日本の研究者が高価なEUV露光装置を使わずに1.4nmチップの製造に成功し、従来手法と比較して最大60分の1のコストで半導体を製造できる可能性を示した。現在の半導体製造はオランダのASML社が独占するEUV装置に依存しており、1台あたり3億8000万~4億ドルという莫大なコストがかかる。これに対し日本が開発したナノインプリント技術は、光学系ではなく物理的なモールドを使用する全く異なるアプローチで、装置コストは約650万ドルと大幅に安価である。一方、日本はRapidusコンソーシアムを通じて2027年までに2nmチップの製造を目指す正攻法の戦略も並行して進めており、半導体産業の技術的独占体制に挑戦している。この二つのアプローチは、半導体製造の地政学的構造を根本から変える可能性を秘めている。
日本の革新的な半導体製造技術
最近、日本の研究者たちが非常に高価なEUV露光装置を使用せずに1.4ナノメートルのチップを製造することに成功しました。理論上、これによってTSMCやSamsungなどの企業が使用している現在の手法と比較して、最大60倍も安価に半導体を製造できる可能性があります。これは明日すぐに超安価なチップで動作するiPhoneが登場するという意味ではありませんが、今後数年間でこの業界全体がどこに向かう可能性があるかを示す非常に強力なシグナルです。
半導体産業の真のボトルネック
このニュースがなぜこれほど重要なのかを理解するには、まず現代のチップ製造産業における真のボトルネックについて話す必要があります。それはASMLと呼ばれる企業です。このオランダ企業は、事実上世界で唯一、5ナノメートル、3ナノメートル、2ナノメートルのチップを製造するために不可欠なEUV(極端紫外線)露光装置を製造できる企業です。
これらの装置がなければ、私たちが今日知っているような最新のプロセッサは単純に存在しません。では、これらの装置の1台あたりのコストはどれくらいでしょうか。ここからが驚きです。ASMLの最も先進的なHigh-NA EUV装置の各ユニットは、3億8000万ドルから4億ドルの間で販売されています。つまり、文字通り多くの航空機よりも高価なのです。
さらに、重量は数十トン、部屋全体を占有し、極めて高精度な光学システム、極度の真空、膨大な電力消費、そして数十人の専門エンジニアによる数か月にわたる設置作業が必要です。そのため、世界でもわずかな企業、基本的にはTSMC、Intel、Samsungだけがこの種のインフラを持つ余裕があります。言い換えれば、先進的なチップの製造は極めて厳しい技術的寡占状態に陥っているのです。
ナノインプリント技術の革新性
しかし、高価なEUV露光装置を使用せずに1.4ナノメートルのチップを製造する日本の新技術は、ASMLが支配する今日の半導体産業とは全く異なる原理に基づいています。ほぼ原子レベルで完璧な光学システムによって反射される極端紫外線を使用してシリコン上にトランジスタを描画する代わりに、日本のエンジニアたちははるかに直接的で機械的、そして革新的な方法を提案しています。
それはナノインプリントリソグラフィーと呼ばれています。従来のEUV露光装置では、機械がレーザーによって生成されたプラズマから極端紫外線を発生させます。その光は完全な真空チャンバー内のいくつかの超高精度ミラーで反射され、最終的にウェハー上にチップのパターンを投影します。このプロセス全体は非常に複雑で、1台の装置あたり1メガワット以上のエネルギーを消費し、各システムのコストは従来のEUV装置で1億5000万ドルから3億5000万ドル、そして既に述べたように、現在存在する最も先進的なHigh-NA EUVでは3億5000万ドルから4億ドルかかります。
そのため、巨大企業だけがこれを購入できるのです。一方、日本の装置はわずか約650万ドルで、ASMLの装置と比較してはるかに経済的です。光を使用する代わりに、チップのパターンが既に原子スケールでレリーフ状に刻まれた物理的なナノメートルサイズのモールド、つまりスタンプを使用します。
まず、シリコンウェハーを感光性ポリマーの層でコーティングします。次に、そのモールドを表面に直接押し付けます。まるで回路をスタンプで押すかのようにです。その後、ポリマーを従来のUV光または熱で硬化させ、モールドを取り外すと、パターンが極めて高精度で刻印されます。そのパターンはプラズマエッチングなどの通常の化学プロセスを使用してシリコンに転写されます。
ここで革新的なのは、もはや巨大なレンズ、原子レベルのミラー、極度の真空、EUVプラズマ源が必要ないということです。システムの物理学が劇的に単純化され、そのためコストも急激に低下します。Canonが開発した日本の技術を使用したナノインプリント装置は、ちなみにカメラを作っているのと同じCanonで、大日本印刷の特殊材料と組み合わせることで、ASMLのHigh-NA EUV装置のほぼ60分の1のコストで済みます。
