エレクトロニクス製品：ハードウェア部品表の表示について
世界中の人々や企業が、自動車、医療機器、重要なインフラなどの一部であるエレクトロニクス製品を消費している。しかし、自分が使っている製品に含まれる成分の詳細を知ることができる消費者はほとんどおらず、ましてやそれがセキュリティリスクをもたらすかどうかを知ることはできない。
すべてのソフトウェアはハードウェア上で動作していることを私たちはしばしば忘れがちである。ハードウェアの複雑さは、ソフトウェアのコードサイズと同じような速度で増加している。半導体メーカーは、特定のアプリケーション向けにカスタマイズされたチップを開発し、ハードウェア・セキュリティ・サポートを組み込んだものが増えており、セキュリティ・リスクを増やしている。
結局のところ、製品の安全性はその最も弱い構成要素によって決まるため、企業は基本的な機能以外の構成要素の詳細を知らないまま技術を統合するわけにはいかない。そのような構成要素は無害かもしれないが、攻撃者にチャンスを与えてしまうかもしれない。私たちは、電子製品に対して、普段食べている食品と同じように、何が入っていて、どれくらい安全なのか問う必要がある。
ハードウェアがソフトウェアから学ぶべきこと：
食品の場合、私たちは消費者として成分表示を読んだり、食事に何が入っているかを知ることができるため、成分表示の透明性により、消費者は自分に合った食品を選ぶことができる。アカウンタビリティは、より良い品質をもたらす。
同様に、製造業では、製品を作るために必要な原材料、部品、コンポーネントのリストと数量を提供する「部品表」（BOM）がよく理解されている概念である。このリストにセキュリティの詳細を加えたものが、ソフトウェア側では「ソフトウェア部品表」（SBOM）と呼ばれ、人気を博している。
ソフトウェアアプリケーションの90～95％は、ユーザーが意識することのないオープンソースのコンポーネントで構築されていることもある。SBOMは、ソフトウェア・アプリケーションにどのようなコンポーネントが含まれているかを示すだけでなく、それらが最新バージョンであるかどうか、また、アプリケーション全体がサイバー攻撃を受ける可能性のある既知のセキュリティ脆弱性が含まれているかどうかも示している。
SBOMは、昨年の大統領令でさらに注目を浴びるようになった。この大統領令は、ソフトウェアのサプライチェーンを解きほぐすことを目的としており、すべてのソフトウェア・ベンダーが連邦政府にSBOMを提供し、政府機関が使用するソフトウェアに何が含まれているかを正確に把握することを義務付けている。遠隔操作された脆弱性など、新たなセキュリティ問題が発生した場合、SBOMのおかげで政府機関は迅速に対応することができる。
ソフトウェアと異なり、ハードウェアのセキュリティ問題が注目されるようになったのは、2017年にSpectreとMeltdownの脆弱性が発見された後、ごく最近のことである。それ以前は、チップは物理的なアクセスがなければハッキングされないと広く考えられていた。今では、ハードウェアのセキュリティ設計上の欠陥は、時にリモートで悪用されることがあることが分かっている。
例えば、リモートで実行される非特権ソフトウェアアプリケーションは、ハードウェア固有の情報漏えいを悪用して、秘密を引き出したり、システムの制御を乗っ取ったりすることができる。さらに、このような攻撃は自動化され、脆弱なハードウェアを含むすべての製品をターゲットにできる可能性があるため、攻撃の規模や影響力が非常に大きくなっている。さらに悪いことに、ハードウェアの脆弱性を修正することは、チップを配備した後では不可能か、非常に難しい。
遠隔操作可能なハードウェアの脆弱性は、最近になってようやく注目されるようになったが、ソフトウェアの脆弱性のように注目されることはない。より多くの企業がそのリスクに気付いており、私たちはまだ学んでいる段階にある。
ハードウェア部品のセキュリティの詳細を提供するハードウェア部品表（HBOM）は、そのセキュリティ検証を含め、あらゆる電子製品のセキュリティ姿勢を明らかにするために、SBOMを補完するものである。SBOMとHBOMを組み合わせることで、製品の全体像を把握し、ライフサイクルにわたって成分を追跡できるようになり、ハードウェアまたはソフトウェアのいずれかに脆弱性が発見された場合に迅速な対応が可能になる。
