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米国チップ製造における優位性を取り戻す

Semiconductor Engineering

2020年10月26日

米国は、貿易摩擦と国家安全保障上の懸念が高まる中、半導体製造において韓国、台湾、そしておそらく中国にこれ以上遅れをとらないよう、新たな戦略を練っています。

長年にわたり、米国はGPUやマイクロプロセッサーといった新しいチップ製品の開発においてリーダー的存在でした。しかし、チップ製造の観点から見ると、米国は2つの重要な分野で遅れをとっています。第一に、Intelと米国のファウンドリーは、TSMCやSamsungといったアジアのライバルに対してプロセス技術で遅れをとっており、中国もその差を縮めています。第二に、米国では新規ファブや生産能力が激減しています。

米国はすべての製造分野で遅れをとっているわけではありません。しかし、チップ製造は、サプライチェーンと経済的観点の両方から、また安全保障上の理由から、技術的リーダーシップを維持するために不可欠です。

長年にわたり、米国企業は新しいチップ製品を開発し、自社のウェハーファブで製造するリーダー的存在でした。そして、Intelが22nmで最初のfinFETを発表した2011年までは、チップの微細化に不可欠なプロセス技術でリードしていました。新しいプロセスが登場するたびに、デバイスの小型化と高速化が可能になります。

しかし、時代は変わりました。今日、テクノロジーの分野では状況が大きく変わり、米国ではいくつかの憂慮すべき傾向が見られます。Siemensの傘下であるMentor社の名誉CEO、ウォーリー ラインズ氏は「我々は長い間、半導体製造におけるリーダーシップを失ってきた。さらに重要なのは、最先端のファウンドリーサービスを提供する能力におけるリーダーシップです。これは単なる製造業以上のものです」と述べました。

これはさまざまな側面を持つ複雑な問題です。例えば、米国はかつての牙城であったプロセス技術で遅れをとっています。米国の技術リーダーであるIntelは最近、新プロセスの開発を遅らせたため、この面でTSMCやSamsungにさらに遅れをとることになりました。

Intelは問題を解決し、軌道に乗せると宣言していますが、これは国家安全保障に影響を与えます。最先端のプロセスを陸上で行うことは、米国防総省や軍事・航空宇宙企業にとって不可欠であり、ビジネス競争力にもつながります。セミコンダクター アドバイザーズのロバート メア社長は、最近のプレゼンテーションで「チップを支配することは防衛、技術、情報産業を支配することです」「明らかに、それは世界支配と密接な関係にある。米国がこれほど支配的である理由の一つは、わが国の技術であり、それは半導体産業に根ざしている」と述べています。

同時に、チップメーカーは、アジアのライバル企業よりも遅いペースで米国に新しい工場を建設し続けています。米国半導体産業協会（SIA）とボストン コンサルティング グループ（BCG）によると、世界のウェハー工場設置能力における米国のシェアは、1990年の37％から2020年には12％まで低下しており、同じ期間に、アジアでは新しい半導体工場が急増し、現在では世界の生産能力の80％を占めるまでになったと伝えています。

特に中国は、非常に野心的な半導体アジェンダを持っています。1,500億ドルの資金を背景に、中国は国内のIC産業を発展させ、より多くの自国製チップを製造することを計画しています。さらに悪いことに、大中華圏（中国、香港、台湾を含む）は地政学的なホットスポットであり、米中貿易戦争は、今日すべての主要プロセス技術が立地する地域での緊張をさらに高めています。いかなる混乱も、最先端プロセス技術への米国のアクセスに大きな影響を与えるでしょう。

米国の政策立案者は、より多くの国内工場を建設する必要性を認識していますが、それは高価な事業です。最先端ファブは100億ドルから200億ドルもかかり、投資に対するリターンは保証されていません。また、製造は極めて重要ではありますが、それは競争方程式の一部でしかなく、米国を拠点とする企業はチップ設計、特殊プロセス、EDAツール、ファブ設備でリードし続けています。

とはいえ、あらゆる面で米国の競争力を強化するための措置が講じられています。そのうちのひとつがこれです：

  • 米国議会は、新しい米国工場を建設するための奨励プログラムを提案しています。
  • 米国はチップ コンソーシアムを立ち上げたいと考えています。
  • GlobalFoundriesとIntelは技術をアップグレードしており、TSMCは新たな最先端米国工場を建設する予定です。
  • Intelは、チップレットベースの設計を開発する新しい商業団体を設立しました。チップレットは、先進的なパッケージにダイを統合したもので、米国が競争力を維持するための別の方法として浮上しています。

