エレクトロニクスと未来エレクトロニクスと未来

課 題

日本及び世界は多くの要因が絡んだ複雑な諸問題に直面している。われわれはエレクトロニクスと科学技術を駆使して良い世の中を作らなければならない。本日の資料或いは自らの資料に基づいて、今後のエレクトロニクスと科学技術がどのように発展すべきか議論せよ。一つの分野に絞った議論でも良い。さらに新しい技術提案があれば大変望ましい。

Introduction

本資料はホームページからダウンロードできます。１）http://www.tuat.ac.jp/~sameken/２）講義ノートのメニューバーをクリック３）2013年農学部融合科目のコーナーの融合科目 (pdf)をクリック

1月14日から1月31日まで利用可能

Stuttgart

講師鮫島俊之紹介

NAGOYA

AMAKUSA

TOKYO

・なぜ今電気自動車か？

・なぜ皆電気が好きなのか？

・なぜ全てが電化するのか？

・なぜ全てがデジタル化するのか？

・デジタルの意義は何か？

・農業のどの部分が既にデジタル化しているのか？

・デジタル化できる部分は何か？

・デジタル化できない部分があるか？

エレクトロニクスと未来

一大基幹産業となったエレクトロニクスの発展の歴史を概観する。エレクトロニクスは農産物を含むあらゆる製品生産、あらゆるビジネス、あらゆる生活に一大革命をもたらし、我々の将来の生活形態を否応なく暗示している。必須の技術体系であるエレクトロニクスをいかに活用すべきかを議論する。

私の研究

パソコン

スマホ

デジタルTV

平面ディスプレイ用トランジスタ

ソーラーセル

Outline

1. 最初にトランジスタの解説をしよう

３．続いていくつかの重要な社会状況データを見る

２．そしてデジタル化の話

４．そして議論しよう

1947年 Geトランジスタ発明1957年 FET（Field Effect Transisitor：）の開発1959年 トランジスタ式コンピュータの開発（IBM）1964年 半導体産業が10億ドルを超過1968年 CMOS-IC（RCA）『LSI時代』1970年 1KビットDRAMの開発（インテル）

1971年 4ビットマイクロプロセッサの開発（インテル）『VLSI時代』 1989年 64ビットマイクロプロセッサの開発

1989年 NAND型フラッシュメモリの発明（東芝）『ULSI時代』1999年 128ビットマイクロプロセッサの開発2000年 半導体産業が2000億ドルを超過2005年 16GビットNAND型フラッシュメモリの開発

Transistor History

Ｐ ＮＮ

Ｓ Ｄ

Ｇ現在のトランジスタの基本構成要素はMOSFETである。！右図はn-MOSFETの断面構造である。！FETはダブルpn接合型であり、２つのポテンシャルバリヤーがある。！チャネルの上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極がある。！ゲート電界でポテンシャルバリヤーを変化させ、ソース・ドレイン間の電流を制御する。 ポ

テンシャルエネルギー

(eV

)

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

距離

EF

C

V

Ｌ

ゲート絶縁膜

ＭＯＳFET

Ｐ ＮＮ

Ｓ Ｄ

Ｇ

！プラス電圧をゲートにかけると、→電子に引力が働き電子ポテンシャルが低下する。

→ポテンシャルバリヤーが小さくなる。

！大きなプラスゲート電圧をかけると→チャネルはｎ型に変化し、電子密度が大きくなり、

→電子伝導率が大きくなる 0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

ポテンシャルエネルギー

(eV

)

距離

C

V

Vg+high

チャネル

EF

ＭＯＳFET

！電子・ホールは軽く早く動く（~500km/s)ので、トランジスタの動作速度は速い。

！殆どのロジック回路は右図のCMOSインバータ(1bit)を基本構造として作られる。！1個のトランジスタ素子はとても小さい。現在は30 nmゲートが主流である。！よって沢山のロジック回路を小さい面積に作ることができる。１０Gビットでも可能。

