半導体業界における共同データ共有の呼びかけ
チップ不足から学んだことが一つあるとすれば、それは、半導体業界全体のパートナーやサプライヤーの間で共有される、より実用的なデータが必要であるということである。
チップ不足とサプライチェーンの問題は、データ共有の断絶がいかにもろいものかを示しており、欧州チップ法、CHIPS for America Actは、チップ不足の解消がいかに多くの国にとって最重要課題であるかを示している。 業界として、サプライチェーンの各企業がこの課題に対応し、エコシステム全体でより多くのデータ共有を促進するための支援を行う必要がある。
なぜ、こうなったのか？：
半導体の生産量は増加し、半導体のバリューチェーンは非常に拡張されている。必要とされるデバイスの数が増え、ノードのサイズが小さくなるにつれて、欠陥ゼロの製品を作り、より速くイノベーションを起こさなければならないというプレッシャーが急速に高まってきている。成功するためには、メーカーとそのサプライヤーはこれまでとは異なるやり方をする必要がある。
過去 10 年間に新しいテクノロジー・ノードが導入されたため、業界全体として材料の感度が高まっており、このため、材料と製造工程間の新たな相互作用が明らかになり、サプライチェーンにストレスが発生している。
材料の感度はますます高まっている。材料バリューチェーンの中で何が起こっているかを見てみると、材料サプライヤーから始まって、原材料サプライヤーは主要な原材料をそれぞれ調達する必要がある。もし、ある特定の原料のバッチに懸念があるような混乱が一つでもあれば、サプライチェーン全体に遅れが生じ、原料サプライヤーに戻り、新しい在庫を確保しようとするなど、すべてのプロセスをやり直す必要がある。
このバリューチェーンは通常、合理的に運営されているが、稼働率と生産能力の増加、そしてチップ不足によってさらに強調されているのが、デバイスメーカーに時間通りに納品するために、材料の各バッチが非常に重要となっていることである。
原材料のパラメータを特定することができれば、原材料を特定のプロセスに適合させるための設計プロセスを改善することができる。デバイスメーカーにとって、これは大きなインパクトがあり、歩留まりを向上させ、ばらつきを減らし、スループットを向上させることができるのである。
データが真の差別化要因に：
半導体業界では、ほぼすべての製品について膨大な量のデータが収集されているが、この貴重なデータが企業間で共有されることはほとんどない。これまでにも1対1のデータ分析によって多くの価値あるソリューションが提供されてきたが、バリューチェーン全体の企業がこのデータ共有に参加し、恩恵を受けるようになれば、その機会は無限に広がる。
複数のソースから得られる大量かつ高速なデータは、業界に革命をもたらす大きな可能性を秘めている。例えば、これまで孤立していたデータセットを共同で収集し、集約して分析することで、重要な、そしておそらくは予期せぬ洞察や、異なるプロセスパラメーターや異なる材料間の相互依存性を明らかにすることができる。このような相互依存性から、予想外の結果や改善につながる可能性がある。
複数の企業のデータを集約し、品質に影響を与える隠れたパラメータをピンポイントで特定する業界全体のエコシステムは、業界が最も重要なことに時間と労力を集中できるようにするために最も重要なことである。これは、顧客が情報とIPの完全な所有権を維持するために、データセキュリティを保証することによって行われる必要がある。
IPセキュリティは重要な要素であり、競合他社や様々な企業が共有のコラボレーションプラットフォームに参入する際の信頼性を高めるものである。また、企業が学習成果を共有し、材料の品質を向上させることができるため、業界内の供給途絶を最小限に抑えることができるようになる。IP汚染を避けるために、データ共有は、すべてのデータをコード化し、正規化することによって促進される必要があり、これにより、各プレーヤーはエコシステム全体で学習し、機密情報を共有せずにデータと主要トレンドを活用することができる。
半導体チップの製造は非常に複雑な製造プロセスだが、より広範なデータセットにアクセスし、高度な分析を適用することで、その複雑さをある程度解読し、革新的なソリューションをより早く見つけることができる。より多くのデータを一括して分析し、パターンを特定し、個別のプロセスステップや材料の相互作用の関係を探すことで、歩留まりの最大化とコスト削減につながる最適化を実現することができるのである。