求む：さらなる米国ファブ
IC業界では、企業はさまざまな市場で競争しています。同時に、国家間でもさまざまな面で競争が行われています。例えばテクノロジー分野では、5G、AI、量子コンピューティングの覇権を各国が争っています。

中国の思惑が、半導体の世界的競争を再燃させています。このダイナミクスを理解するためには、過去を振り返る必要があります。

何十年もの間、IC業界はチップ内のトランジスタ密度が18～24ヶ月ごとに倍増するという ムーアの法則に従ってきました。今日のチップは、同じデバイスの中に数十億個の小さなトランジスタを搭載しています。「トランジスタは基本的にスイッチです」「電界効果トランジスタは、電界を使ってチャネルを通る電気伝導性を制御します」と、 ラム リサーチの大学エンゲージメント ディレクター、ネリッサ ドレーガー氏はブログで説明しています。

過去半世紀にわたり、チップメーカーはムーアの法則に従い、より多くの機能を1つのダイに詰め込むことを可能にしてきました。これにより、携帯電話、コンピューター、その他の製品の成長が促進されました。

しかし、半導体産業の黎明期には、その技術は初歩的なものでした。ゴードン ムーアが象徴的な見解を発表した1965年、チップは1.25インチ（30mm）ウェハーで製造されていました。当時、工場建設には100万ドルかかりました。

その後数十年間、ほとんどのチップメーカーは自社工場でチップを製造し、また、時間の経過とともにウェハーサイズの大型化に移行しました。より大きなウェハーサイズに移行することで、ベンダーはウェハーあたり2.2倍のダイを生産し、製造コストを下げることができました。しかし、ウェハーの大型化には、より高価な装置を備えた大きなファブも必要となります。

時が経つにつれ、半導体需要は爆発的に伸びましたが、工場やプロセスのコストも上昇しました。2000年代に入り、チップメーカーは200mmから最新の300mmファブに移行しました。当初、300mmファブの建設コストは20億ドルであったのに対し、200mmファブは7億ドルから13億ドルでした。

IBSによれば、2001年当時、130nmチップを処理できるファブを持つチップメーカーは18社でした。

突然、状況は一変しました。そのころには、アジアやその他の地域から、外部の顧客にチップ製造サービスを提供するファウンドリー ベンダーがいくつか登場していました。当時、ファウンドリーは技術的に遅れていました。

それでもファウンドリ モデルは2000年代に急成長しました。当初、ファブレス デザインハウスはファウンドリーを受け入れました。SIAとBCGの論文によると、「半導体業界はファブレス モデルの台頭を見た」(著者はアントニオ ヴァラス、ラジ ヴァラダラジャン、ジミー グッドリッチ、ファラン イヌグ）

この時期、米国をはじめとする多くのチップメーカーは、新しい工場やプロセスを開発する余裕がなくなっていました。これに対応するため、一部のチップメーカーはファブライト化を進めました。このモデルでは、ベンダーは自社のファブで一部のチップを生産し、他のデバイスはファウンドリに委託します。ファブレスに移行したり、事業から完全に撤退するところもありました。

しかし、Intelなどはそれが競争上の優位性をもたらすとして、自社工場を維持しました。

やがて製造の振り子はアジアに振られました。早い時期からアジアの数カ国は減税や優遇措置で国内のチップ企業を支援していました。これが中国、韓国、台湾、シンガポールでの製造ブームに拍車をかけました。SIAとBCGの論文によれば、「政府の政策は、アジアにおけるこの力強い成長の主な要因であった」

こうした投資は大きな配当となっています。SIAとBCGによれば、2020年の世界の製造能力シェアは台湾が22％でトップ、次いで韓国（21％）、日本（15％）、中国（15％）、米国（12％）、欧州（9％）となっています。

しかし、注目すべきは中国です。中国は国内のチップ設計・製造部門に何十億ドルもの補助金を投入しています。SIAとBCGによれば、2000年に3％だった中国の製造能力シェアは、2020年には15％に跳ね上がり、米国を凌ぐといいます。

中国は技術面で遅れをとっていますが、積極的にキャッチアップを図っています。 D2Sの最高製品責任者であるレオ パン氏は、「中国は新しい工場を12カ所も建設している」「しかし、中国にはまだ多くの課題がある。半導体製造におけるより多くの人材とIPの必要性、主要なプロセス技術におけるギャップをさらに縮める必要性などである」と述べています。

中国は拡大していますが、米国は停滞しています。SEMIによると、2020年の米州地域の生産ファブは76であり、2010年の81から減少します。「これには、Samsung、NXP、Infineon、X-Fab、Tower、TSMC、Broadcomなど米国以外の企業の米国ファブ製造能力が含まれる。また、GlobalFoundriesも含まれる」とSEMI のアナリスト、クリスチャン ディーゼルドルフ氏は述べました。

