「CHIP WAR 」4：史上最も複雑なマシン
続き、7nm以下のチップを製造できるリソグラフィーマシンがどのように作られるかについて話そう。これは、テクノロジーと経営、戦略ビジョンと勇気、地政学とグローバリゼーション、当面の課題対応と未来への選択についての物語です。これまで「企業R&D」をどのように理解していたとしても、この物語は必ずそれを覆し、あなたの既存概念に根本的な飛躍をもたらす。
チップは我々の時代で最も素晴らしい製品ですし、非常に信頼できる製品でもある。携帯電話には多くのチップが入っているが、よく壊れるのは大体、画面どか、内部の小さなコンポーネントどか、チップが壊れたとほとんど聞いたことがない。チップは基本的に壊れないものです。チップはただのシリコンブロックであり、可動部分がなく、金属も含まれていないものなので、基本的に壊れることがない。無数のトランジスタはチップに「搭載」されているのではなく、本を印刷するようにチップに「刻印」されている。
問題は、どうやって刻むのか？
リソグラフィー マシンは、人類史上で最も複雑なマシンです。大型飛行機やロケット、宇宙船、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような超難しいものよりも複雑です。なぜかというと、それらの製造技術は原則的に一つの国がマスターできるが、最先端のリソグラフィーマシンの製造技術を完全にマスターできる国はどこにもないからです。
リソグラフィーマシンの研究開発は、まさに国境を越えたプロジェクトです。 最初から話しましょう。
光でチップの設計図を縮小し、シリコンウエハーに投影し、表面の化学物質と反応させてエッチングするというリソグラフィーの基本原理はずっと変わっていない。 初期のリソグラフィーは通常の光源を使用していた。通常の光源の精度は数百Nm (1Nm = 10^-9 m) が限界だった。単位面積あたりのトランジスタ数を増やし続けるためには、リソグラフィーの精度を上げ、より短い波長の光を使わなければならない。最初は紫外線、次に深紫外線、そしてすぐに深紫外線もボトルネックになった。トランジスタ密度を2年ごとに倍増するという「ムーアの法則」は終わりに近づいているようです。
「ムーアの法則」に最も拘るのはIntelです。IntelのCPUのパフォーマンスは「ムーアの法則」に従っているためです。だから、IntelのCEO Andy Groveは、新しいリソグラフィ技術の開発を積極的に推し進めた。
次は、3つのステップに分ける。
ステップ１は「科学的な可能性」。この段階はただの理論検証です。Intelは多額の投資を行い、主な研究がアメリカのいくつかの国立研究所、特にローレンス・リバモア国立研究所とサンディア国立研究所で行われた。
科学者たちはさまざまなアプローチを思いついたが、1992年当時のコンセンサスは、波長13.5Nmの「極紫外線 (EUV)」を使用する必要があるということだった。
これは単なる仮想に過ぎなかった。科学者が実験室でEUVを使ってシリコンウエハーに何かをしたのかもしれないが、まだリソグラフィーマシンを作るには程遠かった。科学段階の研究はすべて公開です。誰でも学べるし、誰でも実践できる。
ステップ２は「技術的な実現可能性」。このステップは、科学者の実験室レベルじゃ足りなく、大きなお金を投資してエンジニアを巻き込まなければならない。1996年、Intelは、全力にリソグラフィ技術を開発するため、いくつかのチップ工場と国立研究所と提携し、連盟を作った。Intelはほとんどの費用を負担した。数年をかけて、やっと極端紫外線リソグラフィーマシンの大まかな実現方法を分かった。
ステップ３は「具体的な実装」。Intelは初期の研究開発を主導したが、リソグラフィー マシンを作るのはチップを製造するほど収益性が高くないと感じたため、リソグラフィーマシンを製造するつもりがなかった。Intelは、リソグラフィー マシンを製造できること会社が存在することを確保すればいいです。
当時、アメリカのメーカーGCAは倒産しており、EUVリソグラフィー マシンを製造できる企業は、日本のキヤノンとニコン、そしてオランダのASML、世界で3社しかなかった。アメリカは日本にそのような重要な技術を与えたくないので、最終的にASMLはEUVリソグラフィーマシンの製造技術認可を取得した。当時のアメリカは、単極の世界を楽しんでいて、グローバル化を支持し、オランダに全く心配なかった。アメリカの唯一の要求は、ASMLがいくつかの主要コンポーネントをアメリカで生産することを確保しなければならないのです。
しかし、ASMLは単に引き継いでできるものではなく、技術的な実現可能から製品化まで、まだ長い道のりがある。
それは不思議な技術ソリューションといっても過言ではない。