多くの企業間で安全かつ継続的にデータを共有できるデータエコシステムを基盤とした、品質における新しいスタンダードを、今こそ業界全体で作り上げる時なのである。
パデュー大学が米国で半導体に関する総合的な学位プログラムを開始
パデュー大学は、米国がチップ産業の再建を目指す中、米国初の半導体工学の総合的な学位プログラムを立ち上げている。
パデュー大学電気・コンピュータ工学科のMark Lundstrom教授はインタビューで、「今後5年ほどの間に米国で13の新しい工場が建設されると予想され、その需要増に対応するために、5万人程度の新しい半導体エンジニアの需要があると見ている。これは、米国の大学が現在生産している半導体エンジニアの2倍以上である」」と述べている。
Intel、Samsung、Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.は、需要の急増を見越して、世界中のファブプロジェクトに数百億ドル相当の投資を行い、チップ業界をリードしている。つまり、半導体技術者は、米国だけでなく、世界でも不足することになる。
ニューヨークのロチェスター工科大学は、半導体プログラムを提供している数少ない米国の学術機関の1つだと、Lundstrom氏は指摘する。米国最大級の工学系大学であるパデュー大学は、「包括性と規模」で際立つことを目指しているとLundstrom氏は言う。
半導体企業のCEOたちは、チップ企業の上級幹部で構成される理事会が助言するパデュー大学の取り組みを支持している。
チップメーカーの幹部の中には、パデュー大学がどのようにプログラムを実施するかについて、Lundstrom氏や他の教育者と毎週議論している人もいる。チップメーカーは、幅広い分野の知識を持つ新入社員を探している。
パデュー大学の学位と資格のセットであるSDP（Semiconductor Degrees Program）が、大学院生と学部生を訓練する。 工学部は、半導体企業での共同作業やインターンシップに備える学部生向けの夏季コース、大学院生や学部生が鋳造工場でチップ設計を行うテープアウト・プロジェクト、新しい学際的修士課程の学生に対する奨学金の3つの方法で、SDPを支援している。
学部生は、新入生の入門コースから始まり、有望な学生にはインターンシップやCo-opの経験を提供し、オプションとして半導体の副専攻や集中講義につなげる予定である。
ナノテクノロジーを駆使したEV用バッテリーの未来
長年にわたり高価格帯にあった電気自動車（EV）が、消費者にとって手頃な選択肢になりつつある。しかし、EVに使用される電池には、充電時間や走行距離など、まだまだ改良の余地があり、自動車メーカーはEV用電池の性能を最大限に引き出すために、ナノマテリアルの使用に目を向け始めている。
Mercedes は、電気SUV車の一部にナノ材料を用いた電気自動車用バッテリーを近々採用することを発表した。
ナノマテリアルへの関心 :
EV市場は、充電の遅さ、使用可能距離の短さ、商業的に実現不可能な電池の大きさなど、長年にわたって多くの課題に直面してきた。ナノ材料は電池の小型化に役立つだけでなく、優れた導電性と電荷キャリア特性を利用できるため、長年にわたりEV用電池に関心を持たれてきた。
また、導電性ナノ材料の中には、急速充電が可能なウルトラキャパシタなど、EVへの応用の可能性を示しているものもある。このようなナノ材料の特性を生かした実用化には時間がかかりましたが、近い将来、公道を走る自動車にナノ材料電池が搭載されるようになるところまで来ている。
中国がいち早く市場へ ：
EV用電池市場で最初に大きな進展を見せたのは、中国のGACグループであり、同社の新型車「Aion V」にグラフェン電池を採用することが、数年間のテストを経て2022年後半に発表された。これは、EVバッテリーに限らず、バッテリーにおけるナノマテリアルの使用にとって重要な進展であり、グラフェンに大きな関心を寄せている中国が最初にこれを利用したことは驚くことではない。
しかし、自動車分野でのグラフェンの大きな発表は、これが初めてではない。数年前、フォードがF-150とMustangにグラフェンを使用することを発表したが、このときはエレクトロニクスではなく、自動車の複合材料や構造的な側面に焦点を当てたものであった。