ディーゼルドルフ氏によると、米国以外のファブを除くと、米国系企業のファブ生産能力シェアは10%に低下します。SIAとBCGによれば、全体として、ファブ生産能力における米国のシェアは、アナログが30％、ロジックが12％、メモリが5％と混在しています。

それでも、SEMIによれば、新しい米国ファブ プロジェクトが進行中です。それらは以下の通りです：

  • Cree：SiCデバイス（ニューヨーク）
  • GlobalFoundries：ファウンドリー（ニューヨーク）
  • Intel：ロジック（オレゴン）
  • TI：アナログ（テキサス）
  • TSMC：ファウンドリー（アリゾナ）

今後、米国は国家安全保障とサプライチェーンの目的で、より多くの工場を建設したいと考えています。SIAの社長兼CEO、ジョン ニューファー氏は、「世界の競争相手が先端半導体製造を誘致するために多額の投資を行っている中、米国もこのゲームに参加し、この戦略的に重要な技術を生産する場所として競争力を高めなければならない」「世界の半導体製造に占める米国の割合は、過去30年間で急激に低下しているが、その主な理由は、他国が政府による大きなインセンティブを提供しているのに対し、米国はそうではないからである。同じ期間、半導体研究に対する連邦政府の投資はGDP比で横ばいであり、2019年に総額400億ドル近くに達した米国半導体企業の研究開発投資のごく一部に過ぎない。米国には、流れを本当に変え、国内のチップ製造と研究を後押しするチャンスがある。これは、米国のチップ技術とわが国の経済、国家安全保障、サプライチェーンの強靭性、パンデミックのような将来の危機への対応を強化することになる」と述べました。

米国議会の法案を含め、いくつかの解決策があります。この法案は、「米国向け半導体製造への有益なインセンティブ創出法（CHIPS）」と呼ばれ、米国の半導体工場新設にインセンティブを与える新たな連邦補助金プログラムに100億ドルを拠出することを求め、投資税額控除も含まれている総額220億ドルのパッケージです。

しかし今日、この法案は議会で足踏み状態にあり、可決されるかどうかも不透明です。加えて、この法案はあまりにも小さく、遅すぎます。SIAとBCGによれば、競争力をつけるために、米国半導体業界は500億ドルのインセンティブ プログラムを必要としていますが、この数字でさえ不足しています。

これでは、数少ないファブでさえ、そのツケを払うのがやっとです。例えば、台湾ではTSMCが195億ドルを投じて3nmプロセス用の300mm工場を建設中です。

加えて、米国に新しい工場を建設するコストはアジアよりも高く、他の国の方がより良いインセンティブを提供しています。そのため、Intelはアリゾナで新しいファブ42施設を立ち上げていますが、アイルランドとイスラエルでも新しいファブを建設する計画を持っています。

それでも、Intel社などはCHIPS法案は良いスタートであり、何らかの形でインセンティブが必要だと主張しています。Intel社の政策・技術担当副社長グレッグ スレーター氏は、「現在、米国でのシェアは12％です」「今後10年間で、10％を下回るかもしれません。もちろん、政府の優遇策によってそれを逆転させない限り、この状況は続くだろう」と語りました。

それほど単純ではありません。セミコ リサーチのアナリスト、エイドリアン ダウニー氏は、「米国の生産能力は、12％より大きく成長するように補助金を受けることができるが、それは業界にとって良いことなのだろうか？」「過去5年から10年間、業界は生産能力をうまく管理してきた。メモリー市場はその好例です。キャパシティの効果的な管理は、より安定したASP/収益を意味する。過去には、補助金を受けた工場がキャパシティの不均衡を引き起こした」と問いかけています。

他にも問題はあります。「200億ドルのファブを埋めることができる企業は、現在の業界にはほとんどありません。TSMCがファブを埋めることに成功しているのは、何百もの顧客と何千もの製品を持っているからです。生産能力を増やすだけでは、この業界における地域的な成功は保証されません」とダウニー氏は言います。

いずれにせよ、米国が半導体製造の分野でうまく立ち回らなければ、経済的な影響が出るでしょう。Mentor社のラインズ氏は、「新技術やイノベーションの成長は、これまで米国がリードしてきた世界の他の地域に徐々に移っていくことを意味します」「最近の中国のベンチャーキャピタル投資は米国を上回っていますが、追いつくにはまだ時間がかかるでしょう。問題なのは、米国のベンチャー投資が減少すれば、たとえ連邦政府の補助金で相殺されたとしても、技術革新は遠ざかる傾向にあるということだ。つまり、最終製品の技術革新も遠のくということだ。それはつまり、経済と雇用の成長が鈍化することを意味する」と述べています。

