小さなチップを製造するのはなぜそんなに難しいのでしょうか?

デジタル時代において、チップは私たち全員の生活に欠かせないものとなっています。私たちが使っているコンピューター、携帯電話、さらには自動車にも、多数のチップが搭載されています。 1 つのチップが正常に動作しなくなると、携帯電話の故障から車の制御不能に至るまで、私たちの生活に影響が及びます...

チップの利便性を享受しながら、私たちはなぜチップがデジタル時代にとってそれほど重要なのか考えたことがあるでしょうか?なぜ開発や製造が難しいのでしょうか?これはチップの歴史から始めなければなりません。

真空管からトランジスタへ

「古代、人々は縄の結び目を作ることで統治していました。」人類の文明が誕生して以来、コンピューティングは私たちの生活から切り離せないものとなっています。家庭の収入と支出のバランスから国の経済の方向性まで、家庭や国の運命を決めるこれらの数字はすべて計算が必要です。人々はこの目的のために、珠を上下に動かすそろばんや、ボタンを押して目的の結果を得ることができる計算機など、さまざまな計算ツールを開発してきました。

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コンピューティングに対する需要が増加し続けると、人間ベースのコンピューティング方法はすぐにボトルネックに遭遇します。戦争によって初期のコンピュータが誕生しました。チューリングは電気機械原理に基づいたコンピュータを開発し、ドイツのエニグマ暗号を解読しました。イギリスはドイツのローレンツ暗号を解読するために「コロッサス・コンピュータ」を開発しました。これは世界初のプログラム可能なデジタルコンピュータとも考えられています。これらの機械は、人間だけでは困難、あるいは不可能な計算を簡単に実行できます。

巨大コンピューターの核となるのは「真空管」で、内部に金属線が入った巨大な電球のように見えます。電気がオンになると、これらの金属線には電気が流れるか流れないかの 2 つの運命しかなく、これは 2 進数の 1 と 0 に相当します。これら 2 つの数値を使用すると、理論的にはあらゆる計算を実行できます。現在のインターネット上の仮想世界も、大まかに言えば無数の 1 と 0 から生まれたものと言えます。

真空管ベースのコンピューターは強力ですが、独自の制限があります。第一に、真空管は大きすぎました。ペンシルバニア大学が開発した ENIAC マシンには 17,000 本以上の真空管が搭載されており、膨大なスペースを占有し、膨大な量の電力を消費します。一方、大量の真空管はさまざまな潜在的危険ももたらします。統計によると、このマシンでは平均して 2 日ごとに真空管の故障が発生し、トラブルシューティングにはそれぞれ少なくとも 15 分かかります。さまざまな1と0を安定して生成するために、人々は真空管に代わるものを探し始めました。

この画期的な発明は有名なベル研究所から生まれ、彼らが選んだのは半導体でした。半導体とは、導体（銅線のように電気が自由に流れるもの）と絶縁体（ガラスのように電気をまったく通さないもの）の中間の導電性を持つ材料です。特定の条件下では、導電性が変化することがあります。例えば、誰もが聞いたことのある「シリコン」（Si）は、それ自体では導電性がありませんが、他の特定の材料を加えることで導電性を持つようになります。 「半導体」という名前はこれに由来しています。

ベル研究所のウィリアム・ショックレーは、半導体材料の近くに電界をかけると導電性が変化するという理論を初めて提唱したが、実験的にその理論を確認することはできなかった。

この理論に触発されて、彼の2人の同僚であるジョン・バーディーン氏とウォルター・ブラッテンは2年後に「トランジスタ」と呼ばれる半導体デバイスを開発しました。追い抜かれることを望まなかったショックレーは、1年後にさらに新しいトランジスタを開発した。 10年後、彼ら3人はトランジスタ分野への貢献によりノーベル物理学賞を受賞しました。トランジスタの分野は拡大を続け、新たなメンバーを迎えるにつれて、トランジスタはデジタル時代の礎にもなっています。

チップとシリコンバレーの誕生

トランジスタが徐々に真空管に取って代わるにつれ、実際の用途におけるトランジスタの限界が明らかになりました。その中でも最も重要なのは、何万個ものトランジスタを配線して使用可能な回路にする方法です。