ＭＯＳFET特徴

P

NLOWHIGH

ニッケル・シリサイド層

シリコン・ゲート電極

1.2nm SiO2ゲート酸化膜

歪シリコン

30 nm

！トランジスタ１個はH-Lのデジタル動作だが、沢山のトランジスタを集積回路化することによって複雑なロジック回路を作ることができる。！小さいトランジスタを沢山集積することが半導体テクノロジーの基本技術である。！全てのデジタル回路が集積回路である。！複雑なアナログ情報であってもノイズレベルまで多ビットに分解して記録すれば情報量を落とさずデジタル化できる。！電気信号として計測可能なあらゆるアナログ情報はデジタル記録可能。

ＭＯＳFET特徴

MOSFETに類似素子だがガラスのような半導体ではない基板に直接トランジスタ（TFT)を形成する技術が開発された。

2.0m

TFT

ソース・ドレイン電極

n型 TFT p型 TFT

ガラス基板

MOSFETを用いたロジックデバイスとTFTを用いたディスプレイデバイスを融合した新デバイスが急速に普及している。

a-Si:H TFT

display for PC TV

Every TFT fabrication machine should be big !

10th generation fabrication stage2.9 m x 3.1 m

Poly-Si TFT

2.0mLeComber and Spear, 1975

Weimer 1962

TFT-History

Solid phase crystallization 1970~

Poly-Si TFTs

5.5th generation fabrication stage 1.3 m x 1.5 m

Laser crystallization 1980~T. Sameshima, et.al. 1986

fabrication of poly-Si TFT

実はソーラーセルもトランジスタと同様にPN接合を基本構造とする素子である。！光が照射されると電子とホールが生成される。！PN接合のポテンシャルバリヤーに沿って電子とホールは互いに反対向きに出移動する。！これを分極という。起電力が発生する。そして電流が流れる。！電流源、電圧源となる。

Solar cell

Ｐ Ｎ+V 0V

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-100 -50 0 50 100

ポテンシャルエネルギー

(eV)

距離 (ｎｍ)

C

V

電子電流

ホール電流

光

ソーラーセルはまだトランジスタのようにデジタル化されてはいない。

！しかし地球のエネルギー問題を解決するかもしれない。！実はソーラーセルにはエネルギー変換効率について本質的な問題がある。！問題解決のための取り組みが盛んに行われている。

Solar cell

エレクトロニクスの過去と現在

まず、つい最近の事を振り返ってみよう

・私の学生時代にあったもの

・私の学生時代になかったもの

私の学生時代にあったもの

洗濯機

自動車

本寒い冬

マンション受験戦争

新幹線

バレーボール

銭湯

野球

大学

テレビ 暑い夏

飛行機

銀行

年金手帳

私の学生時代になかったもの

パソコン

スマホ

プレイステーション・ポータブル

電気自動車デジタルTV

Jリ－グ就職戦線

E-mailユーロ

ウェブ

派遣切りＩＰＳ細胞

地球温暖化

花粉症

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Global_Warming_Predictions_Map.jpghttp://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Global_Warming_Predictions_Map.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Ips_cells.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Ips_cells.png

生活必需品の多くが昔からあったのは事実だが、

トランジスタとデジタル回路を用いたエレクトロニクス機器発達によって私たちの生活は大きく変化した。

興味深いデータを見てみよう。

エレクトロニクスの過去と現在

日本のＰＣ普及率

80[％]

70

60

50

40

30

20

10

0

1987

1990

1995

2000

2005

2010

75.8%

[年]

http://www2.ttcn.ne.jp/honkawa/6200.htm

2013

•http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/internet/inet_dif_trns.html

世界のインターネット普及率人口に占めるインターネット利用者数の割合

1990 1995 2000 2005

90

[％]

80

70

60

40

30

20

10

0

50

[年]