5Gモバイルデバイスのアンテナ設計
5G モバイルデバイスのアンテナ設計は、性能を維持するために特別な配慮が必要である。グランドプレーン、基板上のアンテナ位置、その他の関連部品が全体の性能に影響を与える。無線機器に必要な信頼性は、設計の初期段階から解析し、修正することで実現される。
スマートフォンがより多くの周波数帯で機能し、5Gなどの技術に対応するためには、アンテナの開口部のチューニングが重要でる。MIMO（多入力多出力）やCA（キャリアアグリゲーション）などのRFニーズの拡大に対応するため、スマートフォンではアンテナの本数が増加している。
しかし、スマートフォンの小型化に伴い、アンテナを設置する面積はどんどん小さくなっている。アンテナ設計は、最終的なデバイスのフォームファクターとOEMの好みに大きく依存するため、このプロセスで最も不可解なステップと言える。
5G vs. 4G：
携帯電話業界は、より高いデータレート、低いレイテンシ、そして最大限のパフォーマンスを求めて進化を続けている。
5G は、シャノン-ハートリーの公式に従って、ビット/秒 で表されるチャネル容量を増加させるなど、アーキテクチャ にいくつかの改良を加えることによって 4G から進化している。C = M × B log2(1 + S/N)。この式のパラメータは、CA、MIMO設計、追加周波数帯の指定、高次変調技術の適応的採用などによって影響を受け、チャネル容量が増加する。
CAとは、多数のデータストリームを統合して性能を向上させる方法である。MIMOシステムは、受信と送信の両方に複数のアンテナを持つシステムで、SISOシステムがそれぞれに1つのアンテナしか持たないのとは対照的である。
4G と比較して、5G は設計を次のレベルの複雑さと容量に押し上げるものであり、その結果、より広い帯域幅、多くの周波数帯、そしてより高い耐干渉性など、高まり続ける要求を満たすために、アンテナ設計を進化させる必要がある。
5Gでは、各受信機の通常のアンテナ数が大幅に増加する。より大きなデータレートを生成する2つの方法であるCAとMIMOを使用するために、複数のアンテナを同時にアクティブにする必要がある。より小さな面積に多くのアンテナを詰め込む必要があるため、アンテナのサイズを小さくする必要があり、アンテナ効率が低下する。より多くのデータを多くの人に、より要求の厳しいユースケースで伝送したいと考える機器にとって、RF回路設計がボトルネックになっている。
アンテナの課題：
最近の無線機器は、サイズ制限が厳しいため、サイズを小さくするためにアクティブチューナーを採用するのが一般的である。動作環境、周波数帯、帯域幅の変化に応じて、自律的にアンテナをチューニングすることができる。アンテナチューニングシステムは、複数のチューニング状態と、チューニング状態ごとのより広い周波数スペクトルをサポートする必要がある。
3GPP Release 15 では、5G では FR1 と FR2 という 2 つの基本周波数帯が使用される（FR2 [mmWave]: 24.25 ～ 52.6GHz, FR1: 410MHz ～ 7.125GHz）。
5G では、現在の 4G LTE で使用されている 3GHz 以下の周波数に加え、FR1 の 3.3 ～ 3.8GHz, 3.8 ～ 4.2GHz, 4.4 ～ 4.9GHz 帯が使用される。そのため、携帯電話のアンテナは、6GHz 帯以下の周波数帯のカバー率を高めるために、仕様の改訂に対応する必要がある。
アンテナの設計には、物理的な問題がある。1GHz帯の信号の波長は約30cm。1GHzの信号の波長は約30cm、28GHzの信号の波長は1.07cm。このため、FR1とFR2の両方の帯域で動作する5G機器には、少なくとも2組のアンテナが必要になる。
5G では、スケーラブルな直交周波数分割多重化波形が使用され、さまざまなサブキャリア信号の間隔と、異なる周波数帯で利用可能なさまざまなチャネル幅に対応する。周波数が高くなると、より大きなサブキャリア間隔と広いチャネル幅が利用可能になる。低周波数では、チャネル幅とサブキャリア間隔が小さくなる。
FR2 を利用する機器やシステムのアンテナ設計は、大きく異なるものでなければならない。ミリ波（mmWave）伝送では、信号の伝搬損失が波長に反比例するため、大きな経路損失が発生する。この経路損失を補うために、フェーズドアレイアンテナ設計によりアンテナ利得を増加させることが、業界で認知された確実な改善策となる。