トランジスタが複雑な機能を実現するには、回路にトランジスタの他に抵抗器、コンデンサ、インダクタなどの部品も必要となり、さらに溶接や回路接続が必要になります。これらの部品には標準サイズがないため、回路の作成は膨大な作業となり、エラーが発生しやすくなります。当時の解決策の 1 つは、各電子部品のサイズと形状を指定し、モジュール方式を使用して回路設計を再定義することでした。

テキサス・インスツルメンツ社のジャック・キルビー氏は、この計画に感銘を受けず、どんなに規模が大きくても縮小することはできないという根本的な問題は解決されないと考えていた。結果として得られるモジュラー回路は依然として大きく、小型デバイスには適用できません。彼のソリューションは、トランジスタ、抵抗器、コンデンサをすべて半導体材料上に配置してすべてを統合し、その後の製造時間を大幅に節約し、エラーの可能性を減らしました。

1958年、彼はゲルマニウム（Ge）を使った試作品を製作した。これにはトランジスタ、3つの抵抗器、コンデンサが含まれ、ワイヤで接続すると正弦波を生成できた。この新しい回路は「集積回路」と呼ばれ、後に「チップ」というより一般的な略語が付けられました。キルビー自身はこの発明により2000年にノーベル物理学賞を受賞した。

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ほぼ同じ時期に、8人のエンジニアが同時にショックレー社を退職し、共同で事業を開始し、フェアチャイルドセミコンダクター社を設立しました。辞任したこの8人は半導体史上有名な「8人の逆賊」だ。 8人の反乱者のリーダーであるロバート・ノイスも、半導体材料の上に複数の部品を作り、集積回路を製造することを考えた。キルビーのアプローチとは異なり、彼の設計では配線が個々のコンポーネントと統合されていました。この統合設計は、生産と製造において大きな利点をもたらします。唯一の問題はコストです。ノイスの集積回路には明らかな利点があるものの、そのコストはオリジナルの 50 倍です。

数十年前の戦争がコンピューターの原型を生み出したのと同様に、冷戦はノイスのチップに予期せぬビジネスチャンスをもたらしました。旧ソ連が世界初の人工衛星を打ち上げ、人類を初めて宇宙に送り出すと、危機感を抱いた米国は包括的な追い上げ計画を開始した。彼らは最後の反撃として人類を月に送ることを決定しましたが、この作業には膨大な量の計算（ロケットの制御、着陸カプセルの操作、最適な時間枠の計算など）が必要でした。アメリカ航空宇宙局（NASA）はノイスのチップに運命を賭けた。この集積回路はサイズが小さく、消費電力も少ない。人類を月に送るためには、重さのグラム単位、エネルギーのワット単位まで計算しなければなりません。この種の極端なプロジェクトの場合、それは間違いなくより良い選択です。

人類の月面着陸計画では、このチップの潜在能力が世界に実証された。ノイス氏は、アポロ計画のコンピューターでは、このチップは1900万時間稼働し、故障は2回のみで、そのうち1回は外部要因によるものだったと語った。

さらに、月面着陸ミッションでは、チップが宇宙空間の極めて過酷な環境でも正常に動作できることも確認されました。フェアチャイルドの台頭後、この会社の従業員も地元に進出し、インテルやAMDなどの企業を設立しました。半導体企業が密集するこの地域は、後にシリコンバレーというより有名な名前を持つようになりました。

フォトリソグラフィー

集積回路のサイズは、散在するトランジスタ部品で構成された回路よりもはるかに小さく、内部の構造を観察して品質を確認するには顕微鏡が必要になることがよくあります。テキサス・インスツルメンツ社のジェイ・ラスロップ氏は、観察中に突然、顕微鏡で下を覗くと物体を拡大できるのだから、下から見上げれば物体を小さくできるのではないか、というアイデアを思いつきました。

これは楽しみのためではありません。当時、集積回路のサイズは手作業による製造の限界に達しており、新たなブレークスルーを起こすことは困難でした。設計した回路図を半導体材料に「印刷」できれば、自動化技術で製造し、大量生産が可能になります。

