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「電子立国日本の自叙伝」に見る
半導体産業温故知新
秋田純一(金沢大)
2021/3/21 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
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Contents
半導体の基礎知識
物性〜製造〜回路〜システム
「電子立国日本の自叙伝」とその時代背景
どういう時代だったのか?
「電子立国日本の自叙伝」その後
その後、時代はどう進んでいったのか?
そこから、何を学ぶべきなのか?
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※Disclaimer
「昔はよかった」とか「日本の半導体の復活」
みたいなことは、毛頭、全く興味はありません
歴史をふまえて、現状を知り、未来を考えた
い、という立場です
これをきっかけに、半導体の中身(作り方や
原理)について、知識を持つ機会にできれば
と思います。
そして、半導体の非専門家の皆さんが、半導
体とどう向き合うとシアワセか、を、いっしょに
考えたいと思います
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半導体の基礎知識
物性〜製造〜回路〜システム
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今日のお題:「半導体」
チップ(半導体チップ)
=集積回路(Integrated Circuits; IC)
「シリコン」「石」と呼ばれることもある(けっこう適当)
LSI(大規模集積回路; Large Scale Integration)
導体と絶縁体の中間の
電気抵抗をもつ材料
条件に応じて導体や絶縁体になる
(電流をON/OFFできる)
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
半導体=コンピュータ=現代社会
半導体を知ることは社会の未来を理解すること
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(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)
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(おまけ)
ネタをTwitterで晒していたら、本になりました
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ひとことで「半導体」といっても
プロセス:製造方法(ほとんど化学)
結晶成長、酸化、ガス拡散、イオン、・・・
デバイス:電子の挙動(ほとんど物理)
量子力学、結晶界面、電子伝導
回路:トランジスタのつなぎ方(電子回路)
回路理論、オーム法則〜電子回路
ロジック:論理回路
VerilogHDL〜高位合成(FPGAもここ)
システム:アーキテクチャ(ほとんどアート)
全体を俯瞰して、実現可能性&最適化
設計ツール:CAD/EDAツール
プロセス、デバイス、回路、ロジック、・・・
秋田の
守備範囲
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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)
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つくりかた
「電子立国日本の自叙伝」を見ましょう
30年前の話ですが、基本原理は同じ
(準備)材料採掘→ウエハ
(前工程)ウエハに素子・回路を作る
(後工程)チップを切り分け、パッケージに入
れて、テストする
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(準備)Si採掘〜ウエハまで
Si原石(SiO2)を採掘
還元してSi
eleven-nine純度(99.99…9%)に精製(→多結晶Si)
単結晶引き上げ(→インゴット)
スライス(→ウエハ)
研磨
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(前工程)回路の作り込み(1)
ウエハ上に順にトランジスタや配線を作る
酸化(保護膜をつける)
写真工程(フォトリソ)&エッチングで
酸化膜に穴を開ける
https://www.hitachi-hightech.com/jp/products/device/semiconductor/etch.html
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(前工程)回路の作り込み(2)
空いた酸化膜の窓から:
不純物導入(半導体の性質を変える)
配線形成(パターンを形成)※PCBと原理は同じ
https://www.aion-kk.co.jp/column/etching_vol3/
N型
P型
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「写真工程」といえば・・・
プリントゴッコ(RISO)
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(後工程)よく見るICへ
ダイシング(ウエハ→チップ)
ボンディング(チップと足を接続)
モールディング(樹脂封入)
検査
※前工程よりクリーン度・必要精度が低い
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都市鉱山?