品質管理を担うロボット
技術革新の歴史において、工場は常に新技術をいち早く採用し牽引してきた。産業革命の初期から今日まで、工場は大きな変化と進歩を遂げ、最終的にはより高い生産性、効率性、安全性を目指してきた。
今日、ロボット工学とAIの進歩により、工場は再び技術的な革命を遂げつつある。工場におけるロボティクスの影響は、生産プロセスのほぼすべての面で感じることができるが、最も大きなメリットのいくつかは、品質管理で行われている。
従来の品質の課題：
歴史的に、生産ラインにおける困難な課題は、製造された商品の問題をいかに発見し、修正し、可能な限り高い品質の商品を確保するかということである- このプロセスは品質管理と呼ばれる。
品質管理は、従来、極めて手作業が多く面倒な作業であり、従来の品質管理は、生産ラインの前に人が立ち、生産された製品を一つ一つ手作業で観察し、異常や欠陥がないかを確認するものであった。異常が発生した場合、オペレーターは直ちに機械を停止させ、破損した製品を取り除き、エラーの根本的な原因分析を始めるのが仕事であった。
この方法は、さまざまな成功例があるが、人間のオペレーターを使うと、結局、生産スピードが手動オペレーターのスピードのボトルネックになり、生産ラインの効率に限界がある。当然、人間の品質管理オペレーターはミスを犯しやすく、生産ラインのスピードが上がれば上がるほど、そのミスの割合は増える一方だ。どちらの場合も、人間のオペレーターがラインのパフォーマンスを制限する要因になっているのである。
ロボットによる解決：
幸いなことに、品質管理における既存の課題の多くは、今日、ロボティクスとデータ分析を組み合わせることで解決されている。
特に今日の生産ラインでは、ロボティクスとコンピュータビジョンの組み合わせにより、より効果的な品質管理の実現に役立っている。生産ラインでは、人間のオペレーターの代わりに、ピックアンドプレースマシンなどのロボットアームと高解像度カメラで構成される高度なシステムを活用している。これらのカメラは、ライン上の各製品の完全な画像を撮影し、視覚的な分析と品質管理に使用される。
最新の品質管理システムでは、これらの画像を人間のオペレーターに送って観察させるのではなく、コンピューター・ビジョン技術を活用して、各製品の画像から異常や欠陥を検出する。各画像を事前に学習させた機械学習モデルに入力することで、品質管理システムは人手を介さずに自動的に製造上の異常の存在を検出することができる。
このように、品質管理のスピードと精度を向上させることで、多くのメリットが得られる。ロボットやコンピュータビジョンベースのシステムは、人間のオペレーターと比較して、異常や欠陥をより迅速に特定することができ、生産ラインをより速く稼動させることができる。これに付随して、ロボットベースのシステムは、人間のオペレーターよりも早く異常を特定することができるため、システム全体にエラーが連鎖するのを防ぐことができる。システムセンサーからの高度な分析と組み合わせることで、これらのシステムは問題を検出するだけでなく、システム分析を使って根本的な原因を見つけることが可能となる。
システムおよびハードウェアの課題：
品質管理におけるロボティクスの可能性が大きいことは間違いないが、解決しなければならない技術的な課題も数多くある。
明らかな課題の一つは、生産ラインのビジョンシステムによって生成される膨大な量のデータと、関連するコンピュータビジョンアルゴリズムの実行に必要な計算能力をどのように扱うかである。さらに、品質管理システムから低レイテンシーでリアルタイムの推論と応答を実現するには、エッジで高性能なコンピューティングが必要である。
また、ハードウェアだけでなく、異常や正常な状態からの逸脱を適切に処理するためのシステムレベルの課題もある。エンジニアは、生産ラインの流れを正しく保ち、ダウンタイムを最小限に抑えながら効率を最適化するようなシステム設計を行う必要がある。しかし、故障や異常の発生を予測することは容易ではなく、事前に適切な対処を行うことは困難である。
中国のハイテク分野へのグラフェン導入
