産業としての半導体とムーアの法則

Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
産業としての半導体と
ムーアの法則
秋田純一
（金沢大学）

2020/2/8 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
自己紹介
本業：金沢大の教員
専門：集積回路、イメージセンサ、インタラクション
好きなプロセスはCMOS 0.35um
本業2：Maker（メイカー）、ハンダテラピスト
好きな半田はPb:Sn=37:63

Contents
半導体産業の歴史と現状
ムーアの法則とその意義と今後
AI/IoT時代の半導体とのつきあい方

今日の対象：「半導体」
チップ（半導体チップ）
＝集積回路(Integrated Circuits; IC)
LSI（大規模集積回路; Large Scale Integration）
米物理的には、導体と絶縁体の
中間の電気抵抗をもち、
条件に応じて導体や絶縁体になる
（電流をON/OFFできる）材料
それを使って電子回路をつくる
電子回路→論理回路→コンピュータにつながる

（おまけ）炙って見られる
どこのご家庭にもある
BBQ用バーナー（カセットボンベ式）
3分くらい炙る
※火事・ヤケドに注意
ICチップ（パッケージ入）
チップが見えてきた！
炭化したパッケージを、
ピンセットなどで、崩していく
（チップを割らないように注意）

半導体→トランジスタ→論理回路
ref: http://imasaracmosanalog.blog111.fc2.com/category33-1.html
A X
A X
論理回路
電子回路
コンピュータ
（CPU・メモリなど）

最近の世界の半導体産業
まさに成長産業
AIがIoTが後押し
（WSTS (World Semiconductor Trade Statistics：世界半導体市場統計)の資料より）

かつての日本の半導体産業
（朝日新聞
1987/05/25）
（朝日新聞1989/06/07）

「その後」の日本の半導体産業
（吉森,中屋「国内論理系半導体産業の分析と将来戦略」,信学誌, 96, 2, pp.70-75 (2013)）

最近の日本の半導体産業
（朝日新聞2009/06/03）
（朝日新聞2012/10/04）
（朝日新聞
2013/02/06）

コンピュータの歴史と半導体
(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）
(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
(1960)集積回路（ＩＣ）の発明

半導体（集積回路）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
インテルの創業者（の一人）

半導体の進化の歴史：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：比例縮小
コンピュータの電子回路の最小単位
＝MOSトランジスタ
電流のON(“1”)／OFF(“0”)を制御するスイッチ
集積回路の部品（MOSトランジスタ）を、同じ
形状で、より小さく作ると・・・？
寸法: 1/α
不純物濃度: α
電源電圧: 1/α p-Si
S DG
n-Sin-Si
p-Si
S DG
n-Sin-Si
L
R.H.Dennard et al., "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions," IEEE J.of SSC, Vol.9, No.5, pp.256-268, 1974.
MOSトランジスタの断面構造

比例縮小の効果
効果：いいことばかり
速度↑（電子の移動＝信号の伝搬距離が短くなる）
消費電力↓（電源電圧が下がる）
集積度（機能）↑（1つの素子が小さい＝同一チップに多数）
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
• 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） ※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）
物理的な詳細

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）

コンピュータの歴史の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
20000MIPS
10MIPS
100MIPS
20MIPS
20000MIPS
109MFLOPS

コンピュータの「使い方」の変化
国に１台／会社に１台個人で１台（PC）一人で何台も
仕事・勉強の道具国・会社のプロジェクト
コミュニケーション
・遊びの道具
＞１億円１０〜１００万円数万円
身の回りに無数
存在に
気づかない
〜１００円
大昔のコンピュータ一昔前のコンピュータ今どきのコンピュータ
コンピュータの利用場面（アプリケーション）が広がった

Mooreの法則の経済的な意義
「わかりやすい＆嬉しい」指針
メーカ側：微細化による性能↑＆コスト↓
ユーザ側：機能↑＆コスト↓
他の産業にない半導体・電子産業の特異性
「機能単価」で考えるとわかりやすい
機能単価↓ ＝ユーザはうれしい（売れる）
機能単価＝価格 ÷ 機能（性能）

機能単価の例
メモリ（SDカードなど）
1GBで1000円 → 1000円/GB
4GBで4000円 → 1000円/GB
1GBで250円 → 250円/GB
4GBで1000円 → 250円/GB
CPU
演算性能あたりの価格：[円/GHz]など
クルマ
燃費あたりの価格：[円/ (L/km)]
最高速度あたりの価格：[円/ (km/h)]
同じくらいお買い得
4倍お買い得

機能単価の罠：4MbDRAMの立上り
DRAM（半導体メモリ）は、3年ごとに4倍容量の製品
が主軸になってきた（Mooreの法則どおり）
1Mb→４Mbの世代交代で、市場の立上りを読み間
違えた
（直野「転換期の半導体・液晶産業」(日経BP,1996)）