グラフェンを複合材料に組み込んで構造的な用途に利用することは長年にわたって容易であったが、エレクトロニクスシステムに組み入れることはより困難な課題であった。だから、この電池の開発は、グラフェンエレクトロニクスの開発にとっても重要なのである。
Aion Vは、グラフェン電池（グラファイトの代わりにグラフェンを負極に使用）を搭載した最初の製品になるが、テスト結果によると、わずか8分で0%から80%まで充電でき、1000kmの航続距離があるとのこと。つまり、グラフェンが現状に挑戦する可能性はあるが、実際の充電や航続距離の値は2022年末にならないとわからないということだ。とはいえ、ナノ化したEVバッテリーを広く採用するための扉を開いたといえる。
Mercedes がナノ強化型EVバッテリーを採用へ：
グラフェン電池の開発も素晴らしいが、最近の最大のニュースは、メルセデスがSila Nanotechnologies Inc.と協力して、SUVの電気自動車Gクラス用にナノ化電池を開発することである。この電池では、負極材料がグラファイトではなくシリコンナノ粒子で構成されている。
そのため、炭素系負極ではなくシリコン系負極を使用することで、今回の開発の意義がより一層高まっている。シリコン負極は、グラファイトに比べて理論エネルギー密度が非常に高いため、以前からリチウムイオン電池の材料として研究・提案されていた。しかし、電池の充放電を繰り返すと、シリコン負極が膨張し、すぐに破断して電池がショートしてしまう。
これは長年の課題であり、いくつかのルートが提供されてきた。しかし、シリコンナノ粒子を使用するという選択は、シリコン負極がもたらす従来の課題を回避する方法を提供するものである。なぜなら、電極が多孔質であるため、使用中の負極の体積膨張に対応できるからである。
この電池はまだ開発中であり、2024年に量産、2025年に実用化される予定であるため、充電や航続距離に関するデータはあまりない。しかし、シリコンナノ粒子負極を用いることで、現在使われているEV用リチウムイオン技術よりもエネルギー密度が20％高いEV用電池ができると期待されている。
シリコンナノ粒子強化型電池がさらに成熟し、現状よりも改善されれば、エネルギー密度の向上は黒鉛系リチウムイオン電池に比べて最大40%になると考えられている。
他の自動車が先に実用化されるとはいえ、ナノ材料強化型EV電池とシリコン系負極の両方を大規模に開発し、市場に導入するのは世界初となりそうだ。
動車産業の競争力を考えると、Mercedesのような企業がナノマテリアル強化型電池に大きな信頼を寄せているのであれば、性能面で追いつくためにナノマテリアル強化型EV電池に移行する世界の自動車メーカーが増える可能性があるのである。
チップ不足で深刻化するエンジニアのスキル問題
半導体製造の世界的な不足が、さまざまなエレクトロニクス分野に及ぶ電子機器製造に深刻な影響を及ぼしていることはよく知られている。世界的なチップ不足の問題は2023年まで緩和されないと多くの人が考えており、供給ラインと生産能力の大きな混乱によるリードタイムの延長と価格の上昇によって、今後18ヶ月の間にさらに悪化すると見られている。このため、政府および企業は、この状況に対応するための新たな戦略を必要としている。
解決策としてエンジニアリングに注目：
Harvard Business Review誌の最近の記事では、多くの製造業が、利用可能なチップの不足分を補うための解決策を見つけるために、エンジニアリングチームに目を向けていることが強調されており、サプライチェーン・ショックをより迅速かつ効果的に緩和するために、専門家が会社の製品設計方法を調整していると述べている。より弾力性のある製品ポートフォリオを持つ企業は、混乱への影響を最小限に抑え、必要に応じて迅速に対応し、製品を調整することが容易になる。
しかし、より多くのソフトウェアを部品に組み込んだり、高級部品を標準的で信頼性の高いチップに置き換えるなどの戦略を成功させるには、非常に人気の高い熟練したエンジニアリングの専門知識が必要である。
エンジニアリングの革新：
これを裏付けるように、米国の部品販売会社Avnetが実施したレポートでは、調査対象となったエンジニアの55%以上が、チップ不足と価格高騰のために基板やハードウェアの設計をやり直したと回答している。また、エンジニアは基板の開発を遅らせたり、広く入手可能な代替部品を使用した新しい設計を取り入れる必要があったという。