グラフェンは、長年にわたってさまざまなハイテク用途で関心を集めてきたが、その商業的開発の多くは、ローテクで市場開拓が容易な産業で行われてきた。中国は現在、より高度なグラフェン製品を商業レベルで採用する先進国の一つであり、世界のグラフェン市場において最大級のシェアを占めている。
これは、中国が長年にわたってグラフェン産業に多大な投資を行ってきたことや、非科学的な人々の多くがグラフェンに親しんでいることから、他の地域よりも市場導入に関心が集まっていることは、驚くにはあたらない。本コラムでは、中国ですでに実用化されているハイテク・グラフェンの応用例をいくつか紹介する。
防衛用途：
中国の防衛・軍事用途に関する情報は常に厳重に管理されており、中国発のハイテク・グラフェンの開発という点では、このセクションは最も報道されていない。しかし、独自に検証したわけではないが、人民解放軍のZ-10攻撃ヘリコプターにグラフェン装甲が追加されたことが発表されている。
従来機では重量の関係で搭載されていなかったが、グラフェンの軽量性を生かし、コックピットや燃料タンクを保護するための装甲を追加したものと思われる。Z-10攻撃ヘリコプターの全機種にこのグラフェン装甲が採用されたのか、それとも単発の発表なのか、少し前に発表されたとはいえ、まだ確認はとれていない。
バッテリー技術：
エネルギー密度の向上と充電時間の短縮の必要性から、電気自動車（EV）のバッテリーにナノマテリアルが使われ始めているが、グラフェンもその一つである。グラフェン電池に注目するグローバル企業が増える一方で、中国からはGac Groupが初の商用グラフェン電池を発表している。Gac Groupは、SUVのAion Vのバッテリーにグラフェンを使用しており、この車は2022年末までに消費者に提供される予定である。他にもEV用のグラフェン電池が世界中で開発されているが、市場に登場するのは数年後である。
EVが最大の潜在市場である一方、ここ数年、他のいくつかのグラフェン電池も中国市場に参入している。その他の電池の多くは、EV用電池のようなリチウムイオンではなく、グラフェン強化型鉛蓄電池である。例えば、天能のTNEHシリーズ・ディープサイクル黒金電池、徐佩電力の6-DZF-22.8電池、朝威電力の黒金自動車用電池などがある。 また、数年前に北京炭素世紀科技がグラフェン強化型単三電池を開発しているとされたが、その後商品化に関する情報はあまり聞かれなくなった。
ただし、中国から多くの商業用電池が開発されているにもかかわらず、その中にはグラフェンではなくグラファイト材料を使用している可能性があることが長年にわたって報告されていることは注目に値する。
そのため、これらすべてが「グラフェン電池」そのものではなく、そのように販売されている可能性がある。また、中国では情報が厳しく管理されているため、ある企業が電池にグラフェンを使用しているという主張が真実かどうかを検証するのは必ずしも容易ではない。新たな情報が得られるまでは、さまざまなバッテリー技術におけるグラフェンの使用について、額面通りに受け止めるしかない。
スマートフォン：
スマートフォンは、中国企業がこれまでにグラフェンを利用した最大の商業製品であり、これらのスマートフォンは中国市場だけでなく世界中で販売されている。中国企業のスマートフォンが広く普及していることから、スマートフォン技術におけるグラフェン利用に関する主張を検証することは、他の分野と比較してはるかに容易である。
グラフェンをスマートフォンやタブレット端末に応用することは、非常に注目されている。当初は、グラフェンの光学的透明性を利用したディスプレイや、導電性・電荷キャリア特性を利用したスマートフォン用バッテリーへの応用が考えられていたが、折りたたみ式携帯電話の開発当初は、そのいずれにもグラフェンが大きな関心を持たれていた。
グラフェンバッテリーやディスプレイは、スマートフォンメーカーが試作しているが、中国製スマートフォンの冷却システムにはグラフェンが採用されている。グラフェンは、熱伝導率が非常に高く、熱安定性も高いという特性がある。その薄さと相まって、小型ながら高熱の電子機器の冷却媒体として有効であり、既存の冷却装置と併用して放熱効果を高めることができる。スマートフォンが小型化し、グラフェン冷却システムの成功が紹介されるようになると、多くの企業が部品の小型化を目指しているため、さらに多くの開発が行われると考えられ、その範囲は携帯電子機器にとどまらない可能性がある。
