半導体
朝日新聞のコラムで珍しく日本の半導体生産について、取り上げていました。
北海道に新鋭工場を建設するのに、最新設備を導入するには莫大な費用を要する。
高度な半導体は微細化技術が必要で、最新設備並べる必要があり、お金がかかる。昨今予想される費用についての議論は活発だが、この計画では、最新工場で何を作るのかという議論十分ではない。 新鋭工場建設の微細加工技術に焦点をおいているが、問題はその工場で何を作るかだ。
この記事は、半導体生産の難しさを分かりやすく述べていると思います。
かって、1980年台半導体の分野で世界一を争った、多くの日本企業がランク外に去っていった罠がここにあります。
半導体の製造技術が進化して、一度に同じ半導体部品が数万個も作れます。同時に機能も進化しているので一つの製品にその半導体部品は1個しか使わないことがほとんどです。そこで重要なことは
半導体が多く使われた製品の変化を見ていきましょう。
第二次世界大戦が終わり、兵士が故郷に帰還したことで世界中でベビーブームが発生し、5年間ほど他の世代に比べて多い人口の団塊の世代が生まれました。 思春期に向かうベビーブーマー世代が何時でも音楽を聴けるトランジスタラジオを競って買い求め大ヒット、使われた半導体部品のトランジスターも大量に生産するようになります。
1台のラジオに6個くらいのトランジスターが使われます、手先の器用な女性工員が並んで、トランジスタの結線作業するニュース画像が時々紹介されました。
彼らベビーブーマー世代が求める製品が彼らの成長と共に変化し、製品に使われるの半導体部品も進化しつつ大量に使われていきます。
最初の半導体部品トランジスターを発明したのは、残念ながらSonyではなくアメリカのRCAでした。後にSonyの幹部になる方が、RCAの研究所を視察し製造方法を学びました。
Sonyはトランジスターを大量に使う用途（トランジスタラジオ＝ウェアラブル音楽端末）を発明したと言えると思います。
小型化、軽量化はテレビやちょっと後に発明されるテープレコーダー、カセットデッキにも使われたので半導体部品トランジスターの使用量は急増します。
大音量化、放送楽曲録音、繰り返し再生なども進化し、世界中のベビーブーマーが競って、新製品を買い求め、民生音楽再生機器は鉄板の半導体採用用途になりました。
1台のコンピュータに桁違いに多くの半導体部品を使用しますので、軍隊時代の真空管からトランジスターに変わりましたが、まだまだ発熱量が高くシステム全体を囲って、冷房する専用の電算室が設けられ利用されました。
高性能だが高額の大型コンピューターを効率よく利用するために、時間がかかる入力作業や、出力結果の応用のために多くの小型コンピュータを接続して、利用効率を上げる電算システムが採用されます。
オフィスの床下や壁をぶち抜いて、コンピュータ同士をLAN（ローカルエリアネットワーク） で接続して利用しました。
日本の大手通信機メーカーはIBMが得意の大型コンピューターの生産も行うようになり、自社の入力端末、ディスプレイ、プリンター、記憶装置まで製造し囲い込みを図ります。
この頃、アメリカのアタリはゲーム機を改良し、民間用小型コンピュータを開発し成功します。この成功を見て日本国内でもＮＴＴお気に入りの大手通信機器メーカー6社がそれぞれに使い勝手の良い、仕事に使えるオフィス用コンピューターを生産します。
多くはIBMをまねした中、大型ビジネス用コンピューターに接続して主にデーター入力作業に利用する専用の端末機器であり、システムとして端末ごと囲い込み売り上げを拡大ました。
システムの製造費用の大半を占め、その多くを輸入品に頼っていた、半導体も自社で作ろうと考え、こぞって生産を開始します。
モーターや機械部品から、画面に映る障害物や敵をハンドルやレバーで機械を操作する電子機器に生まれ変わりました。
また、地方競馬場、オートレース場、ボートのオッズ計算や大病院のカルテ管理、マーケットストアのレジなどに、IBM程ではないがそこそこの性能のコンピュータシステムの需要も多く、中型、小型のコンピュータを利用した様々な専用システムも開発されました。
また、会社でＰＣを使い慣れている、素人投資家も財務計算や、投資項目選定に自分用のＰＣを使い始めました。
アメリカでシステム入力端末を個人的に利用する世代が、ゲーム機やシステム端末を改造し個人用PCを作ります。
