論理演算を行う頭脳「ロジック半導体」　取り巻く社会環境や課題とは

（※本記事は「産総研マガジン」に2024年7月10日付で掲載された記事を、許可を得て掲載しています）

ロジック半導体とは？

トランジスタをベースとした高度な論理演算を実行する半導体デバイスで、情報通信機器をはじめとするさまざまな電子機器に搭載され、それらを進化させてきました。演算を高速かつ低消費電力で行うためには、トランジスタを微細にし、数多く集積する技術がカギとなります。技術の研究開発は今も続けられており、最近では、トランジスタの構造が平面から立体になるという革新もありました。○○nm世代という言葉を耳にしたことがあるかもしれませんが、これは、ロジック半導体をつくる技術の世代のことです。現在では、この長さが何かのサイズを表しているわけではなく、短くなるほど技術が進んでいることを表しています。ロジック半導体が注目されている理由、国内外の動向について、AIチップデザインオープンイノベーションラボラトリ AIチップ設計環境チームの大内真一チーム長に聞きました。

ロジック半導体とは

論理演算を行う頭脳。半導体デバイスの本流

半導体とは、電気の流れやすさに関して、ほとんど流れない絶縁体と、よく流れる導体の中間にある物質の名称です。一般には、半導体といえば、電気回路をつくりつけた半導体の薄片、チップ、あるいはそれを製品の形にしたものを指すことの方が多いようです。小さくて薄くて四角い板にたくさんの金属の脚が付いているものを見たことがあるのではないでしょうか。そんな半導体のうち、論理演算を行うためのものが「ロジック半導体」です。ロジック半導体は、コンピューターやスマートフォンはもちろん、家電や自動車などさまざまな製品において動作の制御に使われており、私たちの生活に欠かせないものになっています。

ロジック半導体は、1960年代に登場すると、それまで論理演算に使われていた真空管回路を置き換えていき、情報通信機器を小型に、また、自身の進化とともに高性能に、低消費電力にしていきました。また、安価にもなり、幅広い電子機器で利用されるようになりました。

ロジック半導体のほかにも、半導体には、情報を記憶するメモリー半導体や、電力を変換するパワー半導体などさまざまありますが、今日のデジタル時代を導いた立役者として、ロジック半導体は半導体の本流にあるといえるでしょう。

ロジック半導体を取り巻く社会環境と課題

近年、社会のデジタル化の進展やAIの普及によって必要な計算量が急増しています。たとえば、最近注目を集めているChatGPTなどの生成AIは、開発したり、駆動したりするために膨大な計算が必要であり、計算資源が世界中からかき集められ、また、次々に生産されては投入されています。

AIの利用は、現在のコンピューターやスマートフォン上での対話から、いずれはロボットや自動車などの操作にまで広がると考えられます。すると、高速に計算できるロジック半導体がますます必要になります。すでに、どんどんつくっても世界のニーズを満たせず、争奪戦のような状況にありますが、今後はさらに厳しくなると考えられます。

というのも、最先端のロジック半導体は限られた企業によって限られた国でつくられているからです。この状況は経済安全保障の観点からリスクが大きいとみて、各国がロジック半導体の安定確保に向けて動き出しています。

このように、AIの急速な浸透に伴うニーズの急激な高まりを受けて、ロジック半導体のサプライチェーン安定化のために各国が巨額の投資を打ち出し始めたことが、今、ロジック半導体が注目を集めている理由です。

日本には優れた半導体製造装置のメーカーが多くあり、また、材料のメーカーも世界的にシェアを持っており、日本の技術なくしてロジック半導体をつくることはできません。一方で、さまざまな要因があって、最先端のロジック半導体そのものをつくる企業は日本にはなくなってしまいました。

そこで、日本の大手企業8社が出資して2022年8月に半導体メーカーRapidus株式会社を設立し、海外企業とも戦略的パートナーシップを結びながら、最先端のロジック半導体を再びつくろうと動き出しています。

進む微細化による高性能化。2nm世代へ

微細化とは、トランジスタのサイズを小さくして回路の面積を小さくし、多くの回路を一つの半導体に詰め込もうという工夫です。これまで、世界的な技術ロードマップに従って約3年で面積を半分にできるよう、各国が競って微細化技術を研究開発してきました。その際、特徴的なサイズとして開発ターゲットに選ばれた値の一つが、ゲート長といわれる、トランジスタを制御する電極（ゲート電極）の長さです。

（記事の続きはこちらから。産総研マガジン「ロジック半導体とは？」）

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