ワイヤーボンディングの
金線など
東京オリンピックの
金メダル、という話も
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半導体が基盤技術となった要因
Siは豊富・安価な材料(質量順で地球上2位)
SiO2が安定・高品質な絶縁体・保護膜
Siを酸化して作れる(別材料を積まなくていい)
写真工程(フォトリソ)で、まとめてつくれる
1個でも1億個でも手間は同じ
ガス拡散・イオン打ち込み等で電気的性質を
選択的に自由に変えられる
比例縮小という性質が担保する進化の道筋
=Mooreの法則
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もう一つの奇跡的整合:光ファイバ
λ=1.55μm(近赤外)
半導体レーザの実用化
(AlGaAs/GaAs(0.8μm)→InGaAsP/InP)
=安価・安定な光源
石英ファイバの損失が最も小さい(極低損失帯)
=長距離伝送できる
EDFA(エルミウム・ドープ・ファイバ増幅器)で増幅できる波長
=光のまま増幅できる
分散シフトファイバ(BSF)で波長分散=0
=波形が乱れない
Siが近赤外に受光感度を持つ=受信回路の集積化
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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)
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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(どちらかというと信頼性up)→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.
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Mooreの法則の原論文(?)
チップにたくさん素子を
つめると・・・
信頼性が上がる
コストは下がる(が最適値がある)
ホームコンピュータも現実に
未来は明るい。あとは、どうやるか、だ。
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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 D
G
n-Si
n-Si
p-Si
S D
G
n-Si
n-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
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半導体チップ上の回路は平面状
設計図 チップ写真
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比例縮小:同じ形状=回路のまま
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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 D
G
n-Si
n-Si
p-Si
S D
G
n-Si
n-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
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般若心経だと・・・
1um
0.8um
0.5um
0.35um
18ヶ月
18ヶ月
18ヶ月
同じ用紙サイズなら文字数2倍
=機能2倍
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般若心経だと・・・(その2)
1um
18ヶ月
18ヶ月
0.5um
0.8um
同じ内容なら用紙サイズ1/2
=コスト1/2
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半導体の面白さと難しさ
Si平面に好きなものを作れる
CPU、メモリ、論理回路、アナログ回路
MEMS、センサ、・・・
白紙キャンパスに絵を描くようなもの
最後はGDS(レイアウトデータ)
設計方法はいろいろ
(回路図、HDL、図形描画・・・)
逆に、自由すぎて、どこから手を付けていいのか
途方に暮れることもしばしば・・・
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「電子立国日本の自叙伝」と
その時代背景
どういう時代だったのか?
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「電子立国日本の自叙伝」
1991 (平成3)年 1月〜9月、NHKスペシャル
第1回 新・石器時代 ~驚異の半導体産業~
第2回 トランジスタの誕生
第3回 石になった電気回路
第4回 電卓戦争
第5回 8ミリ角のコンピューター
第6回 ミクロン世界の技術大国
ディレクター:相田洋、語り:三宅民夫
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NHKオンデマンドでも見られます
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こういう時代でした
※この人は令和にもいる
※不動産価格がおかしい(原野商法など)
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その頃の日本の半導体産業
(朝日新聞
1987/05/25)
(朝日新聞1989/06/07)
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見どころ:第1回:概論・現況
「チップ作る。どこから?」「Si掘るところから!」
フォトリソ工程の説明
クリーンルーム内の映像はけっこう貴重
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見どころ:第2回:トランジスタ
電話(AT&T)→長寿命の増幅器が必要
→真空管に替わる固体増幅
J.バーディーン(1991/1/30没)
(超電導のBCS理論で二度目のノーベル賞)
点接触型トランジスタ
ショックレー
バーディーン
ブラッテン