Intelが主要ファウンドリ・カスタマー3社目としてメディアテックと契約
Intelは、QualcommとAmazonが約1年前に契約したのに続き、MediaTekを同社の新しいファウンドリサービスの3番目の主要顧客とした。
Intel Foundry Services (IFS)は、CEOのPat Gelsinger氏のIDM 2.0戦略の一環として昨年キックオフされ、Intelブランドとファウンドリビジネスを明確に作り上げ、トップライバルのTSMCやSamsung Foundryと競争している。世界トップのスマートフォン用チップメーカーであるMediaTekは、TSMCの最大顧客の1つである。
Intelの報道発表によると、今回の合意によりファウンドリ・パートナーのIFSが加わり、米国と欧州に大きな生産能力を提供することで、メディアテックがより弾力的なサプライチェーンを確保できるようになった。MediaTekは、Intelのプロセス技術を使用して、様々なスマートエッジデバイス用のチップを製造する予定である。IFSは、3D FinFETトランジスタのロードマップを含む、高性能・低消費電力シリコンの製造技術を提供している。
MediaTekの上級副社長である NS Tsai氏は、「同社は、Intelと既存の5Gデータカード事業のパートナーシップを結んでおり、今回、IFSを通じてスマートエッジデバイスの製造にまでその関係を拡大することができたと」し、大規模な生産能力拡張へのコミットメントにより、IFSはMediaTekが世界中の顧客からの増大する需要に対応するのを支援すると付け加えた。
スマートフォン用チップに加え、MediaTekはAmazonなどの顧客にスマートエッジシリコンを提供している。MediaTekのチップは、音声で作動し、他のスマートデバイスを制御できるクラウドベースのパーソナルアシスタントであるAlexaやEcho、Fire TVなどのAmazon製品もMediaTekのチップで動作している。
IFSの取引は、Intel、Amazon、MediaTekのパートナーシップをより強固なものにする可能性がある。 Wedbush Securitiesのエグゼクティブ・バイスプレジデントであるMatt Bryson氏によると、現時点ではAmazonはIFSにとって「間違いなくファウンドリよりもパッケージングの顧客」であるとのこと。
QualcommとMediaTekは、Intelと競合関係にないため、IFSにとって理想的な顧客である。
現段階では、IntelとMediaTekの取引は予備的なものに見える。両社は、プロセス技術や具体的な製品に関する詳細を明らかにしなかった。
Susquehanna Internationalのシニアリサーチアナリスト、Mehdi Hosseini氏によると、IntelとMediaTekの取引は、トップファウンドリTSMCの強力な価格上昇を鈍化させる可能性が高いとのこと。MediaTekはTSMCの5大顧客の1つで、チップ不足が続くなかウェーハの値上げを続けている。
レーザー核融合によるクリーンエネルギー
今後30年間、世界のエネルギー需要は大幅に増加することが予想され、既存の再生可能エネルギー技術では賄いきれない。まだ時間はあるが、次のエネルギー革命を成功させるためには、研究開発が不可欠である。核融合エネルギーは、再生可能エネルギーやエネルギー貯蔵技術のさらなる進歩とともに、このギャップを埋める潜在的な解決策の一つである。
太陽や宇宙の星々は、2つの原子の核融合によって支えられている。エンジニアや科学者は、地球上で制御された核融合を実現し、発電所を稼働させるために、磁石やレーザーを使って必要な条件を整えようと何十年も研究を続けてきた。
ダルムシュタット工科大学は、磁場閉じ込めとは異なるレーザー誘導型慣性核融合エネルギー（IFE）のアイデアを探求している米独企業Focused Energyを支援している。なお、現在は商用エネルギーの生成とは関係がない。Focused Energyは、この10年以内に実証プラントを建設し、発電に必要な点火、燃焼、利得が十分にあることを示したいと考えている。
Focused Energy：