さらに、一部の政府と大手チップメーカーは、極東生産への依存に対抗するため、自国の領土での生産能力を高めるために、独自の「ファブ生産」工場の建設に資金を提供している。
半導体設備新設に向けた投資：
Joe Biden米大統領は、23億ドルのインフラ計画の一環として、国内供給を増やすために半導体の研究・製造に500億ドルを計上した。一方、Intelは欧州の半導体バリューチェーン強化のために330億ユーロを投資、サプライヤーやパートナーへの波及効果を抜きにして、結果として3,000のハイテク雇用が創出されると見積もっている。これらの高度に自動化された施設を運営するために、高度な技術を持った専門家が必要とされるだろう。現在行われている事業拡大の規模は、多くの場合、特殊な分野の人材に対する並外れた需要を生み出している。
エンジニアリングスキル不足のジレンマ：
このような戦略により、すでにプレッシャーがかかっている組み込みエンジニアのスキル市場には、ますます大きな負担がかかるようになっている。半導体の主要生産国である台湾でさえ、半導体の複雑化に伴い、高度な技術を持つエンジニアの不足は、最先端技術を維持するための努力を怠りかねない。
また、台湾では、半導体工場が本格的に稼働するまでに少なくとも2年を要するため、より短期間に熟練技術者を確保することが求められている。また、デロイトの最新レポートによると、チップの現地生産化によって新たな人材プールが開かれるが、新しい人材は依然として新しいスキルを習得しなければならないため、短期的には無理だろう。
半導体産業で必要とされる職能は変化しており、ソフトウェア技術への依存度が高まっているため、適切な人材をすべて採用するには時間がかかるだろう。
ギャップを埋める高スキルエンジニア契約社員の魅力：
パンデミックの影響により、在宅勤務が当たり前となり、雇用が凍結されたため、企業は市場のニーズをカバーするために、請負履行やリモートワーク、ハイブリッドワークに視野と戦略をシフトしている。こうすることで、企業はイノベーションと成長を確実に継続することができる。このようなニーズの高いエンジニアの雇用は、フルタイムの現地スタッフを雇用する際のコストや時間のかかるプロセスを必要とせず、低価格で採用できることが多い。
在宅勤務の経験により、多くの熟練したエンジニアがフリーランス契約者市場に参入し、組み込みエンジニアの能力をさらに高めることに成功している。その結果、請負業者のスキルは、組込みエンジニアのスキルカテゴリー全体にわたって、より深く、より広範囲に及ぶようになったのである。
そのため、企業は、オンサイト、ハイブリッド、リモートなど、必要性と可用性に応じて、熟練したリソースのグローバルベースから、プロジェクトに最適な請負エンジニアを選択できるようになった。
チップ不足の問題を解決するために、ますます多くの企業が革新的なエンジニアリングのアイデアに目を向けるようになり、請負業者部門から、柔軟で高度なスキルを持つ電子エンジニアを検討する時期が来ているのかもしれない。
OpenLight が新しいオープンシリコンフォトニクスプラットフォームを発表
SynopsysとJuniperの出資により新たに設立された独立企業OpenLight は、レーザーを集積した世界初のオープン・シリコンフォトニクス・プラットフォームを発表した。カリフォルニアに本社を置く同社は、チップメーカーに最高性能のフォトニック集積回路（PIC）を作る手段を提供することを目指している。その用途は、データ通信、テレコム、LiDARなど多岐にわたるが、いずれも低消費電力で動作するものである。
近年、人工知能や機械学習技術の利用が急激に増加していることから、シリコンフォトニクスが急成長している。チップメーカーは現在、高度なアプリケーションで増大する帯域幅の需要に対応する生来の能力によって、PICに照準を合わせている。
しかし、このような帯域幅の要求が増大し、複雑化し、レーザー統合がより高価になるにつれ、チップメーカーはやや行き詰まりを感じている。
OpenLightの最高執行責任者（COO）であるThomas Mader氏は、「すべて規模が問題だ。非常に大きく複雑なチップを作る場合、レーザーが内蔵されていなければ、外部から結合させなければならない。それが別パッケージであろうと、はんだ付けして位置合わせをしようとしても、光学的な位置合わせは難しい。1つの製品に4回、8回とやろうとすると、だんだん難しくなり、歩留まり、コスト、パワーのロスにつながる」と述べている。