つまり、20%程度安くするという話ではなく、数十倍も安くなるという話なのです。さらに、エネルギー消費も80%から90%削減されます。もはやプラズマを生成したり、巨大な光学システムを動かしたりする必要がないからです。
1.4ナノメートルを機械的手法で実現する物理学
では、機械的システムで1.4ナノメートルについて語ることがどうして可能なのでしょうか。ここに現代物理学の最も繊細な部分が関わってきます。ナノインプリントは光学リソグラフィーとは異なり、光の波長に依存せず、モールドの幾何学的精度に依存します。つまり、限界を決めるのはもはや光学ではなく、イオンエッチングや分子自己組織化などの先進的な材料物理学技術を使用して、サブナノメートルスケールのレリーフを持つモールドを製造する能力なのです。
研究室では既に2ナノメートル以下のサイズの構造を作成できることが実証されています。真の問題は1.4ナノメートルのトランジスタを描画することではなく、このプロセスを300mmのウェハー上で何十億回もエラーなく繰り返すことです。層を重ねながらです。最新のチップには数十層のトランジスタ、コンタクト、金属配線、絶縁体があり、それらすべてが極めて高い精度で整列しなければなりません。
これらすべてはまだ改良段階にあります。そのため、EUVなしで1.4ナノメートルという話をする時、それはまだiPhoneやサーバーなどのための大量生産の話ではなく、研究室と産業プロトタイプの間の移行期にある技術について語っているのです。
Rapidus:日本の正攻法戦略
しかし、日本はこの安価な道だけに賭けているわけではありません。半導体の世界における自国の役割を完全に再定義できるプロジェクトで、技術の頂点を直接攻撃しています。それはRapidusと呼ばれています。
Rapidusは、トヨタ、ソニー、ソフトバンク、NEC、デンソーなどの日本の産業大手によって設立されたコンソーシアムで、極めて明確で決して控えめではない目標を持っています。2027年までに日本で2ナノメートルのチップを製造し、半導体技術における地球上で最も排他的なクラブに国を復帰させることです。
興味深いのは、Rapidusが闇雲に進んでいるわけではないということです。日本はこのプロジェクトに数十億ドルを直接補助金の形で注入しています。なぜなら、このプロジェクトは国家レベルで戦略的と見なされているからです。経済のためだけでなく、国の技術安全保障のためでもあります。
さらに、Rapidusは単独ではありません。IBMと緊密に協力しています。IBMは3ナノメートル以下のノードのための先進的なアーキテクチャ、シリコンが既に物理的限界に達しつつある時のトランジスタの未来であるGAA(Gate-All-Around)構造などを長年研究してきました。
そして、これはもはや紙の上の計画ではなくなりました。2024年末、昨年、Rapidusは北海道の工場に正式にASMLの最初のEUV露光装置を設置し、この最先端技術を扱う日本初の製造施設となりました。
これは歴史的な転換点です。なぜなら、これまで日本は材料、化学、精密機械、コンポーネントにおいては非常に強力でしたが、最新世代のロジックチップの製造においては強くなかったからです。
2026年中に、Rapidusは2ナノメートルプロセスをテストする最初のパイロット生産ラインを立ち上げる予定です。まず小規模な生産で試し、すべてがうまくいけば、その後より本格的な生産に移行します。最初からTSMCと大量生産で直接競争するというアイデアではなく、AI用の特殊プロセッサ、スーパーコンピューティング、先進産業、防衛、次世代自動車向けの高付加価値チップに焦点を当てることです。
したがって、従来型プロセッサの分野においても、日本は提供できるものを持っているのです。
未来への複数のシナリオ
では、これらすべては未来にとって何を意味するのでしょうか。もちろん、いくつかのシナリオがあります。私が見る限り、最初のシナリオは、ASMLが最先端分野で支配を維持する一方で、日本や他の国々もEUV装置に依存せずに、2ナノメートルなどの小さなチップをより安価かつローカルに製造し始めるというものです。
これは業界の真の分散化への扉を開くでしょう。ヨーロッパ、ラテンアメリカ、そしてアフリカでさえも、独自のチップを製造することを目指せるかもしれません。
2番目のシナリオは、Rapidusが2ナノメートルで成功し、日本が正式に世界のトップグループに復帰し、TSMCのほぼ絶対的な支配を打ち破るというものです。
最も劇的なシナリオは、私が言うには、10年後、15年後には、3ナノメートル、2ナノメートル、1.4ナノメートルなどの超微細ノードでさえEUVが必要なくなるというものです。もしそれが起これば、チップ産業全体の経済モデルが崩壊し、まったく新しい時代が生まれます。
日本がASMLやTSMCに勝利したと言うにはまだ早いですが、一つのことは既に明白です。技術的独占は揺らぎ始めています。
では次の動画でお会いしましょう。
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