まず、EUVを獲得しなければならない。世の中、EUVが光る電球は存在しない。EUVを獲得するには、まず、直径三千万分１メートルの小さな錫ボールを作り、そのボールを真空中で時速200マイルで動かし、次にそのボールにレーザーを2回当てる必要がある。1回目は錫ボールの温度を上げ、2回目はボールを爆発させて50万度のプラズマに変えることです。因みに、50万度は太陽の表面の温度より高いです。リソグラフィーに使用できるEUVを得るためには、この錫をスプレーするプロセスを1秒間に5万回繰り返さなければならない。
このプロセスを言葉で表現するのは「シンプル」ですが、あらゆるステップにはイノベーションが必要です。あのレーザーを開発するには、「Trumpf」というドイツの会社を見つけなければならない。この会社は二酸化炭素レーザー器の専門家です。但し、毎回生成されるエネルギーの80%は熱であり、レーザーはわずか 20%で、冷却が課題です。以前、ファンが使用されていたが、リソグラフィーマシンのファンが1 秒間に1,000 回回転する必要があり、そのようなファンに耐えられるベアリングはなかった。それで、Trumpfはマグレブファンを特別に開発した。
レーザーがあったが、錫のボールにレーザーを照射したとき、ボールが光を反射したらどうする？どうやって一定の錫ガスの密度を保つか？課題は山積みです。特にレーザーをボールにリードするには、工業用ダイヤモンドが必要です。しかし、既存の工業用ダイヤモンドの純度は十分ではなく、新しい超高純度ダイヤモンドを開発する必要がある。
結局、Trumpfがこのレーザー器を製造するだけで10年間かかった。このレーザー器自体には457,329個の部品がある。
レーザーで錫ボールをうまく打つことができたとしても、生成されたEUVを収集しなければならない。そのためにはミラーが必要です。でもEUVは波長が短すぎて、普通のもの当たっても吸収されて、反射しない。
1998年のある論文では、金属モリブデンとシリコンを交互に配置することで、EUVを反射できるミラーを作成できることが示された。研究者は計算してみたら分かったのが、このミラーが層状でなければならなく、金属モリブデンの層とシリコンの層が交互に配置され、各層の厚さがわずか数nmで、しかも100層を作らなければならないのです。結局、ドイツのZeiss社はこのミラーを作った。このミラーは恐らく史上最も滑らかな物体であるです。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のレンズよりもさらに滑らかです。このミラーをドイツ全体と同じ大きさに拡大しても、凹凸部分がわずか1/10mmと言われている。因みに、調べてみたら、Zeissはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の光学システムの製造にも関与していたことが分かった。
フォトリソグラフィーのイメージは、下の図のように示す。レーザーが錫のボールにぶつけてEUVを取得し、ミラーを使用してEUVを集めてシリコンウエハーにトランスミッションする。
最終に完成したリソグラフィーマシンはコンテナほどの大きさで、数十万個の部品がある。
ASMLの最もすごいところは、こういう研究開発ではなく、サプライヤーの調整と管理です。
ASML自体は、部品の15%しか作れない。他の部品は、多の場合、他社が既製品を持っておらず、新たな研究開発が必要です。前述のレーザーとミラーを製造する2 つのドイツ企業は、長期的な研究開発に多額の投資を行う必要がある。リソグラフィーマシンのサプライヤーは数千社ある。
では、これらのサプライヤーをどのように管理し、どのように開発を説得し、開発を成功させるにはどうすればよいのでしょうか？ここに凄い腕技がある。一方では ASMLはR&Dを直接後援する。たとえば、ASMLはドイツのZeiss社にミラーを構築するために10億米ドルを提供した。他方では、基準と規律を強調している。従わないサプライヤーに対して、ASMLは直接それを買収するかもしれない。
2010年代末まで、二、三十年間の努力で、ASMLはついにEUVリソグラフィー技術を使用したマシンを作成できた。
もちろん、1社だけの資金ではそのような大規模なプロジェクトを支えることはできない。研究開発には、Intel、Samsung、TSMCすべてASMLに資金を提供した。その中でIntelが最も多く投資し、総投資額は数十億ドルに達した。
普通に考えれば、Intelがこんなにたくさんお金を投じてやっと成功したら、早速数台を購入して、チップ生産を始めるのでしょう。
実際はそうではない！ Intel は突然、EUVリソグラフィーマシンに興味無くなった。
