デジタル時代において最も重要な戦略物資である半導体。前回に引き続き、東京大学の「システムデザイン研究センター(d.lab)」センター長と「先端システム技術研究組合(RaaS)」という産学連携の半導体技術開発拠点理事長を務める東京大学大学院工学系研究科 黒田忠広教授に、今後進めるべき3D積層・3次元実装技術開発の方向性と、新しい半導体設計手法について話を聞いた。日本の半導体復活に必要なのは何も製造技術の進化だけではない。もう一つの柱が「誰でも」「素早く」「安く」半導体チップを開発できる新しい設計基盤だ。これまで一部の専門家しか手が出せなかったチップ設計の門戸がソフトウエア開発者にも大きく開かれる。まさに「半導体の民主化」である。実現のカギは、黒田教授が進めている「高位合成」を核とした「シリコンコンパイラ」という設計の自動化技術になる。(聞き手:高山 和良、山口 健(日経BP総研主席研究員))

RaaSが目指す3D集積戦略とは何か

──エネルギー効率10倍の半導体チップを実現するためには3D集積が重要であり、RaaS(先端システム技術研究組合、前回記事参照)ではそのチョークポイントを押さえる技術開発をされています。この3D集積は具体的にはどういうものですか?

【参考:黒田教授の前回記事はこちら】
「反転攻勢の狼煙は上がった」 東大d.lab黒田教授が描く半導体復活の最新戦略

黒田教授(以下、敬称略):半導体チップを3次元に積層する技術のことです。チップ間の距離が桁違いに短くなるので、データ移動に費やされる電力を大幅に低減できます。具体的には、2つの製造技術が求められます。

一つは「ウエハー・オン・ウエハー」といって、同種のウエハーを積層接続した後に個片に分割するものです。主にメモリーチップを積層して大容量化することに用いられます。まずはDRAMが積層されるでしょうが、私はSRAMを積層することが面白いと思っています※1。SRAMが積層されてDRAM並みに大容量化し、並列・高速にランダムアクセスできると、AI処理の電力を低減できます。

※1 DRAMはDynamic Random Access Memoryの略、SRAMはStatic Random Access Memoryの略で、共に代表的な半導体メモリーの形式。DRAMはコンピューターの主記憶として使われる、メモリーLSIの中でも最も容量が大きく、最も大量に生産されている製品である。一方のSRAMは、DRAMより読み書きが速いので一時的に記憶させるキャッシュメモリーなど、高速動作が求められるところに使われる。DRAMに比べると技術的に大容量化しにくく、容量当たりの価格も高い。しかし、今後3次元の積層化技術が進み大容量化を進められれば、高速かつ膨大な処理が求められるAI時代にはDRAMに代わって半導体メモリーの主役になる可能性がある。

もう一つは、そのように積層されたメモリーモジュールをSoCと重ねるものです※2。これはウエハーにチップを重ねてから個片化したり、チップ同士を重ねたりすることで実現するため、「チップ・オン・ウエハー」や「チップ・オン・チップ」と呼ばれます。

※2 SoCとはSystem on a Chipのことでプロセッサーやメモリーなど機能の異なるブロックを組み合わせたシステムを1チップに集積したもの。

この2種類の3D積層技術のチョークポイント技術をRaaSで開発しています。

メモリー同士を3次元方向に積層したり、その積層したメモリーをSoC上に重ねる技術の開発をRaaSで進めている。(資料提供:黒田教授)
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メモリー同士を3次元方向に積層したり、その積層したメモリーをSoC上に重ねる技術の開発をRaaSで進めている。(資料提供:黒田教授)

つくばの「TSMCジャパン3DIC研究開発センター」とも連携

──茨城県つくば市にTSMCの半導体・後工程の研究施設、TSMCジャパン3DIC研究開発センターの拠点が開設されました。こちらは、いわゆるパッケージを含む3D実装技術の研究をするとされています。経済産業省の資料を見ると、ここで行われる「先端半導体製造(後工程)プロセス技術の開発」にはパートナーとして様々な材料メーカー、装置メーカー、それと先生のRaaSや東京大学も参加されています。このオープンな環境で先端技術が集積され、さらに新技術ができる。そして、その技術がTSMCを通して速やかに市場に出てくるような構造に見えるのですが。

黒田:その通りです。私たちはつくばのTSMCジャパン3DIC研究開発センターとの連携を考えています。それだけではなく、米国のアルバニー・IBMやベルギーのimecとの連携も考えています※3。私たちの技術が世界のスタンダードになるには、TSMC、IBM、imecといった世界的な拠点で評価され、世界に広がることが必要です。

※3 imecは半導体技術の研究開発で世界最先端を独走する国際研究開発機関。世界中の半導体メーカー、製造装置メーカー、材料メーカーなど半導体産業に関係する企業が多数の人をここに送り込み、産・官・学の垣根を越えて様々な協同プロジェクトを進めている。また、ここで言うアルバニー・IBMとは、米国のニューヨーク州アルバニーにあるナノテクコンプレックス(Albany NanoTech Complex)のことを指す。IBMとニューヨーク州立大学を中心に様々な企業・組織が集まる産・官・学複合の一大研究開発拠点であり、imecと並び世界の半導体技術をリードする存在。

それがRaaSの出口戦略です。RaaSとは何ですか?と聞かれると、それはシェルパのようなものだと私は答えています。3D集積という山を目指す人の山登りをお手伝いします。一つ高い所に登れば見える景色も違ってきます。RaaSに参画される方たちが目指す頂上まで行ければ、より高い頂(いただき)であるTSMCやアルバニー・IBM、imecという国際的な拠点に手が届くようになります。

言い替えると、RaaSの仕事は、日本の技術をメジャーリーグに押し上げることです。日本には優れた素材、製造装置、後工程の技術があります。それらをメジャーリーグに押し上げるのが私たちの仕事だと思っています。

つくばのTSMCジャパン3DIC研究開発センターが実施する後工程の3D技術開発プロジェクト。RaaSと東京大学はここにも参画している(資料:経済産業省「『ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業/先端半導体製造技術の開発(助成)』採択テーマ事業概要」から引用)
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つくばのTSMCジャパン3DIC研究開発センターが実施する後工程の3D技術開発プロジェクト。RaaSと東京大学はここにも参画している(資料:経済産業省「『ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業/先端半導体製造技術の開発(助成)』採択テーマ事業概要」から引用)