プロセス競争
一方、アメリカのチップメーカーは、III-V、アナログ、RFなどの特殊プロセスにおいて健闘しています。アメリカは28nm/22nm以上の成熟したロジックプロセスに強みを持っています。セミコのダウニー氏は、「アメリカは今でも国内で製造されている成熟した製品の基盤を維持している」と述べています。「ほとんどの電子デバイスでは、最先端のチップには少なくとも5〜10個の成熟したチップが必要です。Qorvo、ON Semi、NXP、ADI、Broadcom、Skyworks、Microchipなどの企業は、すべてアメリカにファブを持っています。SkyWaterは、古いファブに新たな命を吹き込み、革新的なオプションを提供して新しいソリューションの開発を支援しているファウンドリの一例です。」

しかし、米国は最先端のロジック／ファウンドリー プロセスで遅れをとっています。昔は違いました。何年もの間、Intelはプロセス技術のリーダーでしたが、唯一の競争相手ではありませんでした。前述の通り、2001年には、最先端の130nmチップを加工できるチップメーカーは18社でした。

時が経つにつれ、プロセスコストは上昇し、先端ノードで最先端技術を開発する余裕のあるプレーヤーは少なくなりました。

大きな変化は、従来のプレーナ型トランジスタが壁にぶつかった20nmで起こりました。これを受けてIntelは2011年、22nmで次世代FinFETトランジスタに移行しました。ファウンドリは16nm/14nmでfinFETに移行しました。(Intelの22nmは、ファウンドリの16nm/14nmに相当します）。

FinFETはより低い消費電力でより高い性能を発揮しますが、製造が難しく、コストも高くなります。「これは、デバイスを製造するために必要な処理工程が多いためです」と、TEL Americaの副社長兼副ゼネラルマネージャーであるベン ラスサック氏は語りました。

FinFETはまた、製造基盤を狭めました。16nm/14nmのFinFETに移行できるリソースを持っているファウンドリ/IDMは半ダースしかありません。これらのベンダーには、GlobalFoundries、Intel、Samsung、TSMC、UMCが含まれます。中国のSMICは最近14nm finFET市場に参入しました。

一方、2016年、Intelは10nm finFETプロセスの導入により、ロジック技術におけるリードを広げたいと考えていました。しかし、様々な問題を理由に、Intelは10nmを2度延期し、最終的にこの技術に基づくプロセッサーを2019年に出荷しました。

Intelの10nm遅延の中、TSMCは2018年初めに世界初の7nm finFETプロセスを出荷し、技術力でIntelを上回りました。その後、Samsungも7nmを出荷しました。(Intelの10nmは、ファウンドリの7nmとほぼ同等）。

これはいくつかの理由から重要です。Intelはファウンドリ ビジネスにおけるビット プレーヤーであり、TSMCと正確に競合しているわけではありません。しかし、TSMCはAMDやNvidiaといったIntelの競合他社にファウンドリーサービスを提供しています。つまり、Intelの競合他社は突然、プロセス技術で一歩リードすることになったのです。

他にも変化はありました。2018年、GlobalFoundriesとUMCはそれぞれの7nmへの取り組みを停止しました。7nmの開発には莫大な投資が必要でしたが、両ベンダーともその見返りは疑わしいと述べています。両社は現在も16nm/14nm以上で活動しています。

それにもかかわらず、7nmの淘汰によって、10nm/7nmの製造拠点はIntel、Samsung、TSMCの3社に絞られました。しかしその後、状況は再び変化しました。

2020年初頭、TSMCとSamsungは5nmの出荷を開始しました。一方、Intelは7nmを延期し、ライバル2社にさらに遅れをとりました。SMICも7nmライク プロセスを開発していますが、こちらはまだ研究開発中です。最近、SMICは中国のIPプロバイダーであるInnosiliconから7nmライク プロセスの最初のテープアウトを達成しました。

「Intelは明らかにここでつまずき、7nmでは最低でも半年、おそらくは1年の遅れがありそうだ」とSemiconductor Advisorsのメア氏は述べました。「IntelはTSMCと拮抗しているというより、ムーアの法則でTSMCの後塵を拝しています。GlobalFoundriesは、明らかに14nmで止まっています。ですから、米国にはもうスピードに乗ったファウンドリーもIDMもないのです」。