日本アメリカフランスドイツｽｳｪｰﾃﾞﾝ韓国中国

100

2010

私たちの生活

典型的なデジタル機器とデジタルネットワークであるPCとインターネットはつい20年前から大きく発展した。

それまでは重要ではなかった。

今ではなくてはならない。

デジタルの特徴を考えてみよう

デジタルの特徴

デジタル機器は情報（アナログデータ）をデジタルビットに変換して記録し、演算し、また情報（アナログデータ）に

変換するデバイスである。

デジタル⇔アナログ変換は変換コードの約束によって行われる。

011010001000001011010011101100010

変換110100010010010110100111011000101

演算

デジタルの特徴

011010001000001011010011101100010

変換110100010010010110100111011000101

演算

ビット数を大きくすることで複雑なデータ処理が可能である。

デジタル機器間のやり取りはデジタルビット信号のみである。

特徴：・あらゆるアナログデータを同じデジタルビット形式で無限にストレージできる。・デジタルビット間の演算が容易にできる。・いろいろな組み合わせが可能。音楽⇔画像変換も簡単・精度の向上はビット数で無限に可能。・エラー率が小さい。・適用分野は無限、オーディオ、画像、金融、科学技術等々エレクトロニクスのデジタル化は不可避。

デジタルの特徴

デジタル技術はお金に似ている。・お金がなければ何もできない。・金があれば大抵のものは手に入る。・将来のためにストレージ（貯金）できる。・仮想的（演算的）な取引もできる。（株、農産物先物取引、ＣＯ２）・為替の変換で変身する。（為替変換を無くしたユーロはさらに便利）

金融産業のデジタル化は急速に進んでいる。

デジタルの特徴

電気もデジタル技術と共通点がある。なんでも電気で動かせる。音楽もテレビも、エアコンも、車も電気でオペレーションできる。農業も電化している。電圧電流が決められている。違う時は変換する。

しかし電気はストレージが苦手である。

デジタルの特徴

デジタル・金・電気に共通する事

・汎用性・共通性・ルール（変換コード）・発展性

デジタルの特徴

これらの性質は社会のグローバル化に不可避の要素と捉えられる。

そこで

私たちはデジタル化により発展したエ

レクトロニクスを社会の発展、諸問題

の解決に役立てたい。

社会の現状を知るためにいくつかの

データを見てみよう。

就業者比率の年次変化（日本）就業者比率

[%]

[年]

80

60

40

20

0

http://www2.ttcn.ne.jp/honkawa/5240.html

第2次産業

第1次産業

第3次産業1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

食料自給率

175

150

125

100

75

50

25

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

食料自給率

[%] ｱﾒﾘｶ

ﾌﾗﾝｽ

ﾄﾞｲﾂｲｷﾞﾘｽ

韓国

ｽｲｽ

日本

[年]

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A3%9F%E6%96%99%E8%87%AA%E7%B5%A6%E7%8E%87#.E4.B8.BB.E8.A6.81.E5.9B.BD.E3.81.AE.E9.A3.9F.E6.96.99.E8.87.AA.E7.B5.A6.E7.8E.87

2010

先進国で日本と韓国だけが食糧自給できなくなりつつある

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ産業の国内生産額推移

100

80

60

40

20

0

[兆円]

1995

2000

2005

2007

[年]

通信業

情報サービス業

情報通信関連製造業

情報通信関連サービス業

研究

2000万人雇用能力

社会保障給付費の推移（日本）

http://www.mhlw.go.jp/seisakunitsuite/bunya/hokabunya/shakaihoshou/dl/05.pdf

120

100

80

60

40

20

0

[兆円]

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

100

80

60

40

20

0

年金

医療

福祉その他

一人当たり社会保障給付費(右目盛)

1970 1980 1990 2000 2013

予算ベース

国民所得額(兆円)

61.0 203.9 346.9 371.8 358.9

給付費総額(兆円)