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見どころ:第2回:トランジスタ
Geの精製(ゾーン・メルト法)
単結晶Geをつくる(引き上げ(CZ)法)
ショックレーは「無理だ」と言っていたらしい
(多結晶Geから単結晶を取り出して使う)
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見どころ:第2回:トランジスタ
Geトランジスタの作り方の工夫
バイポーラ・トランジスタ(※MOSFETとは別)
PNP構造の「N」を薄く安定に作るのがポイント
引き上げ(CZ)法(結晶成長の途中で不純物投入)
合金法
ソニーのラジオ←品質安定化の工夫
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見どころ:第3回:集積回路
Geトランジスタ→大規模システムへ
コンピュータ、ミサイル制御
問題点:配線が複雑・低信頼性+温度特性が悪い
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見どころ:第3回:集積回路
Siトランジスタへの期待
Siは反応性が高く、不安定
Siの熱酸化によるSiO2の形成=保護膜(偶然)
ガス拡散法で不純物導入(太陽電池から)→Trへ
Siの精製・単結晶成長
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見どころ:第3回:集積回路
Siトランジスタ→集積回路へ
Siトランジスタの構造:メサ型→プレーナ型
実はここで集積回路の要素技術は揃っていた
マーキュリー計画→アポロ計画へ
←非力なロケットからの回路の小型軽量化の要求
軍需の大量購入で量産技術が大きく進んだ
日本でも似た技術が
プレーナ型特許の回避
モレキュラー
・エレクトロニクス
(→集積回路)
メサ型:露出部があり不安定 プレーナ型:露出部がない
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見どころ:第4回:電卓戦争
計算機の歴史
機械式(手回し式)
コンピュータの理論・ブール代数と融合
リレー式→トランジスタ式
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見どころ:第4回:電卓戦争
アメリカより日本では小型化のニーズがあった
論理回路の省回路化からのMOSトランジスタ
理論的には示されていた(byバーディーン)
実際にはあまりにも不安定
(作ってもすぐ動かなくなる)
Naが原因とわかり、実用化(日本の技術)
集積回路誕生の頃は、ここまで複雑なシステムがな
かった(byノイス)
バイポーラのNANDゲート MOSのNANDゲート
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見どころ:第4回:電卓戦争
MOS回路の進化
←電卓のための省回路・低電力
pMOS→ダイナミックpMOS
→CMOS→クロックトCMOS
TI製電卓LSI→コモディティ化
差別化へ
機能を割り切った低価格
液晶→太陽電池駆動
カスタムLSIを手設計
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(おまけ)電卓のいま
110円(税込み)
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電卓のチップを(基板ごと)炙ってみた
1.5 x 1.5mm
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電卓のチップを解析してみた
1.2um
(かなり昔の製造プロセス)
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見どころ:第5回:マイクロプロセッサ
ビジコン(日本)が、インテルに
電卓LSIの設計・製造を依頼(嶋が渡米)
インテルはもともとメモリの会社で、オーバーキャパ
テッド・ホフがストアードプログラム方式を発案
嶋+F.ファジンが論理設計
 ※このあたりは遠藤「計算機屋かく戦えり」等で
大型・ミニコンの歴史を踏まえるとより理解が進むと思います
革命的
アイディア
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見どころ:第5回:マイクロプロセッサ
当時のLSI設計(レイアウト)→製造マスク
※現在はCAD or 半自動化されているが原理は
同じ
論理回路図
チップ製造
(写真工程)へ
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(おまけ)
eBayで10万円で落札
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見どころ:第6回:周辺技術
周辺技術の開発の苦労話
ダイシング
リードフレーム
ボンダー
クリーンルームとチリ・純粋
ステッパー
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「電子立国日本の自叙伝」
その後
その後、時代はどう進んでいったのか?
そこから、何を学ぶべきなのか?
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その後:技術面
基本的な方針は変わっていない
微細化・高集積化
要素技術は、問題を乗り越えて進化
MOSトランジスタ:平面型→FD-SOI→FinFET(立体)
配線:Al→Cu
エレクトロマイグレーション(電流で原子が動いて断線)
フォトリソ
光:可視光→紫外線→軟X線(EUV)
フォトマスク:等倍→縮小→液浸・位相シフト・・・
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その後:産業構造面(1)
分業化が進む
設計(ファブレス企業)
製造(ファブ/ファウンドリ)
AMDもファブレス化
特に先端プロセスの
製造は集約化が進む
TSMC, Samsung
ref: https://news.mynavi.jp/article/20200324-1001940/
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その後:産業構造面(2)
IP(設計資産)も分業化
特にプロセッサコアの寡占化(ARM)
→最近はRISC-Vが、特に中国で事例増加中
(ライセンス料の面よりも、オープンソース面?)