ラスロップはすぐに自分のアイデアを試した。まず彼はコダックからフォトレジストと呼ばれる化学物質を購入し、それを半導体材料に塗布しました。それから彼は計画通り顕微鏡を逆さまにして、レンズをプレートで覆い、小さな模様だけが見えるようにした。

最後に、彼はレンズを通して光を顕微鏡の反対側にあるフォトレジストに当てました。光の作用により、フォトレジストは化学反応を起こし、ゆっくりと溶解して消え、その下のシリコン材料が現れます。露出した素材の形状は、彼が最初に設計したパターンとまったく同じでしたが、数百または数千分の1に縮小されました。製造業者は露出した溝に新たな材料を追加し、回路を接続し、余分なフォトレジストを洗い流すことができます。この一連のプロセスは、チップの製造に使用されるフォトリソグラフィ技術です。

その後、テキサス・インスツルメンツ社はこのプロセスをさらに改良し、各リンクに参照用の標準を持たせました。これにより、集積回路の標準化された大量生産の時代も到来しました。チップがますます複雑になるにつれて、集積回路を作るにはこのプロセスを少なくとも数十回繰り返す必要があります。

フェアチャイルドもそれに倣い、独自のフォトリソグラフィー製造技術を開発しました。ノイス氏に加えて、この会社の他の 7 人の創設者も素晴らしい人々です。その中でもゴードン・ムーアが最高です。

1965 年、彼は集積回路の将来について予測し、フォトリソグラフィーなどの製造技術が進歩し続けるにつれて、チップ内の部品の数は毎年倍増するだろうと考えました。長期的には、チップの計算能力は飛躍的に向上し、コストは大幅に低下するでしょう。この明らかな結果は、チップが一般家庭に大量に導入され、世界を完全に変えることになるだろう。ムーアの予測は後に「ムーアの法則」と呼ばれ、世界に知られるようになりました。

ムーアの法則が確立された前提は、製造技術の継続的な発展と革新です。いくつかの初期の企業によって開発されたフォトリソグラフィー技術はほぼ完璧でした。それは、フォトレジストに一筆ずつ光を当てて、わずか 1 ミクロン幅の線を彫るようなものでした。さらに、この技術は一度に複数のチップを彫刻できるため、チップの生産能力が大幅に向上します。しかし、チップ製造の精度に対する需要がますます高まるにつれ、ミクロンレベルのリソグラフィー装置では業界のニーズを満たすことができなくなり、ナノレベルのリソグラフィー装置が新たな主流となりました。

しかし、このようなリソグラフィー機の開発は容易ではありません。ますます小さくなるミニスペースでリソグラフィーを実行する方法が、リソグラフィー技術の発展を妨げるボトルネックとなっています。

極端紫外線リソグラフィー

1992 年、ムーアの法則は破綻寸前でした。この法則を維持するためには、チップの回路をさらに小型化する必要がありました。使用する光源であっても、光で照らされるレンズであっても、新たな要件があります。

ラソップが初めてフォトリソグラフィーを開発したとき、彼は最も単純な可視光を使用しました。これらの光の波長は数百ナノメートル程度であり、チップに印刷される最終的な最大サイズも数百ナノメートルです。チップ上にさらに小さなコンポーネント（たとえば、わずか数十ナノメートル）を印刷する必要がある場合、必要な光源は可視光の限界を超えて紫外線の領域に入る必要があります。

一部の企業は、200ナノメートル未満の波長を使用する深紫外線（DUV）光を使用した製造装置を開発しました。しかし、長期的には、人々が到達したいのは極端紫外線（EUV）です。波長が短いほど、チップに刻印できる詳細が多くなります。最終的に、波長13.5ナノメートルの極端紫外線に着目し、オランダのASMLが世界唯一のEUV装置メーカーとなった。