3.5 24.8 47.2 78.1 110.6

[万円]

[年]

主要先進国における平均寿命の推移

日本アメリカフランスイタリアノルウェーアイスランド

88868482807876747270686664626058

女

男

[歳]

19

50

19

55

19

60

19

65

19

70

1975

19

80

19

85

19

90

19

95

20

00

20

05

[年]

http://www2.ttcn.ne.jp/honkawa/1610.html

20

10

世界の産業総生産高

[109USドル]

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

アメリカ

日本 ドイツ

フランス

イギリスカナダ

インド

中国

・アメリカは堅調・日本はバブル崩壊以後全く伸び悩み。・日本の生産高の２０％はエレクトロニクス生産

http://diam-jba.jp/diam/servlet_fulltextsource?id=662

世界の重要農作物の生産量[106t]

1961

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2,500

2,000

1,500

1,000

500

0

小麦大豆米、稲ﾄｳﾓﾛｺｼ

[年]

7０億人食糧維持ライン

世界の飢餓人口の推移

出典：国連食糧農業機関(FAO) (2010年)http://www.hungerfree.net/hunger/whtshunger.html

10

9

8

[億人]

2010

1970

1980

1985

1990

1995

2000

2005

1975

[年]

世界の飢餓状況2012年

そこで

エネルギー需給状況のデータも

見よう。

http://www.enetalk21.gr.jp/kouenroku/zoom_20130130_2_02.html

主要国の電源別発電電力量の構成比(2008年)石炭 石油 天然ｶﾞｽ 原子力 水力 その他

ｱﾒﾘｶ

中国

日本

ﾛｼｱ

ｲﾝﾄﾞ

ｶﾅﾀﾞ

ﾄﾞｲﾂ

ﾌﾗﾝｽ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾌﾞﾗｼﾞﾙ

韓国

世界

ｲﾀﾘｱ0 20 40 60 80 100 [%]

実は石炭が多い

フランスは原子力

水力

水力

イタリアは原子力がない

世界の電気消費量

電気消費量[kWh]

原子力 ガス 石炭 水力 石油

ｱﾒﾘｶ 3兆8037億 20％ 18％ 51％ 8％ 2％

中国 1兆1345億 2％ 0％ 77％ 18％ 3％

日本 1兆362億 27％ 22％ 27％ 11％ 13％

ﾄﾞｲﾂ 5524億 29％ 10％ 51％ 9％ 1％

ﾌﾗﾝｽ 5069億 79％ 4％ 5％ 12％ 1％

ｲｷﾞﾘｽ 3566億 23％ 40％ 33％ 3％ 2％

ｽｳｪｰﾃﾞﾝ 1582億 46％ 0％ 3％ 49％ 2％

http://www.acci.or.jp/energy/energy/en01/en01.html

http://eneken.ieej.or.jp/press/teireiken/070214p.pdf

発電設備容量と原子力発電ｼｪｱに見る各国の特徴90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

原子力シェア

[%]

0.1 1.0 10.0 100.0

設備容量 [GW]

電力消費大国

原子力大国原子力高依存国

原子力新興国

ｶﾅﾀﾞﾛｼｱ

ｲｷﾞﾘｽﾄﾞｲﾂ 日本

ｱﾒﾘｶ

ﾌﾗﾝｽ

ｳｸﾗｲﾅ

韓国

ﾘﾄｱﾆｱｽﾛﾊﾞｷｱ

ﾍﾞﾙｷﾞｰ

ｽｳｪｰﾃﾞﾝｽｲｽ

ﾌｨﾝﾗﾝﾄﾞ

ﾌﾞﾙｶﾞﾘｱ

ﾊﾝｶﾞﾘｰｽﾛﾍﾞﾆｱ

ｱﾙﾒﾆｱ

ﾁｪｺｽﾍﾟｲﾝ

台湾

中国ｲﾝﾄﾞﾌﾞﾗｼﾞﾙ

南ｱﾌﾘｶﾒｷｼｺ

ｱﾙｾﾞﾝﾁﾝﾙｰﾏﾆｱ

ｵﾗﾝﾀﾞﾊﾟｷｽﾀﾝ

国によって発電能力が大きく異なる

太陽電池の年間生産量

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E5%85%89%E7%99%BA%E9%9B%BB%E3%81%AE%E5%B8%82%E5%A0%