なぜ4Mbは当初売れなかたのか？
 機能単価が高かったわけ
ではない
（お買い得な4Mbが売れない）
 不景気だったわけでもない
（前の世代の1Mbは好調）
 ユーザは4Mbが必要なかった
 DRAM大口ユーザ＝PC
 OS：MS-DOS (1MB以上は使えない）
 実際、その後、順調に4Mbは
市場が立ち上がって成長
（1991年=Windows3.1の発売）

機能単価と機能飢餓
Mooreの法則による半導体産業成長の
重要な前提：機能飢餓
ユーザ（市場）が、慢性的に高機能を欲している
状態
ICT産業は長年、機能飢餓状態にあった
昔のPCのカタログのウリ＝性能
最近はどうか？
分野によっては機能飢餓が薄れている
最近のPCのカタログには性能が（ほぼ）載ってい
ない

機能飢餓を忘れた技術
テレビSDTV→HDTV→4K/8K
SDTV→HDTVは、画質に対する機能飢餓からか？
HDTV→4K/8Kでの機能飢餓は？
そもそも地上波のテレビは見られるのか？
http://www.garbagenews.net/archives/1935926.html http://www.nissay.co.jp/enjoy/keizai/32.html

産業のあるべき姿
ものづくり = Why x What x How
Why : なぜそれを作るのか？
What : 何を作るのか？
How : どうやって作るのか？
“Why”が「欠如」しているケースが多くない
か？
Seeds側：Mooreの法則（機能単価の低下）
＋Needs側：機能飢餓の継続
が長年続いてきた→機能飢餓を忘れがち

Mooreの法則のもう一つの意義
機能単価の低下＝製品価格の低下
単なる「価格低下」だけではない
「スマホやPCが安く買えてサイフに優しい」
だけではない、質的な変化の可能性がある

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
「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）
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
※マイコン=Micro Controller（小さなコンピュータ）

コンピュータが「頭脳」から「部品」に
出典：ARM
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

Mooreの法則のわかりやすい例
マイコン（ATmega328P/PB）の例
機能：ATmega328P ＜ ATmega328PB（上位互換）
価格：ATmega328P ＞ ATmega328PB（30%安価）
0.6umくらいだと、製造コストはほぼチップ面積
ATmega328P（1.2umルール？） ATmega328PB（0.6umルール？）
詳細：http://ifdl.jp/blog/?p=1197

価格が起こしたパラダイムシフト
シリアル制御フルカラーLED“NeoPixel”
電源＋1本のシリアル制御線で複数制御
超安価 (～3円/pcs)
普通のLEDより安い
LEDディスプレイなど大量に使われるようになった
制御チップは1umルール程度（かなり安い）
Ref:https://news.nicovideo.jp/watch/nw4240213

「部品」としての半導体
「旧型の大量生産」
同じ製品を大量につくる
汎用Tr・汎用ロジック・汎用アナログ・メモリ・・・
「新型の大量生産」
「均一な部品＝汎用半導体」の
組み合わせ
半導体の位置づけ
それ自体が「旧型の大量生産」の対象
「新型の大量生産」による
「電子情報機器」生産のための部品・素材
（P.ドラッカーによる定義）
（P.ドラッカーによる定義）

「新型の大量生産」における部品
部品の規格化による高い効率化
黎明期の半導体における「セカンドソース」
何にでも使えて、
どこでも手に入る「汎用品」
741、555、74シリーズ、・・・
主に供給安定化が目的
電子情報機器の設計・製造に
与えたメリットは、はかりしれない
(Wikipediaより)

「汎用半導体」の転換
半導体性能↑と電子情報機器の性能↑
部品である半導体製品への性能要求↑
「汎用品」の意義の薄れ
汎用品＝性能もそれなり
特定用途では性能が不足
半導体製品が用途ごとに多様化
＝半導体産業の本質の転換
大量少品種→少量多品種（○○専用チップ）

専用半導体の事情
「○○専用チップ」
SoC (System on Chip)
要素回路を統合してワンチップとして製造
SiP (System in Package)
要素回路のチップを組み合わせて
１つのパッケージ（部品）に入れる
（SoCよりやや性能面で不利）
半導体固有の事情：イニシャルコスト↑↑↑
SoCはイニシャルコスト↑↑↑
大量生産しないと回収できない
＝ヒット製品への強い依存

Mooreの法則の今後
微細化が進みすぎて、素子として動作しない＋
安定に製造できない
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

最近のCPU（※イメージ）
Intel Core i7 (2008)トランジスタ（素子）数～10億個
（設計では、これらを1つも間違いなく組み合わせる）
cf: 地球の人口～70億人、中国の人口～13億人

コンピュータの中身が見えなくなる
https://hardware.srad.jp/story/18/05/25/0450230/
https://security.srad.jp/story/18/05/08/0919252/
http://www.itmedia.co.jp/news/articles/
1806/15/news079.html
設計が正しいか検証しきれない