設計ツールも分業化・寡占化
昔は各社が独自EDAツール(特に日本)
今は、Cadence, Synopsysなど数社
オープンソースなEDAツールも、盛り上がりつつ
ある(特に米国)
“ACT”でSoCがコモディティ化
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※第6回の最後にこんな話が(1)
超LSI技術研究組合(日本:官主導)
企業間の技術交流があった
番組内ではDRAM(規則構造:微細化)が主
→MPUは日本は追いつけていない(設計面)
MPUはソフトウエアと不可分なので後発が不利
そういえばTRONは・・・
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※第6回の最後にこんな話が(2)
ロバート・ノイス氏のインタビュー
「海外の技術革新を真似→製造技術を高める」
だけで、技術革新への貢献、マインドが足りない
菊池誠氏のインタビュー
追いかけていたアメリカを超えたら目標を見失った
相田ディレクターも「重要な指摘」と言っている
ロバート・ノイス
(1990/6/3没)
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ちなみに・・・
インテルはもともとメモリの会社
1968年創業、ロゴは磁気コアメモリを「食う」から
1970年、世界初のDRAM i1103出荷
1971年、EPROMの発明(i1702)
i4004〜i8080のころも、
「CPUはDRAMを売るための手段」
その後、IBM PCの8088採用などで
CPUへシフト
1985年DRAM事業から撤退
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「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))
2019年:6%
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その後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)
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日本の半導体企業の再編
ref:https://xtech.nikkei.com/dm/article/COLUMN/20150412/413883/
※この他、独立系でソニー(イメージセンサ)が残っている
現在の
キオクシア 現在の
ソシオネクスト
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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)
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Mooreの法則の罠: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))
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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)
(直野「転換期の半導体・液晶産業」(日経BP,1996))
1Mのほうが
ビット単価は高いのに
世代交代
4Mのほうが
ビット単価は安いのに
世代交代していない
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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
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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?
DVD→HD-DVD vs Blu-ray→で??
http://www.garbagenews.net/archives/1935926.html http://www.nissay.co.jp/enjoy/keizai/32.html
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目的と手段?
(よくある話)社員のために仕事が必要
例:似たようなマイコンの多品種化
→設計・テスト工数の大幅増で首を絞めている
ムーアの法則=基本性能の底上げ
汎用品の性能↑
カスタム品の優位性・必要性の相対的な低下
設計・チップの再流用・製品展開が有用
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高品質という罠
例:DRAM
当初は交換機・汎用計算機でのニーズから
10年寿命品質・信頼性
それに向けて技術が進歩したのは事実
→(分野によっては)過剰品質に
PCでは5年寿命で十分:Micron, Samsungの躍進
典型的な「イノベーションのジレンマ」
“Made in Japan”
「安かろう悪かろう」
→「高品質」→罠?
そもそも「高品質」なん?
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成功体験という罠
強烈な成功体験ほど、忘れにくい?
時代も背景も構造も変わっているのに、
同じ方法論で進もうとする
下手すると「根性論」で乗り切ろうとする
どうしたらいいんだろう・・・?
若い人は、能力も気合もあるのに・・・
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Mooreの法則の今後:物性面
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)
Siでももうちょっと行けそう
Si以外の材料では
もっといけそう
その後もなくなる
わけではない
ref: https://slideplayer.com/slide/7843454
Si原子(直径0.2nm)
×50
2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
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
2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
10nm時代の半導体との付き合い方
製造不良は出るもの
冗長化、マルチコア化でコア数を調整
スケーラブル・コンピューティングと整合性がよい
トランジスタ単価(機能単価)はゼロに収束
価格を下げる→チップ面積縮小→ゼロに収束
機能をあげる→価格を維持・向上
製造工場の稼働率のためにも、チップ面積は
縮小しない
機能飢餓があるアプリケーションを探す
2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
これらの知識を踏まえて・・・
「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
※個人でも購読できます
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  • 2. 2021/3/21 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
  • 3. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Contents 半導体の基礎知識 物性〜製造〜回路〜システム 「電子立国日本の自叙伝」とその時代背景 どういう時代だったのか? 「電子立国日本の自叙伝」その後 その後、時代はどう進んでいったのか? そこから、何を学ぶべきなのか?