EUV技術は20年近く開発されてきました。機能するEUVマシンを製造するために、ASMLは自社のニーズを満たす最先端の部品を世界中から探し出す必要がある。リソグラフィー装置として、まず必要なのは光源です。EUVを生成するには、直径がわずか数十ミクロンのスズ液滴を発射し、真空中を時速300キロメートル以上の速度で移動させ、同時にレーザーで正確に照射する必要があります。1回ではなく2回です。

1 回目は加熱し、2 回目は太陽の表面温度の数倍にあたる 50 万度の温度でプラズマ状に噴射します。十分な EUV を生成するには、このプロセスを 1 秒間に 50,000 回繰り返す必要があります。このようなハイテクで洗練された技術には、どれほど多くの先進的な部品が必要であるかは想像に難くありません。

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実際の操作は上記の説明よりも複雑です。例えば、レーザー照射時に発生する大量の熱を除去するためには、換気用のファンが必要となり、回転速度は1秒間に1,000回に達する必要があります。この速度は物理的なベアリングの限界を超えるため、ファンを空中に浮かせて回転させ続けるには磁石が必要になります。

さらに、レーザー送信機には内部のガス密度に関する厳しい要件があり、機器に影響を及ぼす可能性のある、スズ液滴に照射されたレーザーの反射も避ける必要があります。レーザーを発射する機械の開発だけでも10年以上の研究開発を要し、送信機1台につき45万個以上の部品が必要だ。

スズ液滴を衝突させることによって生成される EUV 光は入手が難しく、研究者たちはこの光を集めてチップに導く方法をまだ学ぶ必要があります。 EUV の波長は非常に短いため、反射されるのではなく周囲の物質に吸収されやすくなります。最終的に、カールツァイスは EUV を反射する極めて滑らかなミラーを開発しました。

この鏡の滑らかさは想像を絶するものです。公式には、この鏡をドイツ全体の大きさに拡大した場合、鏡の最大の凹凸はわずか 0.1 mm になります。同社はまた、自社のミラーがレーザーを誘導し、月面でゴルフボールを正確に打つことができると自信を持っている。

このような複雑な機器セットには、科学的および技術的な知識だけでなく、サプライチェーンの完全な管理も必要です。 ASML 自体が EUV マシンのコンポーネントの 15% のみを生産しています。残りは世界中のパートナーから来ています。もちろん、購入した製品も注意深く監視し、必要に応じてこれらの企業を買収して自ら管理することもあります。このような機械は、さまざまな国の技術の結晶です。

EUV マシンの最初のプロトタイプは 2006 年に誕生しました。2010 年には最初の商用 EUV マシンが出荷されました。 ASMLは今後数年間で、1台あたり3億ドルのコストがかかる新​​世代のEUVマシンを発売する予定だ。

チップアプリケーション

高度な製造技術により、さまざまなチップが誕生しました。 21 世紀では、チップは 3 つのカテゴリに分類できると結論付ける人もいます。

最初のタイプはロジック チップで、コンピューター、携帯電話、ネットワーク サーバーのプロセッサとして使用されます。

2 番目のカテゴリはメモリ チップで、その典型的な例としては Intel が開発した DRAM チップがあります。この製品が発売される前は、データストレージは磁気コアに依存していました。磁化されたコンポーネントは 1 を表し、磁化されていないコンポーネントは 0 を表していました。Intel のアプローチは、トランジスタとコンデンサを組み合わせることで、充電は 1 を表し、充電されていないコンポーネントは 0 を表します。磁気コアと比較すると、新しいストレージツールは同様の原理ですが、すべてがチップに統合されているため、サイズが小さく、エラー率が低くなります。このようなチップは、コンピュータの実行中に短期および長期のメモリを提供します。

3 番目のタイプのチップは、アナログ信号を処理する「アナログ チップ」と呼ばれます。

これらのチップの中では、ロジックチップの方が馴染みがあるかもしれません。インテルは最も早くDRAMメモリチップを開発したが、日本企業との競争に負けていた。 1980 年、Intel と IBM は、パーソナル コンピュータ用の中央処理装置 (CPU) を製造するために提携しました。