中でもスティーブ ジョブズが発明したアップルPCはよく売れました。また、マイクロソフトのビルゲイツはゲーム機器向け半導体をパソコン主要機能を制御するフロッピーディスク1枚に入るソフトウエア「DOS」を発明し、販売しました。
東芝が作った世界最初のノートブックパソコン「Dynabook」にはこのフロッピーが付いていて、最初にパソコン内部のメモリーにコトコトと入力して使いました。
さて、電算機業界をリードしてきたＩＢＭは大型コンピューターの端末小型コンピュータを自社製造する代わりに、小型コンピュータの内部の構造、16bit接続方法を採用したPC/AT機を発売します。 この機種は売れて大きなシェアを得ました。当時シェアを持っていたマイクロソフトの基本ソフトDOSを吸収しようとしますが失敗し、独自基本ソフト入力こみこみで販売している。
ここにコンパックというアメリカメーカーがIBMのPC/AT仕様をリバースエンジニアリングで解析し、同等の働きと得て、マイクロソフトのDOSとのコンビネーションPCを発売、爆発的に売れました。
当初国内の登録情報そのものが貧弱で、とても使えるものではないと評価されていましたが、今のインスタグラムやXのように広告と結びつくことで、インターネット上の登録情報の量と質が向上しました。
このころ、パチンコ店の経営者が心配する後継者探しのシステム開発のためにサンフランシスコのMach.comを訪問しましたが、この良い人探し探しの基本ソフトはモノを売るためのマーケティングシステムとしての利用需要が多くなっていました。
AI
ディープラーニングという技術によって、データ検索技術が向上、ネット上に公開されている情報を組み合わせて回答を導く技術が発明されている。
普及した理由は、 データ通信費用が劇的に安くなり、大量のデータを検索し、その得られたデーターを更に何回も再検索しても費用は大してかからない通信費の下落によるものが寄与している。
スマホ
スマホが出来たのは、半導体の技術が向上し、30年前の中型コンピュータ以上の働きをたった1個の2.5センチ四方の黒い半導体で賄える様になった。
なおかつそ、技術革新によって電池で動作し、耳に当てても火傷しない低消費電力。
なお、データ通信費用が大幅に安くなったことも、普及の理由です。
スマホ内部では音声や画像データもデジタル化されていますが、好きな音楽や映画等のコンテンツは見たい聴きたいときにネット接続すれば利用できます。
ベビーブーマーの子供世代の成長と共に利用拡大しています。
論理計算、データ一時保存メモリー
PCやスマホ、データセンターでの使い道で専用半導体が開発され、利用されています。 エンジン制御、ブレーキ制御、燃料コントロール ミラー・座席・エアコンのモーター制御
車に欠かせない部品です。カーナビやスマホ機能、自動運転にも利用されます。 各種機械の制御（数値を入力するだけで加工できる）
各種機械の制御（数値を入力するだけで加工できる）工場、工場内製造ロボット、電力制御 各種家庭用機器の制御
家庭でも半導体部品を使わない機器は無いと言えるくらいです。 掃除機、冷蔵庫、エアコン、炊飯器、電子レンジ
微細加工技術が2年で2倍に進化する、言い換えると同じ面積の半導体でも2年で4倍複雑な回路になります。
半導体工場の設計に1年、建設に2年、稼働準備に1年、合計4年を要すると考えると、その工場の稼働時には今の最先端の半導体の16倍の回路が詰まった半導体を作って売り切らなければなりません。
工場の建造費用が1兆円、回収に回せる金額1年で25％とすると、稼働から4年間コンスタントに１兆円以上売れる半導体を生産しないと、いけません。
超高性能なので製品原価の25％でも売れる半導体でも、4年後の稼働時から4兆円の売り上げが見込みたいです。
同一製品で4年後から4兆円の売り上げは難しそうです。Appleの製品くらいしか浮かんできません。
最終製品の高機能化には専用高機能半導体の生産が不可欠で、高機能半導体の生産には、桁違いの性能の光源、印刷、露光、化学処理、切断、研磨装置が必要です。
さて、半導体を生産するための装置メーカーは、こんな変化の激しい市場にどう対応してきたのでしょう？
また、微細加工技術の進歩により1970年以降2年で2倍の集積度になっています、50年けいかしたので2倍の25乗、結晶サイズ9倍と合わせると3千3百万X９＝3億倍です。