  • 4. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※Disclaimer 「昔はよかった」とか「日本の半導体の復活」 みたいなことは、毛頭、全く興味はありません 歴史をふまえて、現状を知り、未来を考えた い、という立場です これをきっかけに、半導体の中身(作り方や 原理)について、知識を持つ機会にできれば と思います。 そして、半導体の非専門家の皆さんが、半導 体とどう向き合うとシアワセか、を、いっしょに 考えたいと思います
  • 5. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体の基礎知識 物性〜製造〜回路〜システム
  • 6. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 今日のお題:「半導体」 チップ(半導体チップ) =集積回路(Integrated Circuits; IC) 「シリコン」「石」と呼ばれることもある(けっこう適当) LSI(大規模集積回路; Large Scale Integration) 導体と絶縁体の中間の 電気抵抗をもつ材料 条件に応じて導体や絶縁体になる (電流をON/OFFできる) 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 半導体=コンピュータ=現代社会 半導体を知ることは社会の未来を理解すること
  • 7. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (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)
  • 8. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (おまけ) ネタをTwitterで晒していたら、本になりました
  • 9. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ひとことで「半導体」といっても プロセス:製造方法(ほとんど化学) 結晶成長、酸化、ガス拡散、イオン、・・・ デバイス:電子の挙動(ほとんど物理) 量子力学、結晶界面、電子伝導 回路:トランジスタのつなぎ方(電子回路) 回路理論、オーム法則〜電子回路 ロジック:論理回路 VerilogHDL〜高位合成(FPGAもここ) システム:アーキテクチャ(ほとんどアート) 全体を俯瞰して、実現可能性&最適化 設計ツール:CAD/EDAツール プロセス、デバイス、回路、ロジック、・・・ 秋田の 守備範囲
  • 10. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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)
  • 11. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ つくりかた 「電子立国日本の自叙伝」を見ましょう 30年前の話ですが、基本原理は同じ (準備)材料採掘→ウエハ (前工程)ウエハに素子・回路を作る (後工程)チップを切り分け、パッケージに入 れて、テストする
  • 12. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (準備)Si採掘〜ウエハまで Si原石(SiO2)を採掘 還元してSi eleven-nine純度(99.99…9%)に精製(→多結晶Si) 単結晶引き上げ(→インゴット) スライス(→ウエハ) 研磨
  • 13. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (前工程)回路の作り込み(1) ウエハ上に順にトランジスタや配線を作る 酸化(保護膜をつける) 写真工程(フォトリソ)&エッチングで 酸化膜に穴を開ける https://www.hitachi-hightech.com/jp/products/device/semiconductor/etch.html
  • 14. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (前工程)回路の作り込み(2) 空いた酸化膜の窓から: 不純物導入(半導体の性質を変える) 配線形成(パターンを形成)※PCBと原理は同じ https://www.aion-kk.co.jp/column/etching_vol3/ N型 P型
  • 15. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「写真工程」といえば・・・ プリントゴッコ(RISO)
  • 16. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (後工程)よく見るICへ ダイシング(ウエハ→チップ) ボンディング(チップと足を接続) モールディング(樹脂封入) 検査 ※前工程よりクリーン度・必要精度が低い
  • 17. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 都市鉱山? ワイヤーボンディングの 金線など 東京オリンピックの 金メダル、という話も
  • 18. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体が基盤技術となった要因 Siは豊富・安価な材料(質量順で地球上2位) SiO2が安定・高品質な絶縁体・保護膜 Siを酸化して作れる(別材料を積まなくていい) 写真工程(フォトリソ)で、まとめてつくれる 1個でも1億個でも手間は同じ ガス拡散・イオン打ち込み等で電気的性質を 選択的に自由に変えられる 比例縮小という性質が担保する進化の道筋 =Mooreの法則
  • 19. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ もう一つの奇跡的整合:光ファイバ λ=1.55μm(近赤外) 半導体レーザの実用化 (AlGaAs/GaAs(0.8μm)→InGaAsP/InP) =安価・安定な光源 石英ファイバの損失が最も小さい(極低損失帯) =長距離伝送できる EDFA(エルミウム・ドープ・ファイバ増幅器)で増幅できる波長 =光のまま増幅できる 分散シフトファイバ(BSF)で波長分散=0 =波形が乱れない Siが近赤外に受光感度を持つ=受信回路の集積化
  • 20. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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)
  • 21. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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(どちらかというと信頼性up)→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.