米国は立ち止まっていなません。Intelは問題を解決し、最終的には7nmを出荷すると宣言しています。また、7nm生産の一部をファウンドリに委託する計画も検討しています。

そして、優位性を取り戻すための別の努力として、Intelは米国のチップ コンソーシアムを立ち上げたいと考えています。この計画の一環として、Intelは政府からの支援を受けて米国のファウンドリーを運営することを提案しています。この計画が成功するかどうかは不明です。

最近、GlobalFoundries、ニューヨーク州の300mm工場近くに大規模な拡張計画のための新しい土地を確保しました。GlobalFoundriesのシニア バイスプレジデント兼ジェネラルマネージャーのロン サンプソン氏は、「半導体製造への投資に対する米国の首都のコンセンサスが高まる中、GlobalFoundriesの米国で最も先進的な製造施設での成長計画を迅速に推進する準備は、これまで以上に重要である」と述べました。

おそらく米国にとっての真の希望は、アリゾナに最先端の5nmファブを新設する予定のTSMCでしょう。この工場は2024年に生産を開始する予定です。

それでも、米国がプロセス技術で競争力を取り戻せるかどうか、また、どの企業が米国の鋳造事業の主導権を握るかは明らかではありません。

「ファウンダリ ベースの製造では遅れていますし、おそらくすべての半導体製造でも遅れているでしょう。遅れをとっているが、比較的短期間で追いつけないことはありません。」「ファウンドリーの面では、GlobalFoundriesやTSMCにおける米国のプレゼンスに立脚する必要があるだろう。政府は可能性としてIntelに傾いている。しかし、たとえ米国で実行可能なファウンドリーサービスを得ることができたとしても、世界最大の顧客に製品を売ることができなければ、あまり意味がありません」とMentorのラインズ氏は述べました。

チップレットの時代
今後も、さまざまな国の企業がプロセス技術競争を繰り広げるでしょう。しかし、競争力を維持する方法はそれだけではありません。

通常、設計を進歩させるために、業界はチップ スケーリングを使ってASICを開発し、異なる機能を単一のモノリシック ダイに収めています。しかし、各ノードでスケーリングはより困難かつ高価になっており、スケーリングのみによる消費電力と性能のメリットは減少しています。スケーリングだけで、7nm以下の各新ノードで性能を約10％から20％向上させることができる一方で、アーキテクチャの変更、特殊なアクセラレータ、ハードウェアとソフトウェアの共同設計により、性能を10倍から1,000倍向上させることができます。

さらに、チップのすべての部品がスケーリングの恩恵を受けるわけではありません。デジタル ロジックは確かにそうですが、アナログ コンポーネントはそうではありません。そのため、すべてを縮小して単一のダイに搭載するのではなく、業界全体が複雑なダイを高度なパッケージにパッケージングする方向にシフトしています。

今日、数カ国の企業、ファウンドリ、OSATsが、チップレット戦略を追求しています。これにより、チップメーカーは、モジュール ダイ（チップレット）のメニューをライブラリとして持つことができます。顧客はチップレットを組み合わせて、既存の先進パッケージや新しいアーキテクチャに統合することができます。

AMDやIntelなどは、より低コストでASICと同等以上の機能を持つチップレットに似た設計を開発しています。しかし、より多くのチップレットがサードパーティによって開発され、複数の市場で販売されるようになると、エッジ コンピューティングのような新しい分野での市場の優位性が争われるようになります。

チップレットの機運は高まり続けています。例えば、Intelは国防総省のチップレット開発計画「最先端ヘテロジニアス インテグレーション プロトタイプ（SHIP）」プログラムの新たな契約を獲得しました。この計画の下、Intelはチップレットを中心とした新たな米国の商業組織を設立しました。このプログラムにより、国防総省や防衛関係者を含む顧客がIntelのパッケージング能力を利用できるようになります。

国防総省の研究・技術担当国防次官室のマイクロエレクトロニクス担当プリンシパル ディレクターであるニコール ペッタ氏は、「このロードマップは、プロセスの微細化が遅れる中、異種アセンブリ技術が国防総省とわが国の双方にとって重要な投資であることを認識し、優先順位をつけている」と述べました。

結論
競争力の定義はより複雑になってきています。ロジックのプロセス微細化は引き続き重要ですが、高度なパッケージングも重要になってきています。

さまざまな国の企業がその両方を発展させる必要があります。それがひいては新たな成長の原動力となります。しかし、技術的な観点からは、米国はまだ追いつく必要があります。問題は、それを実現するための政治的意志や企業への見返りがあるかどうかであり、今のところ答えは明らかではありません。