この点で、OpenLight は、集積レーザーを使うことで、すでに市場にある他のオープンシリコンフォトニクスソリューションと一線を画していると考えている。
ビジネス開発・戦略担当副社長であるDaniel Sparacin氏は、「プロセス設計キットを持つオープンシリコンフォトニクスプラットフォームは他にもあるが、レーザーを追加することはかなり複雑なことである。なぜなら、内部反射やノイズなど、他のプロセス設計キットでは扱う必要のないことを心配しなければならないからである。そのため、EDAと協力し、これを実現するためのエコシステム全体を構築している」と述べている。
タワーのPH18DAプロセスでの認定試験と信頼性試験に合格した同社のPDKは、レーザー、光増幅器、変調器、光検出器を集積しており、チップメーカーは独自のPICを設計しながら利用することができる。
シリコンフォトニクスに頑なに欠けているものの1つがレーザーである。当社のPDKでは、チップを設計する際にレーザーを置くことができ、光増幅器、リン化インジウムベースの変調器、光検出器を置くことができる。
大規模なレーザー集積を可能にする重要なコンポーネントの1つが、リン化インジウムだとMader氏は説明する。リン化インジウムをシリコンフォトニクスウエハーに直接加工することで、チップメーカーは拡張性、コストメリット、パワーメリット、そして従来のシリコンフォトニクス技術では達成できなかったレベルの信頼性を実現することができるのである。 信頼性については、シリコンに直接照射することで、特定の故障モードを回避できるという。
通常、ディスクリートレーザーは、リン化インジウムの塊のようなもので、その上に構造があり、エッジはそのレーザーの重要な部分である。エッジにわずかな欠陥があると、レーザーの故障の原因になる。
OpenLight は、PDKに加えて、選択したメーカーに、市場投入までの時間を短縮するために、到達距離2kmの400G-DR4と800G-DR8 PIC設計を利用するオプションも提供する予定。400G-FR4と2x400G-FR4 PICデザインも現在設計中である。
同社はまた、製造コストをさらに下げるために、最初のオープンマルチプロジェクトウェハー（MPW）シャトルをテープアウトする予定で、MPWシャトルは、PH18DAプロセスで動作する予定だという。
TSMCが2nmノードでのナノシート技術に注力
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) は、ハイパフォーマンスコンピューティング (HPC) システムのエネルギー消費を削減するために、2025年からの次の2nmノードの生産にナノシート技術を選択した。
TSMCは、今後数カ月間に世界各地で開催される年次技術シンポジウムのプレビューとして、今後数年間のロードマップについて一握りの報道陣に説明した。TSMCのビジネス開発担当副社長であるKevin Zhang氏によると、世界有数のチップファウンドリは、ナノシートに続く相補型FET（CFET）などの他のプロセス技術も評価しているという。
CFETは、ナノシート技術を進化させたもので、n型とp型のどちらかを積層するのではなく、両方を重ねることで、より高いトランジスタ密度を実現する。TSMCは、地球温暖化に大きな影響を与えているデータセンターなどのHPCアプリケーションのエネルギー消費量を削減するための新しいトランジスタ・アーキテクチャを模索している。
TSMCの技術ロードマップのさらに先には、二硫化タングステンなどの研究中の新材料がある。この材料は伝導性に優れ、よりエネルギー効率の高い計算を可能にする、とZhang氏は言う。また、電子をより効率的に動かす材料であるカーボンナノチューブも評価中であるという。
市場調査会社Gartnerによると、TSMCは今年後半に業界をリードする3nmノードの生産を開始し、5nmビジネスで90%のシェアを獲得していたFinFETプロセス技術の終焉を迎えるという。3nm と 2nm の間には約 3 年の周期がある。
Samsungは、今年後半に3nmノードでナノシート技術を初めて導入する予定。BernsteinのアナリストであるMark Li氏によれば、その動きは時期尚早かもしれないとのこと。