  • 22. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則の原論文(?) チップにたくさん素子を つめると・・・ 信頼性が上がる コストは下がる(が最適値がある) ホームコンピュータも現実に 未来は明るい。あとは、どうやるか、だ。
  • 23. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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 D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-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
  • 24. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体チップ上の回路は平面状 設計図 チップ写真
  • 25. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 比例縮小:同じ形状=回路のまま
  • 26. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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 D G n-Si n-Si p-Si S D G n-Si n-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
  • 27. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・ 1um 0.8um 0.5um 0.35um 18ヶ月 18ヶ月 18ヶ月 同じ用紙サイズなら文字数2倍 =機能2倍
  • 28. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 般若心経だと・・・(その2) 1um 18ヶ月 18ヶ月 0.5um 0.8um 同じ内容なら用紙サイズ1/2 =コスト1/2
  • 29. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 半導体の面白さと難しさ Si平面に好きなものを作れる CPU、メモリ、論理回路、アナログ回路 MEMS、センサ、・・・ 白紙キャンパスに絵を描くようなもの 最後はGDS(レイアウトデータ) 設計方法はいろいろ (回路図、HDL、図形描画・・・) 逆に、自由すぎて、どこから手を付けていいのか 途方に暮れることもしばしば・・・
  • 30. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「電子立国日本の自叙伝」と その時代背景 どういう時代だったのか?
  • 31. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「電子立国日本の自叙伝」 1991 (平成3)年 1月〜9月、NHKスペシャル 第1回 新・石器時代 ~驚異の半導体産業~ 第2回 トランジスタの誕生 第3回 石になった電気回路 第4回 電卓戦争 第5回 8ミリ角のコンピューター 第6回 ミクロン世界の技術大国 ディレクター:相田洋、語り:三宅民夫
  • 32. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ NHKオンデマンドでも見られます
  • 33. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
  • 34. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ こういう時代でした ※この人は令和にもいる ※不動産価格がおかしい(原野商法など)
  • 35. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ その頃の日本の半導体産業 (朝日新聞 1987/05/25) (朝日新聞1989/06/07)
  • 36. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第1回:概論・現況 「チップ作る。どこから?」「Si掘るところから!」 フォトリソ工程の説明 クリーンルーム内の映像はけっこう貴重
  • 37. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第2回:トランジスタ 電話(AT&T)→長寿命の増幅器が必要 →真空管に替わる固体増幅 J.バーディーン(1991/1/30没) (超電導のBCS理論で二度目のノーベル賞) 点接触型トランジスタ ショックレー バーディーン ブラッテン
  • 38. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第2回:トランジスタ Geの精製(ゾーン・メルト法) 単結晶Geをつくる(引き上げ(CZ)法) ショックレーは「無理だ」と言っていたらしい (多結晶Geから単結晶を取り出して使う)
