ムーアの法則を生き続ける1億5000万ドルの機械

コネチカット州の田舎にある広大なクリーンルームの中で、エンジニアたちは、私たちが知っているテクノロジー産業を少なくとも今後10年間は​​軌道に乗せ続けることを約束する機械の重要な部品の製造を開始した。

この機械は、光を使ってマイクロチップに極小のナノスケールの特徴をエッチングする市場を独占しているオランダの企業、ASMLによって製造されている。

ASMLは、数十年にわたる技術の習得を経て、2017年に量産向け初の極端紫外線（EUV）リソグラフィー装置を導入しました。この装置は半導体製造エコシステムにおいて重要な役割を果たしており、新型iPhoneや人工知能（AI）用コンピューターなど、最新かつ最先端の半導体の製造に使用されています。同社の次期EUVシステムは、その一部がコネチカット州ウィルトンで建設中ですが、使用する光の波長を最小限に抑える新たな技術を採用することで、製造される半導体チップの微細化と性能向上をこれまで以上に実現します。

現世代のEUV装置は、はっきり言って、すでにかなりクレイジーです。1台あたりバスほどの大きさで、1億5000万ドルもかかります。10万個の部品と2キロメートルのケーブルで構成されており、部品の輸送には貨物コンテナ40個、貨物機3機、トラック20台が必要です。この装置を購入できる企業はごくわずかで、そのほとんどは世界有数の先端半導体メーカーである台湾のTSMC、韓国のサムスン、そしてインテルの3社に出荷されています。

「これは本当に素晴らしい機械です」と、MITで革新的なトランジスタアーキテクチャを研究するヘスス・デル・アラモ教授は語る。「これはまさに革命的な製品であり、今後何年にもわたって業界に新たな息吹を与える画期的な発明です。」

コネチカット州では、巨大なアルミニウムの塊からフレームが削り出され、最終的にはマスク、いわゆる「レチクル」を収めることになる。レチクルはナノメートル単位の精度で動きながら、極端紫外線（EUV）のビームを反射する。光は、驚異的な精度で成形・研磨された複数の鏡に反射し、数十原子サイズの特徴を将来のコンピューターチップに刻み込む。

完成した部品は2021年末までにオランダのフェルトホーフェンに出荷され、2022年初頭までに次世代EUV装置の最初のプロトタイプに追加される予定だ。新システムを使用して製造される最初のチップは、インテルが製造する可能性があり、同社は2023年までに最初のチップを入手すると述べている。これまで以上に微細な機能と、各チップに数百億個の部品が搭載されているため、今後数年間にこの装置が製造するチップは、史上最速かつ最も効率的なものになるはずだ。

ASML の最新 EUV マシンは、半導体製造だけでなく、テクノロジー業界や経済全体における進歩の象徴となったアイデアを存続させることを約束します。

1965年、電子工学の技術者でありインテルの創業者の一人であるゴードン・ムーアは、業界誌『エレクトロニクス』の創刊35周年記念号に寄稿した記事の中で、後に独自の解釈を持つことになる考察を述べました。記事の中でムーアは、シリコンチップ上の部品数がそれまで毎年ほぼ倍増していたことを指摘し、この傾向は今後も続くと予測しました。

10年後、ムーアは予測を1年から2年に修正しました。近年、ムーアの法則の進展は疑問視されていますが、製造における新たなブレークスルーとチップ設計の革新により、概ね軌道を維持しています。

EUVは、チップ製造に使用される光の波長を短縮する特別な技術を用いており、この勢いを維持するのに役立つはずです。この技術は、より高度なスマートフォンやクラウドコンピューターの製造に不可欠となるだけでなく、人工知能、バイオテクノロジー、ロボティクスといった新興技術の主要分野にも不可欠です。「ムーアの法則の終焉は、かなり誇張されてきました」とデルアラモス氏は言います。「この状況は、まだしばらく続くと思います。」

パンデミックによる経済的衝撃の波によって引き起こされた最近の半導体不足の中、ASMLの製品は米中間の地政学的対立の中心となっており、米国は中国によるASML製半導体へのアクセスを遮断することを最優先事項としている。米国政府はオランダに対し、これらの半導体を中国に輸出するために必要な輸出許可を発給しないよう圧力をかけることに成功しており、ASMLは中国に半導体を一切出荷していないと述べている。

「ASMLの装置がなければ最先端のチップは作れません」と、ジョージタウン大学でチップ製造の地政学を研究するリサーチアナリスト、ウィル・ハント氏は言う。「多くのことは、何年もかけて試行錯誤を繰り返し、実験を重ねることにかかっていますが、それにアクセスするのは非常に困難です。」

EUVマシンに組み込まれる各コンポーネントは「驚くほど洗練されており、並外れて複雑です」と彼は言います。

マイクロチップの製造には、すでに世界最先端の技術が求められています。チップは、円筒形の結晶シリコンの塊から始まり、薄いウエハーにスライスされます。ウエハーは感光性材料の層でコーティングされ、パターン化された光に繰り返しさらされます。光が当たらないシリコン部分は化学的にエッチングされ、チップの精巧なディテールが明らかになります。そして、各ウエハーは細かく切り刻まれ、多数のチップが作られます。

チップ上のコンポーネントを縮小することは、シリコン片からより多くの計算能力を引き出す最も確実な方法です。電子コンポーネントが小さくなると電子の流れが効率化されるためです。また、チップにコンポーネントを多く詰め込むと計算能力が高まります。