核融合とレーザーの専門家であるMarkus Roth氏とTodd Ditmire氏は、創業チームの注目すべきメンバーである。同社の最高科学責任者でダルムシュタット工科大学教授のロート氏は、レーザーと物質の相互作用やプラズマ物理学の研究で世界的に知られており、CTOのDitmire氏はテキサス大学オースティン校の教授で高出力レーザー工学の世界的専門家である。
2人は、高出力レーザービームを使って核融合反応を起こす独特な方法であるIFEの研究を数十年にわたり共同で行ってきた。ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）は、レーザー駆動核融合反応によって生み出されるエネルギーの新記録を発表し、IFEの大きなブレークスルーがもたらされた。
彼らは、カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所にあるNIFの強力なレーザーを使って、130万ジュールのエネルギー（10兆ワット以上のパワー）をわずか100兆分の1秒で放出し、核融合が着火点（爆発に要するエネルギー以上のエネルギーを放出し始める点）に近づいたのである。NIFの発表前に、すでに世界中の数多くの企業がレーザー核融合の商業化計画に対して数百万ドルの融資を受けている。
IFEの集束エネルギー法では、重水素-三重水素燃料を圧縮するために、NIFと同様のレーザーからのナノ秒のパルスが利用される。次に、2番目のペタワットレーザーからのピコ秒ビームが、厚さ1µmの薄い球状のフォイルに当たり、圧縮された燃料に点火する（ガソリンエンジンの点火プラグのようなものである）。燃料にエネルギーを集中させることで、陽子はフォイルの裏側から加速される。研究チームによれば、この2パルス戦略により、NIFに比べれば小さな問題である燃料カプセルの欠陥も見過ごすことができるようになるという。必要なレーザーエネルギーは、NIFの約25%に相当する。このモードは、急速陽子点火と呼ばれる。
彼らは、このペタワットレーザーの高強度フェムト秒〜ピコ秒パルスによって、NIFを凌駕し、何倍ものエネルギーを発生する核融合プロセスを開始することができると考えている。Donna Strickland氏とGérard Mourou氏が2018年のノーベル物理学賞を受賞したチャープパルス増幅は、現代のペタワット規模のレーザーを可能にしている。ペタワットレーザーは、ピコ秒パルスで1019～1021W/cm2のピーク強度を発生させる。それに比べて、NIF、Omega、フランスのLMJレーザーなどの長パルスレーザーは、レーザーパルスあたりのエネルギーははるかに高いものの、1015 W/cm2程度を生成する。
SiC半導体と産業の未来
炭化ケイ素（SiC）は、100年以上前からさまざまな用途で使用されてきた。しかし、今、この半導体材料は、産業用途を中心に、かつてないほどの人気を集めている。
SiCの概要：
SiCの電子機器への応用は1900年代初頭にまでさかのぼるが、半導体材料としての利用が本格化したのは1990年代に入ってからである。ショットキーダイオード、FET、MOSFETなどに使用されるようになったのは、この時期からである。SiCは高周波、大電力、高温負荷に強いという特性を持つが、製造上の問題もあり、普及は遅々として進まなかった。
SiCは自然界では非常に希少な物質で、主に隕石の残骸に含まれている。また、合成することも可能だが、初期の頃は一貫した結果が得られなかった。エッジ転位や三角欠陥などの問題があり、半導体としての実用化が遅れていたため、多くの応用が期待されていたにもかかわらず、使用されることは少なかった。
では、なぜSiCは有効な半導体なのだろうか。SiCはワイドバンドギャップ半導体材料であり、従来のシリコンなどの半導体材料に比べてエネルギー差が大きいため、高い熱的・電子的特性を持つ。そのため、高出力、高温、高周波の用途で主役となる材料である。実際、SiCはシリコン半導体と比較して、絶縁破壊強度が10倍、エネルギーバンドギャップが3倍、熱伝導率が3倍と高い。
これらの性能は、電力密度の向上やシステム損失の低減など、システム全体の高い効率性を実現する。
SiCの半導体材料としての優秀さは以前から知られていたが、前述のように製造上の問題から採用が遅れていた。しかし現在では、WolfspeedやInfineon、onsemiなどのメーカーが製造プロセスを改善し、SiCの品質に対する懸念はほぼ過去のものとなっている。その結果、SiCの採用が急増している。
