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チップ不足は悪化の一途。なぜもっと作れないのか？

Bloomberg

2021年5月5日

半導体の供給不足が自動車メーカーやハイテク大手を直撃し、ワシントンからブリュッセル、北京まで警鐘を鳴らしている。この危機は、政策立案者、顧客、投資家にとって根本的な問題を提起している：なぜもっとチップを作れないのか？

答えは単純でもあり、複雑なものでもあります。単純な答えは、チップの製造は信じられないほど難しく、ますます困難になっているということです。

「それはロケット科学ではありません。むしろ、はるかに難しいのです」というのが業界内のジョークです。

もっと複雑な答えは、半導体製造施設を建設するには何年もかかり、何十億ドルもかかるということだ。それでも経済的には厳しいので、製造技術が競争相手よりほんの少し遅れていると負けてしまう可能性がある。Intel社の元社長クレイグ・バレット氏は、同社のマイクロプロセッサーを人類が作った中で最も複雑なデバイスと呼んだ。

半導体の自給自足を達成するのが難しいのはこのためだ。中国は最新の5カ年計画でチップの自給を国家の最優先課題として掲げており、ジョー バイデン米大統領は国内製造を復活させることで、安全なアメリカのサプライチェーンを構築すると宣言している。欧州連合（EU）でさえ、チップを自国内で製造する方策を検討している。しかし、成功は確実ではない。

チップの製造には通常 3 か月以上かかり、巨大な工場、防塵室、数百万ドルの機械、溶融スズ、レーザーが使われます。最終目標は、普通の砂から抽出されたシリコンのウェハーを、トランジスタと呼ばれる数十億個の小さなスイッチのネットワークに変換することです。これが最終的に、電話、コンピューター、自動車、洗濯機、衛星に重要な機能を提供する回路の基礎となります。

Bloomberg Big Takeから：チップ不足で自動車メーカーはハイテク機能の切り捨てを余儀なくされる

小さいけれど複雑
ほとんどのチップは、ソフトウェアを実行し、データを操作し、電子機器の機能を制御する回路群である。これらの回路の配置によって、特定の目的が与えられる。下はNvidiaのGeForce RTX 3090で、現在、コンピューター コードをリアルなビデオゲーム グラフィックスに変えるのに最も優れている。

 

チップ企業は、チップに詰め込むトランジスタの数を増やし、性能を向上させ、デバイスの電力効率を高めようとしている。Intel初のマイクロプロセッサー「4004」は1971年に発売され、ノードサイズが10ミクロン（1000万分の1メートル）のトランジスタはわずか2,300個だった。しかし、その後数十年にわたるIntelの揺るぎないリーダーシップは、ライバルの台湾積体電路製造（TSMC）とSamsung電子が、より優れたトランジスタを搭載したチップの製造を開始した2015年から2020年の間に終わった。トランジスタのサイズは5ナノメートル（10億分の5メートル）まで縮小された。（ちなみに、平均的な人間の髪の毛の幅は10万ナノメートルである）
その環境を維持するため、空気は常にろ過され、人の立ち入りはほとんど許されていない。頭からつま先まで保護具に身を包んだ作業員がチップ製造ラインに1人か2人以上現れたら、それは何かが間違っているサインかもしれない。半導体の設計と開発を支える真の天才たちは、何マイルも離れた場所で働いているのだ。
このような予防措置が講じられても、シリコンのウエ―ハは人間が触ることはできないし、空気に触れることもできない。ウエ―ハは、天井に設置されたトラック上を走るロボットが運ぶカートリッジに入れられ、機械間を移動する。シリコンウェーハが安全なカートリッジから出てくるのは、マシンの中に入ってからである。
原子レベルの製造

チップは100層もの材料で構成されている。これらの層は堆積され、その後部分的に除去され、すべての小さなトランジスタを接続する複雑な3次元構造を形成する。これらの層の中には、原子1個分の薄さのものもある。Applied Materials社、Lam Research社、東京エレクトロン社が製造するマシンは、温度、圧力、電界、磁界など、さまざまな変数を制御してこれを実現している。

この工程で最も難しいのはリソグラフィで、ASML HoldingNV社製の機械が担当する。同社の装置は、光を使ってシリコン上に堆積した材料にパターンを焼き付ける。このパターンが最終的にトランジスタとなる。これはすべて、非常に小さなスケールで起こっている。現在のところ、これをうまく機能させる方法は、通常は宇宙空間でのみ自然に発生する極端な紫外線を使用することである。これを制御された環境で再現するために、ASMLの機械はレーザーパルスで錫の溶けた液滴を叩く。金属が気化すると、必要なEUV光が放出される。しかし、それだけでは十分ではない。光をより細い波長に集光するにはミラーが必要である。

負担の大きい経済学

チップ工場は週7日、1日24時間稼働している。その理由はひとつ、コストだ。月に5万枚のウェハーを生産するエントリーレベルの工場を建設するには、約150億ドルかかる。その大半は、2020年に初めて売上高が600億ドルを超えた専用装置に費やされる。

ヘビーデューティー

チップ製造に使用される装置の売上高は2015年以降倍増している

 

Intel、Samsung、TSMCの3社がこの投資の大半を占めている。彼らの工場はより先進的で、それぞれ200億ドル以上かかる。TSMCは今年、新しい工場と設備に280億ドルも費やす予定だ。米国政府が国内でのチップ生産を支援する法案を可決しようとしているのと比較してみよう。この法案では、5年間でわずか500億ドルしか提供されない。

巨大な施設を建設するために大金を費やしても、5年以内に陳腐化する。赤字にならないためには、チップメーカーは各工場から30億ドルの利益を出さなければならない。しかし現在、複数の工場を建設する余裕があるのは、最大手、特に昨年1880億ドルの売上を上げた上位3社だけである。

やればやるほど、うまくなる。歩留まり-廃棄されなかったチップの割合-が重要な指標となる。90％以下は問題です。しかしチップメーカーは、高価な教訓を何度も何度も学び、その知識を積み重ねることによってのみ、そのレベルを超えることができるのです。

この業界の残酷な経済状況は、追いつく余裕のある企業が少ないことを意味している。毎年出荷される約14億個のスマートフォン用プロセッサーのほとんどはTSMC製である。Intelはコンピューター・プロセッサーの市場の80％を占めている。メモリーチップはSamsungが独占している。中国を含む他のすべての企業にとって、参入するのは容易ではない。