シリコンはまだ限界に達していない──。2017年6月上旬、IBMの研究者グループが画期的なトランジスタの設計手法を発表した。この手法を利用すると、プロセッサーは「ムーアの法則」に従い、より小型、かつ安価になり続けていくことが可能になるのだという。

さらにいい点がある。研究者らが、実際に機能する独創的な方法によってこの設計を実現し、数年以内に新しいトランジスタを大量生産しようとしていることである。自律走行車やガジェット搭載型の人工知能（AI）、5Gの通信技術などが登場しつつあるいま、今日の主要なテック界のプレーヤーにとって念願のタイミングだといえるかもしれない。

「FinFET」というトランジスターの革命

過去数十年にわたって、半導体業界は小型化のことばかり考えてきたが、これには正当な理由がある。1枚のチップにより多くのトランジスターを搭載できるほど、より安価なコストで、より速い処理速度および高い電力効率を実現できる。

かの有名なムーアの法則とは、インテルの共同創業者ゴードン・ムーアが1965年に残した言葉であり、（同じ面積に搭載できる）トランジスタの数が毎年2倍になっていくというものだ。1975年にムーアはこの見解を「2年ごと」と修正した。半導体業界はこのペースを維持できていないが、それでもトランジスタを小型化する方法は常に発見されてきた。

小型化を続けていくためには、独創性が必要だ。最後の大きなブレークスルーは、2009年に起きた。このとき研究者らは、立体構造を採用した「FinFET」と呼ばれる新しいタイプのトランジスターの設計手法を発表した。2012年にFinFETトランジスタが初めて製造されたことで、半導体業界は22nm（ナノメートル）のチップ上にプロセッサーをつくることが可能になった。FinFETは革命的な一歩であり、数十年のなかで初めてトランジスタの構造を大きく変えたものだった。従来の2Dの平らなシステムではなく、電流をコントロールするために3D構造を用いたのである。

「FinFETは基本的に長方形の構造をしており、この構造の3つの面がゲートに覆われています」と、IBM Researchの半導体研究部門・副所長、ムケシュ・カーレは言う。トランジスタをスイッチにたとえてみよう。ゲートに異なる電圧をかけることで、トランジスターの「オン」と「オフ」が切り替わるからだ。FinFETは3つの面がゲートに囲まれていることにより、「オン」状態において流れる電流の量を最大化し、「オフ」状態において流出する電流の量を最小化する。結果的にトランジスターの効率が高まるというわけだ。

「第4のゲート」ができる新構造とは

しかし5年後には、FinFETの恩恵はなくなってしまうかもしれない。「ある時点で、FinFETが使えなくなるという問題があります」。半導体の製造を手がけるVLSI ResearchのCEO、ダン・ハッチンソンは言う。FinFETは、現在開発されている最先端の10nmのチップを下支えしており、7nmに適応することもできるだろう。だがハッチンソンはこう語る。「トランジスターを小型化し続けるためには、約5nmのチップに搭載する必要があります。そのためには異なる構造に移行しなければいけません」

そこでIBMは何をしたのか？ グローバルファウンドリーズやサムスンとともに研究を行う彼らは、垂直構造ではなく水平構造に目をつけることで、事実上「第4のゲート」ができるようなシリコンナノシートの構造をつくったのだ。

「これは素晴らしい技術開発です」とハッチンソンは言う。「トランジスターをもっと小型化できれば、同じだけのスペースに、より多くを搭載できます。つまり、同じサイズでもより処理能力の高いコンピューターができるのです」。この場合、7nmのチップ上に200億のトランジスタが載っていたものが、5nmのチップに300億載るようになる。IBMは、電力を75パーセント削減できるとみている。

IBMの5nmトランジスタを見てみると、シリコンナノシートを積み重ねていることがわかる。IMAGE COURTESY OF IBM

世界はチップで回っている

この新しい構造でつくられたプロセッサーは、どんなに早くても2019年までは市場に出ないと考えられている。しかしこれは、自律走行車や5Gといった、5nmチップを機能させない限り実用化できないイノヴェイションが実現するであろう時期と重なっている。

「世界はAIや自律走行車に夢中です。それらすべてが、より効率的な演算能力がなければ実現しません」とハッチンソンは言う。「新しい半導体がなければ、ここで止まってしまいます」

自律走行車を考えてみよう。これらは現在でも十分に機能しているかもしれない。しかし、そのためには何万ドルものチップが必要であり、製品コストとしては非実用的である。5nmのチップができれば、このコストを大幅に削減できる。あるいは、5G通信を用いて常にデータを集めているIoTセンサーや、現在と同じサイズのバッテリーで2〜3日もつスマートフォンを考えてみよう。こうした、これまでは技術的に不可能で思いもしなかったことが可能になるのである。

こうした技術の普及には、まだ時間がかかるだろう。成功には技術的な進歩のほかに、規制の問題もクリアしなければならない。それを乗り越えたとき、未来のイノヴェイションのすべてを支える微小なチップが実現することだろう。