SiC採用の追い風：
今、炭化ケイ素を得意とする半導体メーカーには、願ってもない好機が訪れている。製造プロセスが大幅に改善され、合成SiCの歩留まりと信頼性が向上しているのだ。同時に、SiCのような性能を要求される用途も急増しており、その結果、SiCを使用したデバイスが驚異的なスピードで市場に浸透している。
SiCが注目されている業界をいくつか紹介しよう。
EV用：
SiC半導体の最も大きな成長市場のひとつは、電気自動車（EV）とEV充電システムである。電気自動車だけでなく、電車などのモーター駆動にもSiCは最適である。
SiCの性能と信頼性は、モータードライブパワーシステムに最適であり、その高い対サイズ性能比と、SiCベースのシステムは多くの場合、全体のコンポーネントが少ないため、SiCを使用すると、システムのサイズと重量を減らすことができ、電気自動車の効率にとって重要な考慮事項である。
また、電気自動車の充電システムにもSiCの利用が広がっている。EVの普及に伴い、電池の補充にかかる時間が大きな課題となっており、充電時間を短縮する方法が求められているが、その答えがSiCなのである。EV充電ステーションメーカーは、オフボード充電ソリューションにSiCパワーコンポーネントを使用することで、SiCの高速スイッチング速度と高電力供給能力を活用し、より優れた充電性能を実現することができ、その結果、充電時間を2倍も短縮することができる。
データセンターと無停電電源装置：
デジタル変革を進める企業が増える中、あらゆる規模や業種の企業において、データセンターの役割は高まる一方である。データセンターは、あらゆる種類のミッションクリティカルなデータの中枢神経系として機能し、事業の継続と成功に欠かせない存在だが、そのためにはコストがかかる。
国際エネルギー機関（IEA）によると、全世界の電力の1％がデータセンターで消費されており、暗号通貨のマイニングに使用されるエネルギーは含まれていないと推定されている。このエネルギー消費の最大の要因は、データセンターを冷やすために使われる電力で、空調やファンシステムは1年365日、1日24時間稼働する必要がある。熱効率を向上させ、性能を犠牲にすることなく冷却できる素材がSiCである。
Wolfspeedによると、同社のSiC製品を使用した電源は、熱性能が向上し、冷却エネルギーコストを40%も削減できたという。さらに、電力密度の向上により、SiCコンポーネントを使用するデータセンターでは、より少ないスペースでより多くの機器を設置することができる。
複雑な材料サプライチェーンをナビゲートするにはデータが鍵になる
チップ不足は、業界にとって引き続き課題となっている。多くの問題がまだ残っているが、世界的な中心課題となっているのが原材料の不足で、アルミニウム、コバルト、銅、シリコン、タングステンなどの原材料は、製品の革新と半導体製造に不可欠なものである。
このため、製品開発プロセスの迅速化、原材料の品質向上、生産の効率化、特にデジタル化が加速する中で、より多くのデータを必要とするようになっている。データマネジメントと適切な材料の組み合わせが、半導体製品の進化を可能にする。
サプライチェーンと半導体製造工程は非常に複雑で、一企業では十分な管理ができない。この複雑さをデータで解決することが、半導体産業の持続的成長には不可欠である。
大手半導体メーカーが生産能力を拡大するために新たな投資を行ったことは、チップ不足とサプライチェーンの問題に対処する業界の姿勢が示されている。これらの新しい工場は、将来の指数関数的な成長を満たすために、装置や材料に対する需要を増大させている。
スマート工場の稼動に伴い、デジタル接続された機械やロボットが継続的にデータを収集するようになる。これらの先進的な工場では、拡張／バーチャルリアリティや予知保全などの追加技術により、大量のデータが処理され、この貴重なデータは、生産プロセスの監視、制御、および最適化に利用することができる。
増え続けるデータを使いこなすための重要な前提条件は、バリューチェーンにまたがる幅広いデータベースを収集することである。例えば、原材料の製造工程や供給元が、地域や国によって極端に集中している場合がある。新しい原料供給元が最終製品に与える影響を予測する高度なアナリティクスを使用すれば、代替供給元のスカウトを加速することができる。
