50年前に彼が言った一言のおかげで、今あなたは携帯電話を使えるようになった

2023年3月24日、アメリカの科学者で起業家のゴードン・ムーア氏が94歳で亡くなりました。ゴードン・ムーア氏は、真の「大物」であり、人類の技術発展の推進者であり、コンピューター業界全体に影響を与えた巨人でした。ムーア氏の最大の功績である「ムーアの法則」は、コンピュータ技術の急速な発展を促進し、コンピュータのより広範な利用を可能にしただけでなく、人類の科学の発展にも目に見えない大きな影響を与えました。

ゴードン・ムーア、画像出典：Wikipedia

この時点で、ショックレー博士から逃げたフェアチャイルドの「8人の裏切り者」は全員亡くなり、彼らの時代は終わりましたが、彼らが人類にもたらした貴重な富により、彼らは不滅になりました。

01

「裏切り者」がチップを「転がす」主導権を握る

物語はベル研究所のウィリアム・ショックレーから始まります。この科学者はベル研究所でトランジスタを共同発明し、ノーベル物理学賞を受賞した。

ウィリアム・ショックレー、画像出典: Wikipedia

ショックレーは、より多くの利益を得るために、1955 年に自身の研究所であるショックレー半導体研究所を設立しました。この研究所は、米国カリフォルニア州パロアルトにあります。

ショックレー半導体研究所、画像出典: Wikipedia

この都市はあまり馴染みがないかもしれませんが、この都市は多くの巨大企業を育て上げ、現在でも多くの企業の本社が置かれています。よりよく知られている名前は「シリコンバレー」です。

ショックレーは優秀な物理学者だったが、豊富なビジネス経験と優れた経営能力に欠けていた。会社設立からわずか6か月で、多くの従業員が彼に対して非常に不満を抱くようになった。 1957 年 9 月 18 日、ロバート・ノイスとショックレー半導体研究所の 7 人の同僚が共同でショックレーに辞表を提出した。

ショックレーは当時激怒し、この8人の若者を恩知らずの裏切り者として非難した。これが「フェアチャイルド8人の裏切り者」の起源です。当時ショックレー氏が予想していなかったのは、これらの人々が将来シリコンバレーの伝説となるということだった。後にショックレー自身も言葉を変えて彼らを「8人の天才反逆者」と呼んだ。

「裏切り者の8人」の集合写真。左から右へ：ゴードン・ムーア、シェルドン・ロバーツ、ユージン・クライナー、ロバート・ノイス、ビクター・グリニッチ、ジュリアス・ブランク、ジーン・ホーニ、ジェイ・ラスト。画像出典: Wikipedia

ショックレーを去った後、「裏切り者8人組」は有名なフェアチャイルドセミコンダクター社を設立した。フェアチャイルドという名前はシリコンバレーと密接に結びついています。フェアチャイルドセミコンダクターの設立がシリコンバレーの誕生を意味したと言っても過言ではありません。

1968 年、フェアチャイルド セミコンダクターの急速な成長によってもたらされた一連の問題により、歴史は繰り返されました。ムーアはフェアチャイルドに反抗し、集積回路の発明者であるロバート・ノイス、アンディ・グローブとともにインテルを設立し、「トリニティ・インテル伝説」の旅が始まりました。

1965 年、ムーアは Electronics 誌から「Packaging More Components into Integrated Circuits」の執筆を依頼されました。わずか 4 ページのこの記事で、ムーアは数年分のデータをまとめ、有名な「ムーアの法則」を記しました。 「今後 10 年間で、チップの単位面積あたりのトランジスタ数は毎年倍増する」というものです。

1975年、ムーアはこの速度が速すぎることに気づいたため、ムーアの法則を2年ごとに2倍になる法則に変更した。

論文では、チップの単位面積あたりのトランジスタ数は今後10年間で毎年倍増すると述べられています。画像出典: 「集積回路にさらに多くのコンポーネントを搭載」

おそらくムーア自身も、この数行の言葉がその後半世紀にわたって半導体の発展の法則となり、全世界で追求されることになるとは予想していなかっただろう。

トランジスタの数が 18 か月ごとに 2 倍になるという有名なムーアの法則は、実際には、後にインテルの CEO となったデビッド・ハウスによって修正されたものです。彼は時間を変えただけでなく、トランジスタ数の倍増を「性能の倍増」と誤解した。ムーアの法則の誕生後、世界中の半導体企業は業界の「内乱」の道を歩み始めました。商業時代のムーアの法則は、販促ツールとなり、経済法則に変わりました。