IBM 初のパーソナル コンピュータの登場により、このコンピュータに組み込まれた Intel プロセッサが業界の「標準」となり、同様に Microsoft の Windows システムが一般の人々にとってより馴染みのあるオペレーティング システムとなりました。この賭けにより、インテルはDRAM分野から完全に撤退し、再び立ち上がることができました。

CPU の開発は一夜にして実現するものではありません。実際、Intel は 1971 年にはすでに最初のマイクロプロセッサ (CPU と比較すると、特定のタスクを 1 つしか処理できない) を開発しており、設計プロセス全体の開発には丸 6 か月かかりました。当時、このマイクロプロセッサには数千個の部品しかなく、使用された設計ツールは色鉛筆と定規だけであり、中世の職人と同じくらい後進的でした。リン・コンウェイは、自動チップ設計の問題を解決するプログラムを開発しました。このプログラムを使用すると、チップを設計したことのない学生でも、短期間で機能的なチップを設計する方法を学ぶことができます。

1980 年代後半、Intel は 486 プロセッサを開発しました。このプロセッサは、小さなシリコン チップに 120 万個の小さなコンポーネントを配置して、さまざまな 0 と 1 を生成できました。 2010 年までに、最先端のマイクロプロセッサ チップには 10 億個のトランジスタが搭載されるようになります。このタイプのチップの開発は、少数の寡占企業によって開発された設計ソフトウェアと切り離せません。

近年、別の種類のロジック チップであるグラフィックス プロセッシング ユニット(GPU、一般にグラフィックス カードと呼ばれる) も注目を集めています。 Nvidia はこの分野の主要プレーヤーです。同社は創業当初、3D グラフィックスが未来であると信じ、3D グラフィックスを処理できる GPU を設計し、チップの動作方法を指示する一連の対応ソフトウェアを開発しました。 「順番に計算する」Intelの中央処理装置とは異なり、GPUの利点は、多数の単純な計算を同時に実行できることです。

人工知能の時代に、GPU がまったく新しい使命を持つことになるとは誰も予想していませんでした。人工知能モデルを訓練するには、科学者はデータを使用してアルゴリズムを継続的に最適化し、猫や犬の識別、囲碁のプレイ、人間とのコミュニケーションなど、人間が割り当てたタスクを完了できるようにモデルを訓練する必要があります。このとき、複数の計算を同時に行うデータの「並列処理」を行うために開発されたGPUは、独自の優位性を持ち、人工知能の時代にも新たな命を吹き込まれています。

チップのもう一つの重要な用途は通信です。アーウィン・ジェイコブスは、チップが複雑なアルゴリズムを処理でき、膨大な量の情報をエンコードできることに気づき、友人とともにクアルコムを設立して通信分野に参入しました。最も初期の携帯電話は、黒いレンガのような外観で「ビッグブラザー」とも呼ばれていたことが知られています。

その後、通信技術は急速に発展しました。2G技術では画像やテキストを送信でき、3G技術ではウェブサイトを開くことができ、4Gではスムーズに動画を視聴でき、5Gではさらに大きな飛躍が期待できます。ここでの各 G は「世代」を表します。ご覧のとおり、無線技術の各世代では、電波を介して指数関数的に多くの情報を伝送できるようになりました。最近は、携帯電話で動画を視聴するときに、少しでも遅延があるとイライラしてしまいます。 10 年以上前は、テキスト メッセージしか送信できなかったとは知りませんでした。

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クアルコムはその後も2Gやその他の携帯電話技術の開発に参加した。クアルコムはムーアの法則に従って進化し続けるチップを使用することで、無制限のスペクトルを使用して広大な空間でより多くの携帯電話通話を行うことができる。 5Gネットワ​​ークをアップグレードするには、携帯電話に新しいチップを搭載するだけでなく、基地局に新しいハードウェアを設置する必要があります。これらのハードウェアとチップはより強力な計算能力を備えており、ワイヤレス方式を使用してデータをより高速に転送できます。

製造とサプライチェーン

1976 年には、チップを設計するほぼすべての企業が独自の製造拠点を持っていました。しかし、チップ設計とチップ製造の作業を分離し、チップ製造作業を専門のファウンドリに委託すれば、チップ設計会社のコストを大幅に削減することができます。