将来的に成功するためには、企業は必要な材料の入手方法や作業方法を見直し、業界全体で協力する必要がある。
スマート工場からの新たなデータの流入に加え、半導体チップのアーキテクチャとプロセスはより複雑になり、周期表でより多くの元素を必要とするようになった。数十年前、チップのプロセスで使用されていた元素は10種類以下だったが、現在では、データの爆発的な増加とデジタル化により、50～70の元素が使用されており、さらに多くの元素が精査されている。
また、材料はイノベーションに不可欠な要素であり、新製品開発における重要な課題の解決に適切な材料を使用することで、新たなブレークスルーにつながる可能性がある。例えば、パターン転写、3Dスケーリング、原子スケールの加工と統合などの重要な課題を解決するために、材料ソリューションを統合することができる。
半導体製品の製造に使用される材料の種類が増えるにつれ、これらの材料を統合してパッケージ化し、製造プロセスを合理化する能力がますます重要になる。
この分野には、Merck KGaA（ドイツ、ダルムシュタット）の一事業部門であるEMD Electronicsが関わっている。データ解析と管理に力を入れ、製造プロセスの全工程にわたって材料ソリューションを提供し、これらの課題の解決に貢献することに焦点を当てている。その結果、企業がイノベーションを促進し、製品品質を向上させ、サプライチェーンを管理し、最終的に顧客のペインポイントを解決するのに役立つベストプラクティスを特定することができるのである。
SkyWaterがインディアナ州に18億ドルの工場建設へ
米国防総省（DOD）のチップサプライヤーとして信頼を得ている米国のファウンドリ、SkyWater Technologyは、インディアナ州に18億ドルのチップ研究開発・生産施設を建設する計画である。
この工場は、ウェストラファイエットの町にあるパデュー大学のキャンパス内に設置される予定で、提案されているCHIPS法による520億ドルの資金の一部を見込んで官民パートナーシップで計画されている。この投資は、SkyWater、パデュー大学、インディアナ州政府が、現在議会を通過中のCHIPS法に規定されている連邦政府の優遇措置を得るために行うものである。
このプロジェクトは、CHIPS法が、米国の半導体産業を再建し、輸入チップへの依存を減らすことを約束する新しい投資を呼び込むのに役立っている兆候である。世界トップ3のシリコンウェーハメーカーであるGlobalWafersは先月、テキサス州シャーマンに300mm工場を新設する計画を発表したが、これは米国では20年以上ぶりの投資となる。
SkyWaterの新施設は、知的財産のセキュリティを確保し、より弾力的で包括的なサプライチェーンをサポートし、米国の政府および民間顧客にメリットをもたらすと同社は述べており、国防総省もこの計画を支持した。
SkyWaterは、パデュー大学との緊密な協力関係や、パデュー大学の人材パイプラインから利益を得ることができると述べている。
パデュー大学は、米国初の半導体工学の「包括的」学位プログラムを立ち上げており、米国では今後5年間に13の半導体工場が新設され、米国では新たに5万人の半導体エンジニアが必要になると予想されている。これは、米国の大学が現在生み出している数の2倍以上である。
またパデュー大学は、放射線硬化チップや高度なパッケージングの開発などのプロジェクトで国防総省と協力している。
SkyWaterは、米国内の2つのファブで90nmプロセス技術を使ったチップを製造しており、2017年にプライベートエクイティ企業のOxbow Industriesが、カリフォルニア州のCypress Semiconductorの子会社であるCypress Foundry Solutionsを買収して設立された会社である。昨年初め、SkyWaterはセントラルフロリダ大学の研究施設を再利用して、フロリダ州オセオラにある2つ目のチップファブを取得した。
CHIPS法は、米国の半導体産業の再建に重点を置いた補助金対策の縮小パッケージが上院で賛成票を得たため、承認に近づいている。上院は7月19日に64-34の票決を行い、中国との米国半導体競争を強化することを目的とした法案を超党派で支持することを示した。