Li氏はEE Timesに対し、「Samsungが最初で、今ナノシートを採用しているが、これは逆にQualcommやNvidiaなどの顧客が実行リスクを懸念してTSMCに逃げるのを恐れている」とし、「Intelの計画もTSMCの計画より早く、おそらく1年程度遅れているが、Intelが実行できるかどうかはまた別の問題である。品質や歩留まり、ひいてはコストや数量が予測できる新技術を商品化するには、技術の準備と実行能力を慎重に判断する必要があり、そこがTSMCが本当に差別化できるところである」と述べている。
TSMCの顧客の中には、より多くの技術的利益を得るために、さらに長く3nmにとどまる人もいるかもしれない。「3nmと2nmは、かなりの期間、重なり合い、共存していくだろう」と、Zhang氏は指摘する。
ファウンドリの顧客をFinFETからナノシートのような新しい技術に移行させることは、リスクが高い。Wedbush SecuritiesのシニアバイスプレジデントであるMatthew Bryson氏によれば、TSMCには顧客が安心できる実績があるとのこと。
「最近の歴史は確かにTSMCに有利だが、同時に、Intelが過去数代の政権下でそうであったよりも大幅に投資する意思を持ち、新しい技術でリードしようとしていることから、競争環境が変化している」と述べている。
米国が世界初のエクサスケールコンピュータを発表
米国は今週、AMDのチップを搭載した世界初のエクサスケールコンピュータ「Frontier」を発表した。オークリッジ国立研究所のFrontierシステムは、1.1エクサフロップスでTop500リストのトップになり、エクサスケールの壁を破った最初のコンピュータとなった。
Top500とGreen500の専門家によれば、このシステムはエネルギー消費をダイアルダウンし、Top500リストで2位のシステムの2倍以上の性能を発揮したとのこと。
Frontierシステムは、最適化された第3世代AMD EpycプロセッサーとAMD Instinctアクセラレーターの単一キャビネットから62.68ギガフロップス/ワットの電力効率を実現し、Green500リストでも上位にランクインしている。Frontierの混合精度コンピューティング性能は、HPL-AI（High-Performance Linpack-Accelerator Introspection）テストにより、6.86エクサフロップスに達した。
1993年以来、Top500は世界で最も強力なコンピューティングシステムをリストアップしている。このリストは、ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）の専門家、科学者、メーカー、インターネットコミュニティの協力により作成されている。
Top500およびGreen500のリストでは、AMDのシリコンを好む傾向が強まっている。Top500では、AMDは94のシステムを搭載しており、前年比95%増となっており、また、AMD Instinct MI200アクセラレーターは、7つのシステムでTop500に初入賞している。
AMDのデータセンター・ソリューション・グループ担当上級副社長であるForrest Norrod氏は、プレス・ステートメントの中で、「スーパーコンピューターの革新と性能および効率の向上は、世界で最も複雑な課題に対処する上で極めて重要である」とし、EpycプロセッサーとAMD Instinctアクセラレーターは、HPCの限界を押し広げ、科学的発見の進展に必要なパフォーマンスを提供し続けていると述べた。
成長中のHPCアプリケーションには、材料科学、エネルギー問題、国家安全保障が含まれている。Frontierシステムに使用されているAMDチップを製造している大手チップファウンドリTaiwan Semiconductor Manufacturing Co.は、今年初めにHPCが同社のビジネスの最大セグメントとなったと述べている。
Oak Ridgeは、Googleなどの民間企業を含め、HPCを広く活用している多くの企業の1つである。
1992年5月の設立以来、テネシー州オークリッジの施設は、核兵器を管轄する米国エネルギー省（DOE）に代わり、科学界向けのスーパーコンピュータを開発してきた。Oak Ridgeのシステムは、生物学、先端材料、気候、核物理学などの分野の問題を解決するために使用されている。