AI/IoT時代の半導体
半導体は重要部品なのは事実
Mooreの法則の延長は望めない
十分すぎる、使いこなしきれない機能がある
どう使うか？
「半導体を使う」という発想の転換
ソフトウエア→ハードウエア→半導体チップ

最近の半導体業界の動向
「テカナリエ・レポート」を読むと、よくわかる
スマホSoCのシェア・戦略
微細加工技術の採用・使い分け
Fab（製造工場）の使い分け・戦略
プロセッサ・アーキテクチャの動向
（ARM←→RISC-V）
ARM＝ARM社のライセンス製品
（組み込みの業界標準、ソフトバンクが買収）
RISC-V＝オープンソース、ソフトウエアの「縛り」がない
分野で採用事例が急拡大中

技術が「道具」になる意義と
イノベーション

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

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))

技術が「道具」になるとは
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

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

技術の民主化の結果：深圳の華強北
48
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
無限に続くパーツ屋
“Used Mobile Phone Shop”の実体
パーツに分解
(BGAも)
路上で解体
店頭でリペア
新製品の試作に流用
ShenZhen HuaQiangBei
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）
深圳の生態系
謎の起業・新製品が続々（ときどきアタる）
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
「ハードウエアのシリコンバレー」とも

ちなみに・・・
深センにある南方科技大でサバティカル予定
（2020/4～9）
研究力急上昇中、キャンパスも３年で２倍
深センのHWエコシステムとOpenSource、アカデミ
アの関係

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

技術の道具化と社会課題解決
「おばあちゃんセンシング」
おばあちゃんが、自分の畑の状態を知りたい
でもマイコン・クラウドを使えない
おばあちゃんがマイコンを買って、サーバをたて
て、自分でシステムつくれ・・・ねえよ
→そういう世界になればいいのでは？
裾野が広がる＝レベルが下がる？
結果として、専門家の「価値」も高まる（はず）
CivicTechという形で、社会的に現れつつある？

道具になる半導体

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

半導体チップは「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

Moore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
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

オレLSI：AI向けも
AI/深層学習向けのプロセッサ
従来型の「ノイマン型コンピュータ」では苦手
いわゆるASIC（特定用途向けIC）だが、
少量多品種向け
GoogleのTPU (Tensorflow Processing Unit)の例
ref: https://news.mynavi.jp/article/20170411-tpu/2

オレLSI：IoT向けも
IoTは、本質的に「少量多品種」
使う場面ごとに、必要な機能・性能が異なる
情報処理のやり方も多様（端末側？サーバ？）
環境発電（太陽電池、振動発電など）など、
超低消費電力が必要な場面も多い
センサプロセッサ通信
記録電源

半導体を「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？

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
http://j.mp/make_lsi

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

私にとっての
Makerムーブメント

NT金沢：始まり
MiniMakerFaireをやりたいと画策（2013年）
NT京都をみて、NT金沢を始めていた人がいた
合流して、拡張してみた
「作ってみたは正義」（byメーヴェの八谷さん）
会場：金沢市芸術村（～2013年）
→金沢駅前地下広場（2014年～）

NT金沢：現状
 「すごいもの」も「しょぼいもの」から
 「すごい」かは、やってみないと判断できない（by高須さん）
 「見にいってみた」＜＜「出展してみた」
 約１２０ブース（抽選・セレクションなし、まだキャパはなんとか大丈夫）
 NT=「なんかつくってみた」と再定義して裾野拡大へ

NT金沢：運営の実際
中の人＝ほぼ二人
ルーチンワークが多い（会場予約、参加募集、当日）
「主催者」ではない（自称）
みんなが主役、それに場所を提供しているだけ
「主催者」がいると、みんながそれに頼ってしまう（ゴ
ミ捨てなど）
ブースの机運搬、片付けも、みんな（当事者）で
譲れないポリシー
「やりたいものは何か」を忘れない
NT金沢では「遊び場」
「やること」が目的にならないように
そのために必要なことが何かを考え、無理をしない
Webページ、チラシ：作りたい人がいたら頼む
幸い、安くてよい会場が予約できている（１万円／日：抽選）

「なければつくる」という選択肢
66
西餅「ハルロック」（講談社コミック）より

Makerからイノベータへ
学生のうちに「しょぼい起業」
小ロットでも成り立つケースもある
「起業」という選択肢だってある
そもそも「起業」という形にこだわらなくてもいい？

技術サークル「テクノアルタ」
みんな、趣味でいろいろ作っている
「世の中に出したい」（ちょっとハードル）
人材、資金、事務・マネジメント、リスク・・・
「実は欲しい人がいる」（ロングテール）
「売る」難しさ：販売方法、少量生産、在庫管理、
サポート業務
「冷えミク」
（コミケC85で販売）

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