TSMC は設立され、チップの設計ではなく製造のみを約束しました。こうすることで、チップを設計する企業は機密情報が漏洩することを心配する必要がなくなります。そして TSMC はチップの販売量の増加には依存していません。顧客が成功している限り、同社も成功しているのです。

TSMC以前にも、いくつかのアメリカのチップ企業は広大な太平洋の向こう側に目を向けていた。1960年代には、フェアチャイルドがカリフォルニアから出荷されたさまざまなチップを組み立てるため香港にセンターを設立した。生産初年度、香港工場は極めて低い人件費と優れた品質で 1 億 2,000 万台のデバイスを組み立てました。 10年以内に、ほぼすべてのアメリカの半導体企業がアジアに組立工場を設立しました。これにより、東アジアと東南アジアを中心とした現在のチップサプライチェーン構造の基礎も築かれました。

アジアの効率性と品質へのこだわりは、すぐに米国の半導体産業における地位に挑戦することになった。 1980 年代、チップの品質テストを担当する会社の幹部は、日本で生産されたチップの品質が米国のそれを上回っていることを予期せず発見しました。一般的な米国製チップの故障率は日本製チップの 4.5 倍で、最も品質の悪い米国製チップの故障率は日本製チップの 10 倍でした。 「日本製」はもはや、安くて品質が悪いという意味ではありません。さらに恐ろしいのは、限界まで絞り込まれたアメリカの生産ラインでさえ、日本のものよりはるかに効率が悪いということだ。 「日本の資本コストはわずか6～7％で、最高時には18％だった」とAMDのCEO、ジェリー・サンダース氏はかつて語った。

金融環境もこの傾向を助長する役割を果たした。インフレを抑制するため、米国の金利は一時21.5%まで上昇した。日本の半導体企業はいずれもコンソーシアムの支援を受けており、国民は貯蓄に慣れていたため、銀行は長期にわたり半導体企業に多額の低利融資を提供することができた。資本の助けを借りれば、日本企業は積極的に市場シェアを獲得することができます。

その結果、高度なロジックチップを生産できる企業は最終的に東アジアに集中し、製造されたチップは組み立てのために周辺地域に送られました。たとえば、Apple のチップは主に韓国と台湾で生産され、その後 Foxconn に送られて組み立てられます。これらのチップには、メインプロセッサだけでなく、ワイヤレスネットワークや Bluetooth チップ、写真を撮るためのチップ、動きを感知するためのチップなどが含まれます。

チップの生産・製造能力が徐々に少数の企業に集中するにつれ、これらの元来のファウンドリー企業は、さまざまな企業のニーズを調整したり、ルールを作ったりするなど、より大きな力を獲得してきました。現在、チップの設計を担当している企業はチップを製造する能力を持っていないため、アドバイスに従うことしかできません。これらの勢力の拡大は、現在の地政学的闘争の話題の一つでもあります。

結論

第二次世界大戦の暗号を解読した機械から、人類を月に送った宇宙船まで。音楽を再生するポータブル音楽プレーヤーから、日々の移動に使用する飛行機や車、この文章を読むために使用する携帯電話やコンピューターまで、これらのデバイスはチップと切り離すことはできません。

毎日、普通の人は少なくとも数十から数百個のチップを使用しています。これらすべては、チップ技術の開発とチップの生産および製造と切り離すことはできません。チップはこの時代における最も重要な発明の一つです。新しいチップを開発するには、科学技術の支援だけでなく、高度な製造・生産能力、そしてこれらのチップを応用する民間市場も必要です。

チップの設計と製造能力のレイアウトは、現在のパターンを形成するために数十年にわたる変化を経ており、この時代には異なる意味も生み出しています。この記事は、過去数十年間のチップに関するいくつかの重要な産業ノードについて振り返り、興味のある読者に参考情報を提供したいと考えています。

企画・制作

著者: Ye Shi ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨黄永光 中国科学院半導体研究所オプトエレクトロニクスチップ研究員

企画丨Xu Lai

編集者：イヌオ

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