これは間違いなくビジネススクールの授業に使われるケースです、反面的なケースだけど。
Intelのヒーロー二人ですが、Andy Groveは2016年に他界し、その前もすでに引退していた、Gordon Mooreは現在90代で、活動を止めて久しいです。インテルの新世代の経営陣は、半導体技術の未来を握ることにあまり興味ない。
その理由はIntelが現在を支配しているからです。Andy Groveは、1990年代にIntelの事業をうまく調整できた。主流のPCとサーバーのCPUはすべてIntelです。さらに、Intel は、X86アーキテクチャという「堀」も作った。
つまり、Intelのチップ事業は紙幣を印刷するように、非常に儲かるビジネスです。1980年代後半から現在まで、Intelの総利益は25 兆ドルに上ってきた。
お金がたくさんあるのに、なぜ新しい技術に取り組まないのか？これは、ウォール街の上場企業に固有の欠陥かもしれない。財務諸表の見栄えを良くするには、利益率が高くなければならない。新世代のリソグラフィーマシンは非常に高価で、購入後の収益性は分からないし、財務諸表に反映されると、会社の利益率が低下する。それはウォール街が好まないことです。
利益率を追求するのも理解できなくはない。IBM がノートPC事業をレノボに売却したのも、ノートPCが儲からないということではなく、エンタープライズサービスほどの高利益率を維持できないからです。IBMは身軽く、利益率の高い事業しかをやりたくない。Intelも同じ考えでしょう。
しかし、長い目で見れば、これは現在のために未来をあきらめることに等しい。これは実際、ハーバード大学のClayton M. Christensen教授が「イノベーターのジレンマ」と呼んだものです。先頭企業は、必要がないため、破壊的なイノベーションに本気に取り組まない。
Millerの調査によると、インテルの経営陣は全員「イノベーターのジレンマ」という本を読んだことがある。しかし、彼らは依然としてイノベーターのジレンマに陥った。流石に、理が分かっても陥ってしまうのはジレンマというものです。
とにかく、IntelはEUVリソグラフィーマシンの先手を他社に譲った。
実は、EUVリソグラフィーマシン本当の用途はスマートフォンのチップです。非常に小型で電力効率の高いチップを必要とするスマートフォンだけが、このような高度なモノづくりが必要です。Intel自社のPCやサーバーマーケットについては、当面ムーアの法則に対する心配もない。IntelのCPUは数年前からもう周波数を強調することをやめている。
Intelは、スマホに将来性を感じていなかった。もともと、AppleのPCはすでにIntelのCPUを使用していた。JobsもIntelのCEOに直接、iPhone用のチップの生産を手伝ってくれないか尋ねたが、Intelは興味がなかった。Intelは、iPhoneの将来性を信じなく、スマホ専用チップを開発する価値があるとは考えてなかった。
ついに、Appleは自らスマホのチップを設計する道を選び、しかもARMアーキテクチャに舵を切った。実際、ARMアーキテクチャはX86アーキテクチャよりも優れて、省電力が特徴で、スマホにより向いている。AppleはもともとARMの株式を保有していたし、後に買収を通じて独自のチップ設計チームを獲得した。結局、AppleはiPhone 4以降、自社設計のチップを使っている。生産は最初にSamsung 、後にTSMCです。
IntelはEUVリソグラフィ事業の先手を逃し、スマホのマーケットも逃し、さらに人工知能チップも逃した。結局、現在Intelの株価は人気失った。
しかし、歴史の現場に戻ると、あなたもEUVリソグラフィーマシンにあえて賭けることはできないかもしれない。
あれは非常に高価なマシンであることを認識する必要がある。1台あたりの価格が1億ドルを超えることは言うまでもないし、買ったら維持費も非常に高額です。 ASMLは、リソグラフィーマシンの各部品が平均で少なくとも3万時間持つように最善を尽くしてきた。しかし、そのマシンには非常に多くの部品があるため、それらが同時に壊れることはありえない。ASMLはさらに、各部品の交換時期を大まかに予測できるアルゴリズムを開発した。それでも、現場に張り付き、随時メンテナンスを行う派遣員が不可欠です。
ハイエンドチップの製造は、驚くほど高価で、リスクが高く、扱いにくいビジネスです。 Intelがやりたくないのも理解できる。
しかし、それに拘る人物がいた。彼は、世界の半導体製造の権力構造をほぼ独力で書き直した。
この人は、優れたビジョン、高い能力、および大きな情熱を持っていた。次回は彼について話します。
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