各工程を一巡すると、単純な機能の半導体で５千万個、トップケラスの高機能の半導体でも1千万個生産出来ます。
半導体テクノロジー 工場は少なくとも三層構造で、高機能フィルターを通し、空気、水を循環します。
工場内のチリを削除するため、出来るだけラインに人を入れない、監督はガラスで密閉した廊下から行うか、カメラを利用します。
出入りする場合、すべすべした一体型衣服、ゴーグル、マスクでエアーシャワー室を通って埃を落として、入室します。
加工中の製品は20枚か24枚の結晶がプラスチックケースに入れられ、それぞれをバッチと言います。 バッチは天井に施設されたレールにつるされ、モノレールのように移動します。
バッチ以外の移動を制限し、ホコリの発生を抑えます。
各工程は別々の部屋に用意され、部屋の移動はバッチだけが天井に近い小さなドアをくぐって移動します。 各部屋は加圧され、外部からの埃の流入を抑えています。
北海道に新鋭工場を建設するのに、最新設備を導入するには莫大な費用を要する。
高度な半導体は微細化技術が必要で、最新設備並べる必要があり、お金がかかる。昨今予想される費用についての議論は活発だが、この計画では、最新工場で何を作るのかという議論十分ではない。 新鋭工場建設の微細加工技術に焦点をおいているが、問題はその工場で何を作るかだ。
この記事は、半導体生産の難しさを分かりやすく述べていると思います。
かって、1980年台半導体の分野で世界一を争った、多くの日本企業がランク外に去っていった罠がここにあります。
１．半導体の市場
半導体は発明されてから既に50年以上たったので、産業の米と称されるほど色々な製品の中心になくてはならない部品です。家庭で使われる電気製品を分解して、回路基板にくっ付いている様々な部品を半田コテをあてて取り外した中で比較的大きなものが半導体です。
半導体の製造技術が進化して、一度に同じ半導体部品が数万個も作れます。同時に機能も進化しているので一つの製品にその半導体部品は1個しか使わないことがほとんどです。そこで重要なことは
半導体が多く使われた製品の変化を見ていきましょう。
１．携帯ラジオ、テレビ、カセットデッキ
電池で動きポケットに入るラジオをSonyが発明しました。第二次世界大戦が終わり、兵士が故郷に帰還したことで世界中でベビーブームが発生し、5年間ほど他の世代に比べて多い人口の団塊の世代が生まれました。 思春期に向かうベビーブーマー世代が何時でも音楽を聴けるトランジスタラジオを競って買い求め大ヒット、使われた半導体部品のトランジスターも大量に生産するようになります。
1台のラジオに6個くらいのトランジスターが使われます、手先の器用な女性工員が並んで、トランジスタの結線作業するニュース画像が時々紹介されました。
彼らベビーブーマー世代が求める製品が彼らの成長と共に変化し、製品に使われるの半導体部品も進化しつつ大量に使われていきます。
最初の半導体部品トランジスターを発明したのは、残念ながらSonyではなくアメリカのRCAでした。後にSonyの幹部になる方が、RCAの研究所を視察し製造方法を学びました。
Sonyはトランジスターを大量に使う用途（トランジスタラジオ＝ウェアラブル音楽端末）を発明したと言えると思います。
小型化、軽量化はテレビやちょっと後に発明されるテープレコーダー、カセットデッキにも使われたので半導体部品トランジスターの使用量は急増します。
大音量化、放送楽曲録音、繰り返し再生なども進化し、世界中のベビーブーマーが競って、新製品を買い求め、民生音楽再生機器は鉄板の半導体採用用途になりました。
２．コンピュータシステム
大砲の弾の弾道計算に軍隊で使われていたコンピューターですが、莫大な量の単純計算を要する大手企業の財務や税務、給与処理の計算に使われ様になります。1台のコンピュータに桁違いに多くの半導体部品を使用しますので、軍隊時代の真空管からトランジスターに変わりましたが、まだまだ発熱量が高くシステム全体を囲って、冷房する専用の電算室が設けられ利用されました。
高性能だが高額の大型コンピューターを効率よく利用するために、時間がかかる入力作業や、出力結果の応用のために多くの小型コンピュータを接続して、利用効率を上げる電算システムが採用されます。
オフィスの床下や壁をぶち抜いて、コンピュータ同士をLAN（ローカルエリアネットワーク） で接続して利用しました。