02

ムーアの法則

トランジスタの「スリム化」

なぜ短期間でトランジスタの数が倍増できるのでしょうか?ムーアの法則はなぜ成り立つのでしょうか?これらの問題はトランジスタから始まります。

トランジスタは、端から端まで接続された 2 つのダイオードのようなものです。両側に同じタイプの半導体があり、中央に別のタイプの半導体があります。通常の状況では、電流は通過できませんが、中央の半導体に電流を流すと、電流が一定のしきい値に達するとトランジスタがオンになり、スイッチが開くのと同じになり、しきい値を下回るとトランジスタは回路ブレーカーと同じになります。

電流を調整することで自由なスイッチングを実現するこの能力は、トランジスタの最も重要な機能であり、デジタルエレクトロニクスとデジタルストレージへの扉を開きます。

さまざまなサイズのトランジスタ、画像出典: Wikipedia

人間は、多数のトランジスタを他のコンポーネントと組み合わせて、AND、OR、NOT ゲート回路などのさまざまな種類の論理回路を形成し、これらを組み合わせてさまざまなコンピューティング機能を実現できます。このタイプの回路は、通常の回路と比較して計算速度が速いだけでなく、非常に小型にできるため、さまざまなマイクロデバイスに簡単に統合できます。これはいわゆる集積回路であり、現代のインターネットや、皆さんの身の回りにあるコンピューターや携帯電話の「祖先」です。

トランジスタの数が増えると、形成できる論理回路の数が増え、同時に計算できる数値も増えるため、より高速な集積回路を形成できます。これが大規模、さらには超大規模集積回路が誕生した理由です。

集積回路内のトランジスタ、画像出典: Wikipedia

上記の説明から、同じチップアーキテクチャでは、トランジスタの数によってチップのパフォーマンスが実際に決まることがわかります。では、チップの単位面積あたりのトランジスタ数を 2 倍にするにはどうすればよいでしょうか?答えは実は非常に簡単です。各トランジスタの面積を元の半分に減らすのです。

初期のチップは 2 次元配置のみでした。トランジスタを長方形とみなすと、その長さと幅を元の 0.7 倍、つまり 0.7×0.7=0.49 に縮小すれば、トランジスタ 1 個の面積を元のサイズの半分に縮小できます。トランジスタの長さと幅は元の 0.7 倍になり、ゲート長も当然元の 0.7 倍になります。

著作権画像、転載禁止

ゲートとは何ですか?トランジスタのゲートはフェンスのような働きをし、電子をブロックしたり通過させたりすることができます。その機能は、ゲートの電流を調整することによってトランジスタを流れる電流の強度を調整することです。

ゲートは実際にはトランジスタの機能の中核であるため、科学者はプロセスの進捗の尺度として最小ゲート長を使用することを選択します。これは商業的な宣伝ではチップ製造プロセスと呼ばれることが多いものです。これで、携帯電話メーカーが推進するチッププロセス（14ナノメートル、10ナノメートル、7ナノメートル、そして5ナノメートル）が、毎回0.7の比率で削減されてきた理由がわかるはずです。

もちろん、3次元トランジスタスタッキング技術の発明、チップ周波数の進歩、物理的な制限により、今日のチップはトランジスタの数を「増やす」ことはできなくなり、トランジスタを倍増するというムーアの法則も達成できなくなりました。そのため、インテルはムーアの法則を「パフォーマンスを2倍にする」という方向に変更せざるを得なかったのです。いわゆるチッププロセスも象徴的な意味を持つようになりました。これはムーアの法則に従うために作成されたマーケティング手法であり、実際のチップの最小ゲート長を表すものではありません。

半導体産業は半世紀以上にわたってムーアの法則に従って発展してきました。最初の商用チップに搭載された 2,250 個のトランジスタから、今日の小型 CPU に搭載されている数百億個のトランジスタに至るまで、これらは何千人ものエンジニアの知恵の結晶です。半導体メーカーの競争はますます激しくなり、トランジスタの数が増え、チップの性能は絶えず向上し、価格は自然に低下します。現在私たちが享受しているインターネットやスマートフォンなどの技術の急速な変化と革新は、人類がムーアの法則を順守してきたことと切り離すことはできません。

