi経由でコーディング・実行（UIFlow）

“Make”の教育実践の例
電子情報通信学類「情報通信実験第１」（３週分）
CdS分圧などの回路も少々、Pythonも
共通教育「デザイン思考とプロトタイピング」(1Q)
文系の学生も
金沢美大「デザイン工学」（４回分）
製品デザイン専攻3年生、早速作品制作に応用も
先導学類「デザイン思考」（うち２回分：予定）
文理融合学科、プロトタイピングの道具として
最後に「自由課題」を設定
あったらいいな、と思うものを考えて実装
柔軟な発想と、それを具現化する経験

“Make”の課外活動の例
理系文系関係なく「なんかつくってみたい」という学生はいる
そういう学生の「きっかけ」の場
メインはオンライン(Discord)、ときどき作業
対面での作業の経験・対話も、けっこう有効そう

プロの役割・意義の向上
「電子回路－電子工作－エレクトロニクス」が
Makeの登場・普及で、やっとつながった
電子回路を勉強
机上の理論（←いままで）
＋Makeの実践（その裏づけ）
やってみると、怪しい知識の
限界に気づく
勉強したら、Makeで「生かせる」

プロの仕事：公共事業型
例：センシングシステム
高価・高性能な観測機
広い観測網、高い信頼性
得られるデータの高い公共性
維持のための継続的な（主に公的）資金提供
「先立つもの」が必要
ロングテールに向かない
例：おばあちゃんセンシング
（畑や裏山は気になるが、「発注」できるはずがなく、
自分で観測）
（AMEDAS観測所）
38

アマの仕事：趣味型
例：センシングシステム
観測機を自作
狭い観測網、低い信頼性
得られるデータはオレ向け
その人にとっては「死活問題」の場合もある
ロングテール向き
高いモチベーション
「具現化の道具」がそろってきた
（道具の民主化=まさにMake）
そこからプロへ進化できる「でっかいさとるさん：山梨県でお米と野菜を作るでっかい人」blogより
http://www.jumbo-satoru.net/wordpress/
39

期待されるプロの役割
民主化された根幹回路技術（プロしかできない）
特に、電力（エナジーハーベスト）と
通信（ラスト１メータ・IoT (Internet of Things)）
電子回路の設計技術の提供
汎用のマイコン・回路と設計ツール（スマートアナログ、PSoC、
FPGA等）、および「ユーザコミュニティ」
（悪い例：がじぇっとるねさす・・・技術先行、ユーザ不在）
ユーザへのサポート
ロングテールの裾ほど事業規模は小さい
＝兼業やアマチュア形態が多い
アマチュア作品・趣味を「製品・事業」へ昇華させる
「受託開発」だけでなくコンサルティングなども
40

ライフスタイルの多様化？
41
器具メーカー
コミュニティ
（カフェ・大会）
素材メーカー
（ランニング）
産業・ビジネス

技術の「民主化」ののラスボス
：半導体

半導体は「道具」になっているか？
「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（IC）は「道具」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)
（※LSI＝集積回路のこと）

Lチカ動画：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＝すごいことをやるためのもの」という意識

なんでこんなアホなことを？
LSIは「道具」になりきっているか？
オレLSI
「作る？ちょっとそこまでは・・・」「使うけど・・・」
他の技術はどうなってきたか？
コンピュータ：大型機→PC
マイコン：H8→Arduino
プリント基板：業務用→アマチュア
3Dプリンタ：業務用→フィギュア
動画編集：映画→YouTube/ニコ動

Mooreの法則がもたらしたもの
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
cf:プリント基板製造（$10～）、Arduino（$10～）
cf: 設計CAD＆コンパイラ（IDE）（Free～）
「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

これまでに・・・
「懲りずに再度、LED点滅用のLSIを
つくってLチカをやってみた」
Inkscape設計、クリーンルームで製造、
センサ
「また懲りずに再度、LED点滅用の
LSIをつくってLチカをやってみた」
555互換（デジアナ混載）
「またまた懲りずに再度、LED点滅用
のLSIをつくってLチカをやってみた」
Cortex-M0（HDLから設計）

オレLSIをつくってみたい：実践
情報収集・整理
探せば、ないことはない
仲間さがし
やや古めのテクノロジで
NDAフリー
＆オープンソース
GitHubで回路をシェア
http://j.mp/make_lsi

・・・と思っていたら
NDA不要・オープンソースなチップ設計環境
やや議論が発散気味な印象だが、猛スピードで整備中
予定では11月に相乗り試作
「なんてNDAなしでできたんですかね？」
→「だって130nmなんて枯れた技術だし、
隠すより、エコシステム作ったほうがいいじゃん？」
※ほかにも世界中にいくつか似たプロジェクトがある

チップ製造のお手軽化（基板の感覚）
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）
「つくって試す」ことで抜群の教育効果
※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。

まとめ
Mooreの法則とコンピュータの道具化
技術の「民主化」の土壌
技術の「民主化」とMake
ホビー-電子回路-エレクトロニクスが
やっとつながった
「技術」の教育実践の変化と「プロ」の役割
ホビー-電子回路-エレクトロニクスがつながった
時代にこそ、「プロ」の価値が高まる
技術の「民主化」のラスボス：半導体
世界的にも進行中

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