  • 39. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第2回:トランジスタ Geトランジスタの作り方の工夫 バイポーラ・トランジスタ(※MOSFETとは別) PNP構造の「N」を薄く安定に作るのがポイント 引き上げ(CZ)法(結晶成長の途中で不純物投入) 合金法 ソニーのラジオ←品質安定化の工夫
  • 40. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第3回:集積回路 Geトランジスタ→大規模システムへ コンピュータ、ミサイル制御 問題点:配線が複雑・低信頼性+温度特性が悪い
  • 41. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第3回:集積回路 Siトランジスタへの期待 Siは反応性が高く、不安定 Siの熱酸化によるSiO2の形成=保護膜(偶然) ガス拡散法で不純物導入(太陽電池から)→Trへ Siの精製・単結晶成長
  • 42. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第3回:集積回路 Siトランジスタ→集積回路へ Siトランジスタの構造:メサ型→プレーナ型 実はここで集積回路の要素技術は揃っていた マーキュリー計画→アポロ計画へ ←非力なロケットからの回路の小型軽量化の要求 軍需の大量購入で量産技術が大きく進んだ 日本でも似た技術が プレーナ型特許の回避 モレキュラー ・エレクトロニクス (→集積回路) メサ型:露出部があり不安定 プレーナ型:露出部がない
  • 43. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第4回:電卓戦争 計算機の歴史 機械式(手回し式) コンピュータの理論・ブール代数と融合 リレー式→トランジスタ式
  • 44. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第4回:電卓戦争 アメリカより日本では小型化のニーズがあった 論理回路の省回路化からのMOSトランジスタ 理論的には示されていた(byバーディーン) 実際にはあまりにも不安定 (作ってもすぐ動かなくなる) Naが原因とわかり、実用化(日本の技術) 集積回路誕生の頃は、ここまで複雑なシステムがな かった(byノイス) バイポーラのNANDゲート MOSのNANDゲート
  • 45. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第4回:電卓戦争 MOS回路の進化 ←電卓のための省回路・低電力 pMOS→ダイナミックpMOS →CMOS→クロックトCMOS TI製電卓LSI→コモディティ化 差別化へ 機能を割り切った低価格 液晶→太陽電池駆動 カスタムLSIを手設計
  • 46. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (おまけ)電卓のいま 110円(税込み)
  • 47. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 電卓のチップを(基板ごと)炙ってみた 1.5 x 1.5mm
  • 48. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 電卓のチップを解析してみた 1.2um (かなり昔の製造プロセス)
  • 49. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第5回:マイクロプロセッサ ビジコン(日本)が、インテルに 電卓LSIの設計・製造を依頼(嶋が渡米) インテルはもともとメモリの会社で、オーバーキャパ テッド・ホフがストアードプログラム方式を発案 嶋+F.ファジンが論理設計  ※このあたりは遠藤「計算機屋かく戦えり」等で 大型・ミニコンの歴史を踏まえるとより理解が進むと思います 革命的 アイディア
  • 50. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第5回:マイクロプロセッサ 当時のLSI設計(レイアウト)→製造マスク ※現在はCAD or 半自動化されているが原理は 同じ 論理回路図 チップ製造 (写真工程)へ
  • 51. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ (おまけ) eBayで10万円で落札
  • 52. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 見どころ:第6回:周辺技術 周辺技術の開発の苦労話 ダイシング リードフレーム ボンダー クリーンルームとチリ・純粋 ステッパー
  • 53. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「電子立国日本の自叙伝」 その後 その後、時代はどう進んでいったのか? そこから、何を学ぶべきなのか?
