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* 電子・IT・新技術10:IC(1958年:キルビー)

Q86: 半導体集積回路(IC: Integrated Circuit)を構成している主要部品はトランジスタ以外には何があるか?

1948年、ベル研でトランジスタが生まれてから10年後、集積回路のアイディアが生み出された。今、私たちが利用している電気系インフラや情報ツールには半導体ICが活用され、その恩恵なしには社会が成り立たなくなっている。集積化のアイディアは、まずキルビー(Jack St. Clair Kilby、米、1923~2005年)により提案された。1958年米TI社に入った彼は、入社直後で有給休暇が取れ無かったため、夏休みに出社し一人一心に回路設計を行っていた。この時ふと「半導体基板上に必要な部品を作り込み、それらを配線で結ぶ」というアイディアを浮かべる。夏休み明け、この案を上司に話し、9月にゲルマニウム上にワンチップの発振回路を試作することに成功。翌年1959年2月に特許出願を行った。

 時代を画す重要な発明は、ほぼ同時期にライバルが現れるものである。トランジスタの発明者ショックレー(William Bradford Shockley Jr.、米、1910~1989年)の会社に勤めていたノイス(Robert Norton Noyce、米、1927~1990年)は、じき、ワンマンなショックレーとは気が合わなくなり、有能な社員8人を連れて退社、1957年フェアチャイルド社を起こす(80話参)。そしてここでトランジスタの将来を見越して、集積回路の研究を行い1959年1月に、キルビー特許より洗練され現在のICに近い構成の発明を行った。基本的にワイヤー配線(空中配線)を考えていたキルビーに対し、配線も含め半導体表面に絶縁層を介して付着形成された完成度の高いものであった。しかし特許出願はキルビーより半年ほど遅れ1959年7月。この2人の特許はその後、特許扮装を起こし、ノイスがやや有利に係争を進めたが、最終的には、両者がICの発明者と認められた(しかしノーベル賞はキルビーのみに与えられる;2000年物理学賞)。

 実は、集積素子誕生以前にも「プリント配線技術」が1900年代初頭に欧米で提案され始め、1936年にはプリント配線板の特許が日本でも申請されている。ラジオの回路配線をプリントした絶縁基板上に、部品を集合させたもので、個別配線が不要なため製造バラツキが少なく、故障時にもモジュール交換で簡単に対応できる画期的なものであった。現在、基板が多層化(46層も!)されスルーホールで内層接続されるなど、進化しながら活用されている。これなどICの先祖と言えるだろう。さてIC化の利点だが、「システムの超小型化」「高信頼性」「低コスト化」の3点が挙げられる。又、「検出」「演算」「記憶」「出力」などの複合機能を1チップで実現し、個別素子の集合体で生じる浮遊容量や誘導による高速限界が改善され「超高速&大容量処理」が可能になる。コンピュータなど高速で複雑なシステムが安価に実用化できた理由は集積化あってのものと言えるだろう。

 ところで、半導体集積技術には「ムーアの法則」「スケーリング則」「プロセスルール」という3つのマジックが備わっている。まず、ノイスの友人で米インテル社の共同創業者ムーア(Gordon E. Moore、米、1929年~)は1965年に「半導体の集積密度は18ヶ月で2倍になる(=3年で4倍)」という経験則を提唱。2010年を超える今もほぼこのルールで進化(高集積化)を続けており、2012年で10億個/チップの集積密度が実現されている。次にスケーリング則とは「トランジスタのサイズを縦横高さ3方向で同様に小さくしても性能は変わらない」というもの。この性質があるから、どんどん集積を進めることができた。ただしあまり微細化して原子サイズになると、もはやトランジスタとして機能しなくなるので限界は自ずとある。ところで性能が変わらないと言ったが、消費電力と高速性は飛躍的に改善され、1/kの縮小で消費電力は1/k^2倍、スピードは約k倍になる。最後のプロセスルールは「最小加工(プロセス)寸法がほぼ3年で0.7倍の進化を遂げる」というもの。2010年に32nm、2016年に10nm、そして2020年で加工限界の5nmを迎えると予測されている。

 これらの3ルールを組み合わせると集積化の将来像と課題が見えて来る。まず線幅が1/kになると集積密度はk2倍になり、1トランジスタあたりの消費電力は1/k^2倍になる。つまりICチップの総消費電力はk2×1/k2 = 1で増えない。又、コストはほぼICサイズで決まるので、コストも増えない。この両メリットにムーアの法則を適用すると、同一消費電力かつ同一コストで、1.5年毎に2倍のパフォーマンスのICが生まれ続ける事になる。ところが、プロセスルールを考えると3年毎に2倍の集積密度にしかならない。つまりプロセス技術の進化はムーアの要求より遅く、このため実デバイスのサイズを大きくして対応するしかない。この為、実際は消費電力が増え、チップ発熱も増大し続けることになる(コストも上がるがコスト上昇は企業努力で吸収して来た)。

 このように、集積化は、ムーア則のロードマップに乗りながら進化をして来たが、プロセス技術が追いつかず、さらに微細化に伴う設備投資増大の課題もあり、コスト限界が2020年以前に来ると言われている。その時点でムーア則は破れ、さらに、トランジスタの超微細化によるスケーリング則の破れも重なり、「ムーアその後」が見えていない。特に最近「リーク電流や特性バラツキの増大」が目に付く。これらの改善には寄生容量や抵抗の低減、ドーピングや結晶品質の変動によるトランジスタ特性の安定化など、原理的に難しい課題へのチャレンジが必要になって来ている。(トランジスタ技術、2015年6月号に掲載)

宿題86:集積化がどんどん進み、ついに人間の脳のレベルを超える可能性はあるのだろうか?又そうなると何が起こるのだろう?

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