AIと半導体の関係

ChatGPTを皮切りに昨今話題になっているAIですが、この影響を受けて盛り上がっているのが半導体業界です。
最近ではAI特需とも言われていますが、AIと半導体はどのように関係しているのでしょうか。
半導体に詳しくない方でも分かるように解説していきます。

そもそも半導体って何？

半導体とは、電気の伝導性が導体と絶縁体の中間にある物質のことです。
特定の条件下で電気を通したり遮断したりする性質を持ち、この特性を利用して電子回路を構成する部品として広く使用されています。
半導体の最大の特徴は、電気信号のON/OFFを自由に制御できることです。この性質を利用して、0と1の二進法で情報を表現し、複雑な計算処理を行うことができます。
身近な例では、電卓やスマートフォンに搭載されているCPU（Central Processing Unit：中央演算装置）にも半導体が使われています。

半導体のここがすごい

最先端の半導体加工技術により、極小サイズの電子回路を形成することができます。最新の半導体素子は数十ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）まで小さくなっています。これを分かりやすく例えると、地球の大きさに対する人間の身長ぐらいの比率になります。

このような微細化によって得られる主なメリットは、高集積度と低消費電力です：

1. 高集積度：限られたチップ上により多くの素子を搭載できるため、並列処理能力が向上し、高性能化が実現します。

2. 低消費電力：小さな回路ほど発熱が少なく、エネルギー効率が良くなります。これにより、処理速度を上げながらも消費電力を抑えることができます。

これらの技術進歩により、スマートフォンのように手のひらサイズでコンピュータレベルの処理を実現できるようになりました。

AIと半導体の関係

本題のAIの話に入る前に、そもそもAIとはどういうものかを知る必要があります。
折角なのでchatGPTに｢AIとは何ですか｣と質問してみました。

AIはArtificial Inteligenceの略で、日本語で人工知能と言います。

AI（Artificial Intelligence：人工知能）とは、人間の知能を模倣し、学習、問題解決、パターン認識などを行うコンピュータシステムのことです。
従来のプログラムとは異なり、AIは与えられたデータから学習し、新しい状況に対応することができます。

AIの中核技術であるディープラーニング（深層学習）には膨大な計算量が必要です。その規模を理解するために、AIアシスタントのClaudeに質問してみました：

質問：AIの登場でロジック半導体の重要性が増していますが、機械学習ではどれくらいの計算量が必要なのでしょうか。iPhoneの計算能力と比較して定量的に教えてください。
回答：機械学習には膨大な計算量が必要です。例えば、大規模言語モデルGPT-3の訓練には最新のiPhone約176億台分、画像認識モデルResNet-50には約56,000台分、自然言語処理モデルBERTには約3,600万台分の計算能力が必要です。このように、大規模AIの訓練には消費者向けデバイスの何万倍もの計算能力が必要で、専用データセンターや高性能GPUクラスターが使用されています。この需要が、高性能ロジック半導体の重要性を高めている要因となっています。

このように、AIツールの裏側では私たち消費者が使用するデバイスとは比較にならないほど膨大な数の計算機が稼働しています。
AIの活用がまだ身近に感じられない現在でもこれだけ大規模な計算能力が求められているため、AIの普及が進めばさらに半導体への需要が高まることは明らかです。

今後の半導体需要

AIの普及に伴い、今後はどれくらいの半導体需要が見込まれているのでしょうか。
再度Claudeに聞きました。

AI特需によるロジック半導体の需要増加は、半導体業界に大きな影響を与えています。
市場調査によると、半導体市場全体は2030年までに1兆ドルを超えると予測されており、そのうちAIチップ市場は2025年まで年平均成長率30-40%で拡大すると見込まれています。
具体的な予測として、NVIDIAのCEO Jensen Huang氏は2027年までにAI向け半導体市場が1兆ドル規模になると述べており、McKinseyのレポートでは2025年までにAI関連半導体の売上が670億ドルに達すると予測しています。
この急激な需要増加に対応するため、TSMCやSamsungなどの大手半導体メーカーは生産能力の大幅な拡大を計画しています。
同時に、AI専用チップや3D積層技術など、AI向けに最適化された新しい半導体技術の開発も進んでいます。
短期的な変動はありますが、長期的にはAIの発展と普及に伴い、ロジック半導体への需要は着実に増加すると考えられています。
この需要増加に対応するため、半導体業界では大規模な投資と技術革新が続いていくでしょう。

年平均30-40%というのは驚異的な数字です。
この需要に備えるためにTSMCやSamsungなどの大手半導体メーカーが増産に向けた投資を予定しているとの報道もあります。
世界中でAI時代に備えるための動きが加速しています。
本ブログでは引き続き業界の動向についてウォッチを続けます。