ムーアの法則は、革新的なチップや部品の設計など、多くのイノベーションによって支えられてきました。例えば今年5月、IBMはシリコンの中にリボンのように挟まれた新しいタイプのトランジスタを発表しました。このトランジスタにより、リソグラフィーの解像度を低下させることなく、より多くの部品をチップに詰め込むことができるようになります。

しかし、1960年代以降、チップ製造に使用される光の波長を短くすることで、小型化と進歩が促進され、次の進歩にも不可欠なものとなっています。可視光を使用する装置は近紫外線を使用する装置に置き換えられ、さらに深紫外線を使用するシステムへと移行し、チップにさらに微細な形状を刻み込むことが可能になりました。

1990年代、Intel、Motorola、AMDを含む企業連合が、リソグラフィーの次世代技術としてEUVの研究を開始しました。ASMLは1999年にこの研究に加わり、リソグラフィー技術のリーディングカンパニーとして、最初のEUV装置の開発を目指しました。極端紫外線リソグラフィー（EUV）は、従来のリソグラフィー技術である深紫外線（193ナノメートル）と比較して、はるかに短い波長の光（13.5ナノメートル）を使用することを可能にします。

しかし、技術的課題の解決には数十年を要しました。EUV光の生成自体が大きな課題です。ASMLの手法では、高出力レーザーを錫の液滴に毎秒5万回照射し、高強度の光を生成します。レンズはEUV周波数を吸収するため、代わりに特殊材料でコーティングされた非常に高精度のミラーが使用されています。ASMLの装置内部では、EUV光は複数のミラーで反射され、レチクルを通過します。レチクルはナノスケールの精度で移動し、シリコン上の層を整列させます。

「正直に言うと、EUVを使いたい人なんて誰もいません」と、リアルワールド・テクノロジーズのチップアナリスト、デビッド・カンター氏は言う。「わずか20年遅れているだけで、予算は10倍もオーバーしています。しかし、非常に高密度な構造物を構築したいのであれば、EU​​V以外に選択肢はありません。」

ASMLの新型装置は、チップ上に微細な形状を形成するための新たな技術を導入しています。それは、より大きな開口数です。これにより、光が光学系を異なる角度で通過することで、結像解像度が向上します。これには、大幅に大型化されたミラーと、コンポーネントを正確に制御するための新しいソフトウェアとハ​​ードウェアが必要です。ASMLの現世代のEUV装置は、13ナノメートルの解像度のチップを製造できます。次世代装置は、高開口数（High-NA）を用いて8ナノメートルのサイズの形状を製造します。

現在、EUVを採用している最も著名な企業はTSMCで、その顧客にはApple、Nvidia、Intelなどが名を連ねています。IntelはEUVの導入が遅れ、結果として競合他社に遅れをとっていました。そのため、最近、生産の一部をTSMCに委託することを決定しました。

ASML 社は、自社の機械をベースにした進歩が鈍化するとは考えていないようだ。

「私はムーアの法則の終焉について語るのではなく、ムーアの法則の幻想について語りたい」と、ASMLの最高技術責任者、マーティン・ファン・デン・ブリンク氏はオランダからのビデオリンクを通じて語った。

ファン・デン・ブリンク氏によると、ムーア氏の1965年の論文は、実際には微細化というよりもイノベーションの進展に焦点を当てていたという。彼は、高開口数EUVが少なくとも今後10年間は​​チップ業界の進歩を加速し続けると予想しているものの、リソグラフィーを用いたチップの微細化の重要性は低下すると考えている。

ファン・デン・ブリンク氏によると、ASMLは電子ビームやナノインプリント・リソグラフィーなど、EUVの後継技術を研究してきたが、いずれも多額の投資を正当化するほどの信頼性は得られていないという。彼は、熱安定性と物理的擾乱を考慮しながらリソグラフィー装置のスループットを向上させる新たな手法が、歩留まり向上に役立つと予測している。たとえチップの速度が向上しなくても、最先端のチップはより安価になり、より広く利用されるようになるだろう。

ファン・デン・ブリンク氏は、チップ上にコンポーネントを垂直に構築する取り組み（インテルなどが既に着手している）など、他の製造技術によっても性能は向上し続けるはずだと付け加えた。TSMCのマーク・リュー会長は、今後20年間で総合的な性能と効率が毎年3倍に向上すると予想していると述べた。

より高速なチップへの需要が減る見込みはまずない。1970年代にチップ業界で働き始めたパデュー大学教授のマーク・ランドストロム氏は、 2003年にサイエンス誌に寄稿した記事で、ムーアの法則は10年以内に物理的な限界に達すると予測した。「私のキャリアの中で、『よし、これで終わりだ』と何度も思った」とランドストロム氏は言う。「しかし、10年後に物事が減速する恐れは全くない。ただ、やり方を変える必要があるだけだ」

ランドストロムは1975年に初めてマイクロチップに関するカンファレンスに参加した時のことを覚えている。「ゴードン・ムーアという人が講演をしていたんです」と彼は回想する。「彼は技術コミュニティではよく知られていましたが、それ以外は誰も知りませんでした。」

「彼の講演を覚えています」とランドストロム氏は付け加える。「彼はこう言いました。『もうすぐ1万個のトランジスタを1つのチップに載せることができるようになる』。そしてこう付け加えました。『1万個のトランジスタを1つのチップに載せたら、いったい何ができるというんだ？』」

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