  • 54. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ その後:技術面 基本的な方針は変わっていない 微細化・高集積化 要素技術は、問題を乗り越えて進化 MOSトランジスタ:平面型→FD-SOI→FinFET(立体) 配線:Al→Cu エレクトロマイグレーション(電流で原子が動いて断線) フォトリソ 光:可視光→紫外線→軟X線(EUV) フォトマスク:等倍→縮小→液浸・位相シフト・・・
  • 55. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ その後:産業構造面(1) 分業化が進む 設計(ファブレス企業) 製造(ファブ/ファウンドリ) AMDもファブレス化 特に先端プロセスの 製造は集約化が進む TSMC, Samsung ref: https://news.mynavi.jp/article/20200324-1001940/
  • 56. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ その後:産業構造面(2) IP(設計資産)も分業化 特にプロセッサコアの寡占化(ARM) →最近はRISC-Vが、特に中国で事例増加中 (ライセンス料の面よりも、オープンソース面?) 設計ツールも分業化・寡占化 昔は各社が独自EDAツール(特に日本) 今は、Cadence, Synopsysなど数社 オープンソースなEDAツールも、盛り上がりつつ ある(特に米国) “ACT”でSoCがコモディティ化
  • 57. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※第6回の最後にこんな話が(1) 超LSI技術研究組合(日本:官主導) 企業間の技術交流があった 番組内ではDRAM(規則構造:微細化)が主 →MPUは日本は追いつけていない(設計面) MPUはソフトウエアと不可分なので後発が不利 そういえばTRONは・・・
  • 58. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※第6回の最後にこんな話が(2) ロバート・ノイス氏のインタビュー 「海外の技術革新を真似→製造技術を高める」 だけで、技術革新への貢献、マインドが足りない 菊池誠氏のインタビュー 追いかけていたアメリカを超えたら目標を見失った 相田ディレクターも「重要な指摘」と言っている ロバート・ノイス (1990/6/3没)
  • 59. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ちなみに・・・ インテルはもともとメモリの会社 1968年創業、ロゴは磁気コアメモリを「食う」から 1970年、世界初のDRAM i1103出荷 1971年、EPROMの発明(i1702) i4004〜i8080のころも、 「CPUはDRAMを売るための手段」 その後、IBM PCの8088採用などで CPUへシフト 1985年DRAM事業から撤退
  • 60. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「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)) 2019年:6%
  • 61. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ その後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)
  • 62. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 日本の半導体企業の再編 ref:https://xtech.nikkei.com/dm/article/COLUMN/20150412/413883/ ※この他、独立系でソニー(イメージセンサ)が残っている 現在の キオクシア 現在の ソシオネクスト
  • 63. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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)
  • 64. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則の罠: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))
  • 65. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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) (直野「転換期の半導体・液晶産業」(日経BP,1996)) 1Mのほうが ビット単価は高いのに 世代交代 4Mのほうが ビット単価は安いのに 世代交代していない
  • 66. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
  • 67. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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? DVD→HD-DVD vs Blu-ray→で?? http://www.garbagenews.net/archives/1935926.html http://www.nissay.co.jp/enjoy/keizai/32.html
  • 68. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 目的と手段? (よくある話)社員のために仕事が必要 例:似たようなマイコンの多品種化 →設計・テスト工数の大幅増で首を絞めている ムーアの法則=基本性能の底上げ 汎用品の性能↑ カスタム品の優位性・必要性の相対的な低下 設計・チップの再流用・製品展開が有用
  • 69. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 高品質という罠 例:DRAM 当初は交換機・汎用計算機でのニーズから 10年寿命品質・信頼性 それに向けて技術が進歩したのは事実 →(分野によっては)過剰品質に PCでは5年寿命で十分:Micron, Samsungの躍進 典型的な「イノベーションのジレンマ」 “Made in Japan” 「安かろう悪かろう」 →「高品質」→罠? そもそも「高品質」なん?
  • 70. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 成功体験という罠 強烈な成功体験ほど、忘れにくい? 時代も背景も構造も変わっているのに、 同じ方法論で進もうとする 下手すると「根性論」で乗り切ろうとする どうしたらいいんだろう・・・? 若い人は、能力も気合もあるのに・・・
  • 71. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Mooreの法則の今後:物性面 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) Siでももうちょっと行けそう Si以外の材料では もっといけそう その後もなくなる わけではない ref: https://slideplayer.com/slide/7843454 Si原子(直径0.2nm) ×50
  • 72. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 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
  • 73. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 10nm時代の半導体との付き合い方 製造不良は出るもの 冗長化、マルチコア化でコア数を調整 スケーラブル・コンピューティングと整合性がよい トランジスタ単価(機能単価)はゼロに収束 価格を下げる→チップ面積縮小→ゼロに収束 機能をあげる→価格を維持・向上 製造工場の稼働率のためにも、チップ面積は 縮小しない 機能飢餓があるアプリケーションを探す
  • 74. 2021/3/21 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ これらの知識を踏まえて・・・ 「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 ※個人でも購読できます →https://forms.gle/kqxcp5Uc8mHqoMpW9