B4%E5%8B%95%E5%90%91

20

15

10

5

02001 2003 2005 [年]

年間生産量

[GW

p/年

]

2006 2009

家庭部門用途別エネルギー消費量

http://www.fepc.or.jp/enterprise/jigyou/japan/sw_index_03/index.html

6

5

4

3

2

1

0

[兆 kcal]

1970 1975 20051985 1990 1995 20001980 [年度]

家電・照明他

給湯

暖房

冷房

台所

世界の電化率

インド40%

インドネシア31%

日本100％

南アフリカ62％

ベトナム50%

ブラジル93％

サハラ以南アフリカ29％

中アフリカ・南アジア深刻

まとめ・ＰＣ＆インターネットは1995年ごろから普及し始めた。・エレクトロニクス産業は日本の主要産業になった。・サービス業従事者割合は伸び、農林業従事者割合は低下の一途である。・必然的に日本の食糧自給率は単調減少を続け、いまや20％台である。・これに対し先進国の多くは高い食糧自給率を維持している。・世界の産業総生産は向上している。・日本の産業総生産は約20年間変化していない。・世界の農作物生産量は順調に伸びている。・そして全世界の人口の必要量を上回っている。・飢餓人口が10億人いる。尚徐々に増えている。

まとめ－２

・アジア、アフリカに飢餓が多い。・世界の人口は順調に伸び、今や70億人に達している。・社会保障費は国家予算に対し無視できない程度に大きくなっている。・先進国の平均寿命は驚異的な伸びを示している。・電力生産は石炭発電が多い。しかし国策が色濃く反映する。特にフランス、イタリアは注目。・ソーラーセルはまだ微々たる生産量である。・電化率が50％未満の国がアジア、アフリカに沢山ある。

問 題 提 起

世界規模の問題を解決するためには教育、政治、宗教に並んで科学技術がなくてはならないと思う。

しかし、現状は

・農産物は市場原理に支配されている。・食料生産は十分なのに飢餓問題を解消できていない。・文盲率問題を解決できていない。・電力生産は圧倒的に化石燃料の石炭依存である。・電化が完全普及ができてていない。・世界の人口は増加の一途。

問 題 提 起－２

問題を解決するためには教育、政治、宗教に並んで科学技術がなくてはならないと思う。

しかし、現状は

・日本の農林業就業者は少なない。・日本の食糧自給率は低下の一途である。・産業総生産は20年間変化しない異常事態である。・エネルギー政策は迷走している。再生可能エネルギーの普及は進んでいない。・平均寿命が異常なペースで伸び続けている。・社会保障費が国家財政を圧迫している。

議論

・20年前に爆発的に普及したデジタルエレクトロニクスとインターネットは社会を大きく変化させた。・特に通信情報システム、金融システムを完全に変えてしまった。・グローバル経済はいまや政治情勢を左右する大きな存在である。・しかし、デジタルエレクトロニクスはまだ我々の大切な生活部分の改善に至っていないように思う。・まだ時間がかかるだけかもしれない。ほっとけば上手くいくかも。・でもなにか考えてみよう。

課 題

日本及び世界は多くの要因が絡んだ複雑な諸問題に直面している。われわれはエレクトロニクスと科学技術を駆使して良い世の中を作らなければならない。本日の資料或いは自らの資料に基づいて、今後のエレクトロニクスと科学技術がどのように発展すべきか議論せよ。一つの分野に絞った議論でも良い。さらに新しい技術提案があれば大変望ましい。