半導体技術は私たちの日常生活に欠かせない存在となっています。そして、その進化の鍵を握るのが「微細化技術」です。トランジスタをより小さくすることで、私たちが使うスマートフォンやコンピュータはさらに高性能になり、省エネ化も進んでいます。このブログでは、半導体の微細化とはどうゆうことなのか、微細化をすることでどんなことが可能なのかを見ていき、そして小さなトランジスタがどのようにして大きな変化をもたらしているのか、一緒に見ていきましょう。
微細化技術で進化する半導体の世界
半導体とは？
半導体は、電気を通す能力が金属と絶縁体の中間にある材料のことです。シリコンが代表的な半導体材料で、その特性により多くの電子機器に利用されています。半導体はコンピュータやスマートフォンなどの電子機器の心臓部であり、プロセッサやメモリなどの重要な部品に使われています。これらのデバイスは半導体の特性を利用して電気
信号を処理し、情報を高速かつ効率的に処理することができます。さらに、半導体技術の進歩により、トランジスタのサイズが小型化され、より高性能で省エネなデバイスの実現が可能となりました。
例えば、最新のスマートフォンやコンピュータには、数十億個のトランジスタが集積された半導体チップが搭載されており、
その性能向上は私たちの生活を大きく変えています。半導体はまた、自動車の電子制御システムや家電製品、通信機器など、さまざまな分野で利用されており、現代社会の基盤を支える重要な技術となっています。
半導体の中のトランジスタ
半導体の中にはたくさんの小さなスイッチ（トランジスタ）が入っています。トランジスタは電気を流したり止めたりすることで、コンピュータが情報を処理するのを助け、一方で電気信号を増幅したりスイッチングしたりする機能を持っています。例えば、ラジオの場合、空中を伝わってきた極めて微弱な信号を広げ、
スピーカーを鳴らしますが、この拡大(増幅)をしてくれるのがトランジスタです。また、あらかじめ決められた信号が来た時だけ動作するスイッチの役割も果たします。IC(Integrated Circuit-集積回路)やLSI(Large Scale Integration-大規模集積回路)といっても結局はその働きの基本はトランジスタの集まりです。
微細化とは？
- 微細化（びさいか）: 微細化とは、半導体のトランジスタをどんどん小さく作ることを意味します。これにより、同じ面積の半導体にもっと多くのトランジスタを詰め込むことができます。
- 半導体の微細化は「プロセス技術」として表されます。プロセス技術とは、半導体製造の際にトランジスタをどれだけ小さく作れるかを示す指標です。例えば、10nm（ナノメートル）プロセス技術や5nmプロセス技術などがあります。この数字が小さいほど、トランジスタのサイズが小さくなり、結果として高性能で省エネルギーな半導体を作ることが可能になります。
- ナノメートルはとっても小さな長さの単位です。どれくらい小さいかというと、1メートルを10億個に分けたうちの1つの長さです。例えば、人の髪の毛の太さは約80,000ナノメートルくらいです。
- 代表的な5ナノメートルはとても小さく、目で見ることも、普通の顕微鏡でも見ることができないくらい小さいサイズ。この長さは、ウイルスやDNAのような微生物のサイズと同じくらいです。
- 私たちが使うスマホやコンピュータの中には、たくさんの小さな部品（トランジスタ）が入っています。5ナノメートルの技術は、この部品をとても小さく作ることができる技術です。小さく作ることで、コンピュータがもっと速く、もっと省エネになります。
- 半導体の微細化は、単にトランジスタのサイズを小さくするだけでなく、製造プロセス全体の改善も伴います。リソグラフィ技術の進化や新材料の導入、製造プロセスの高度な制御が求められます。これにより、半導体業界は常に技術革新を追求し続け、高性能なデバイスの実現を目指しています。
微細化のメリット
- 性能向上: トランジスタが小さくなると、電気が流れる距離も短くなり、情報をより速く処理することができます。
- 省エネルギー: 小さなトランジスタは消費する電力が少なくなり、バッテリーの持ちが良くなります。
- 多機能化: 同じ大きさの半導体にもっと多くのトランジスタを詰め込めるので、より複雑で多機能なチップを作ることができます。
iPhoneは微細化進化のバロメーター
- 当初は外部から購入していたプロセッサは「A4」からAppleの自社製となりました。iPhone 12では用いられている「A14」 Apple製プロセッサーの10番目のチップとなっています。AI機能やGPU機能の強化、カメラ処理等多分野にも充分適用できるほどの進化が続いています。
- 最新のiPhone15 Proモデルには、AppleのA17 Proチップが搭載されています。A17 Proチップは、TSMC(台湾セミコンダクター)の最先端である3nmプロセス技術を使用して製造されています。この微細化プロセスにより、トランジスタ密度が増加し、より高性能で省電力なチップが実現されています。
- 一番新しいところ(2024年5月)では、新型iPad Proの2モデルに初めてM4チップが搭載されることが明らかになりまが、このM4チップは、第2世代の3nm製造プロセス技術(アップルが設計、TSMCが製造)を採用しており、驚異的な280億個のトランジスタを備えています。
微細化の挑戦
- 技術的な難しさ: トランジスタをどんどん小さく作るのは非常に難しく、最新の技術と装置が必要です。また、小さくなりすぎるとトランジスタが正しく動かないという問題もありますが、
- TSMC(台湾セミコンダクター)の報告によれば、2023年に3nmプロセス製品が需要が本格的に業績寄与、さらに進化した2nmプロセス製品は2025年に量産開始の予定と挑戦は続きます。
台湾セミコンダクター
TSMC( Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited )は世界最大の半導体製造ファウンドリ（委託製造専門業者）。主にIC（集積回路）の製造を手掛け、設計から生産、テストまでを提供5nm、7nm、10nmなどの最先端プロセス技術を活用し、半導体の微細化を推進。
先端プロセス技術におけるリーダーシップを保持し、3nmや2nmプロセス技術の開発も進行中最新のEUV（極端紫外線リソグラフィー）技術を導入し、さらに微細化したチップ製造を実現半導体の省電力化、高性能化、小型化に寄与
- 世界の半導体製造市場の50%以上のシェアを占める
- 主要なテクノロジー企業にとって不可欠なパートナー
- 世界中に製造拠点を持ち、アメリカ、日本、ヨーロッパなどに研究開発センターを設置
顧客にはApple、AMD、NVIDIA、Qualcomm、Broadcomなどのハイテク企業を持つ。特にアップルは、iPhoneのチップ（例：Aシリーズ）をTSMCに委託製造しています。
まとめ
- 半導体: 電気を通す能力が中間の材料で、電子機器に使われます。
- 微細化: トランジスタを小さく作ること。
- メリット: 性能向上、省エネルギー、多機能化。
- プロセス技術: 半導体の微細化を示す技術。数字が小さいほど進んだ技術。
- 挑戦: 微細化は技術的に難しく、最新の技術が必要。最先端の技術は2nmプロセスのレベルまで進む。
- 微細化のトップを走るのは、台湾のTSMC。世界最大の半導体製造ファウンドリー(委託製造専門業者)。
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