03

ムーアの法則

消えてしまうのでしょうか？

残念ながら、新しいプロセスノードが継続的に導入されるにつれて、プロセス技術は徐々に物理的な限界に近づき、ムーアの法則は持続不可能になってきています。

ムーアの法則が限界に達した理由として、おそらく最もよく聞かれるのは量子トンネル効果でしょう。トランジスタがさらに小型化すれば、数個の原子ほどの大きさにまで達する可能性もあります。このスケールでは、量子効果が大幅に強化されます。このとき、ゲートに電流を流す必要がなく、一部の電子がエミッタからコレクタに直接流れる可能性があります。これは、トランジスタの機能が大幅に弱まり、非常に深刻な結果につながる可能性があることを意味します。

著作権画像、転載禁止

ゲートサイズをさらに縮小するために、人間はゲート材料を高誘電材料に置き換えて電子の浸透を防ぐなど、さまざまな解決策も提案してきました。あるいは、ゲートを魚のひれに似た二股の 3D 構造にし、平面デバイスの代わりに 3 次元構造を使用してゲートの制御能力を高め、チップに対する量子トンネル効果の影響を軽減することもできます。

しかし、これらの方法は単なる「遅延戦術」にすぎません。材料科学にブレークスルーがなければ、トランジスタの数が増えるにつれて製造コストは増加し続け、トランジスタの性能向上もボトルネックに遭遇するでしょう。ある日、ムーアの法則は「死ぬ」でしょう。

ムーアの法則の限界は2025年頃に達すると予測する人もいるが、楽観論者の中にはムーアの法則がもっと長く続くと考える人もいる。近年、AI時代の到来とともに、ムーアの法則の終焉についての議論が増えています。実際、ムーア自身も、ムーアの法則が無効になる日を予見していました。

ムーア氏は2015年のインタビューで、「ムーアの法則は永遠に有効ではないが、優れたエンジニアリング技術を適用すれば、ムーアの法則は5年から10年は持続する可能性がある」と述べている。興味深いことに、インテルは元リーダーの見解に同意していない。彼らはしばしば、ムーアの法則は「健在である」と公に述べています。

トランジスタ数の増加が鈍化していることは紛れもない事実ですが、大手メーカーは依然としてムーアの法則に追いつくために懸命に取り組んでいます。将来、人類はハードウェア構造を最適化し、より効率的な材料を使用することでトランジスタのパフォーマンスを向上させたり、量子コンピュータやニューラルコンピュータなどの新しいコンピューティングアーキテクチャを採用したりして、さまざまな分野やアプリケーションのニーズを満たすようになるかもしれません。

AI は「カンブリア爆発」を経験しており、より複雑でスマート、革新的な AI システムをサポートするには、より強力で高速、かつエネルギー効率の高いチップが必要です。現在人気のChatGPTを開発した会社のCEOはかつてソーシャルメディアに、ムーアの法則（世界の人工知能の計算能力は18か月ごとに2倍になる）の新しいバージョンが間もなく登場すると投稿した。これはゴードン・ムーア氏への最高の賛辞かもしれません。

04

結論

急速に変化するこの時代において、人々のテクノロジーに対する期待は絶えず高まっています。ムーアの法則の導入により、人々は将来のテクノロジーに対して無限の想像力と期待を持つようになりました。電子コンピュータから量子コンピュータまで、従来のインターネットからブロックチェーン技術まで、コンピュータ技術は驚異的なスピードで進化し、人間の世界と生活を絶えず変えています。したがって、コンピュータ技術の進歩を促進するために、常に新しい技術と方法を探す必要があります。

しかし同時に、私たちはコンピュータ技術の発展の複雑さと多様性を認識する必要があり、ムーアの法則の予測や約束に過度に依存すべきではありません。継続的な革新と探求を通じてのみ、コンピュータ技術の飛躍的な発展と人類社会の繁栄と進歩を達成することができます。

参考文献:

[1] ムーア、GE（1965）。集積回路にさらに多くのコンポーネントを詰め込む。エレクトロニクス、38(8)、114-117。

[2] CEA-LETI. （2020年）。ムーアの法則の限界を克服するための Leti のロードマップ。出典：

[3] デニング、PJ（2013）。コンピューティングの素晴らしい原則。 ACM通信、56(9)、34-42。

[4] ウー・ジュン「シリコンバレーの謎」[J]華東科学技術、2016年、第359号(01):79。

レビュー: 科学普及中国

著者: 王志豪 (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事の表紙画像と一部の画像は著作権ギャラリーから引用しています

画像コンテンツの複製は許可されていません