日本の大手通信機メーカーはIBMが得意の大型コンピューターの生産も行うようになり、自社の入力端末、ディスプレイ、プリンター、記憶装置まで製造し囲い込みを図ります。
この頃、アメリカのアタリはゲーム機を改良し、民間用小型コンピュータを開発し成功します。この成功を見て日本国内でもＮＴＴお気に入りの大手通信機器メーカー6社がそれぞれに使い勝手の良い、仕事に使えるオフィス用コンピューターを生産します。
多くはIBMをまねした中、大型ビジネス用コンピューターに接続して主にデーター入力作業に利用する専用の端末機器であり、システムとして端末ごと囲い込み売り上げを拡大ました。
システムの製造費用の大半を占め、その多くを輸入品に頼っていた、半導体も自社で作ろうと考え、こぞって生産を開始します。
３．専用システム、ゲーム機
パチンコ屋も今では画面無しの台は考えられませんが、 バーや喫茶店、遊園地には昔から様々なアーケード娯楽機（ゲームマシン）が設置されていましたが、大型のテレビ画面（ブラウン管）を利用したゲーム機に置き換えられるようにようになります。モーターや機械部品から、画面に映る障害物や敵をハンドルやレバーで機械を操作する電子機器に生まれ変わりました。
また、地方競馬場、オートレース場、ボートのオッズ計算や大病院のカルテ管理、マーケットストアのレジなどに、IBM程ではないがそこそこの性能のコンピュータシステムの需要も多く、中型、小型のコンピュータを利用した様々な専用システムも開発されました。
４．ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
大学でコンピュータを使い慣れた学生が宿題や研究用に自分専用のＰＣを使い始めます。また、会社でＰＣを使い慣れている、素人投資家も財務計算や、投資項目選定に自分用のＰＣを使い始めました。
アメリカでシステム入力端末を個人的に利用する世代が、ゲーム機やシステム端末を改造し個人用PCを作ります。
中でもスティーブ ジョブズが発明したアップルPCはよく売れました。また、マイクロソフトのビルゲイツはゲーム機器向け半導体をパソコン主要機能を制御するフロッピーディスク1枚に入るソフトウエア「DOS」を発明し、販売しました。
東芝が作った世界最初のノートブックパソコン「Dynabook」にはこのフロッピーが付いていて、最初にパソコン内部のメモリーにコトコトと入力して使いました。
さて、電算機業界をリードしてきたＩＢＭは大型コンピューターの端末小型コンピュータを自社製造する代わりに、小型コンピュータの内部の構造、16bit接続方法を採用したPC/AT機を発売します。 この機種は売れて大きなシェアを得ました。当時シェアを持っていたマイクロソフトの基本ソフトDOSを吸収しようとしますが失敗し、独自基本ソフト入力こみこみで販売している。
ここにコンパックというアメリカメーカーがIBMのPC/AT仕様をリバースエンジニアリングで解析し、同等の働きと得て、マイクロソフトのDOSとのコンビネーションPCを発売、爆発的に売れました。
５．インターネット
1995年頃からインターネットが個人でも利用できるようになります。ブラウザに言葉を打ち込むとインターネット上にあるその言葉が含まれる記事の保管場所を教えてくれます。当初国内の登録情報そのものが貧弱で、とても使えるものではないと評価されていましたが、今のインスタグラムやXのように広告と結びつくことで、インターネット上の登録情報の量と質が向上しました。
このころ、パチンコ店の経営者が心配する後継者探しのシステム開発のためにサンフランシスコのMach.comを訪問しましたが、この良い人探し探しの基本ソフトはモノを売るためのマーケティングシステムとしての利用需要が多くなっていました。
AI
ディープラーニングという技術によって、データ検索技術が向上、ネット上に公開されている情報を組み合わせて回答を導く技術が発明されている。
普及した理由は、 データ通信費用が劇的に安くなり、大量のデータを検索し、その得られたデーターを更に何回も再検索しても費用は大してかからない通信費の下落によるものが寄与している。
スマホ
スマホが出来たのは、半導体の技術が向上し、30年前の中型コンピュータ以上の働きをたった1個の2.5センチ四方の黒い半導体で賄える様になった。
なおかつそ、技術革新によって電池で動作し、耳に当てても火傷しない低消費電力。
なお、データ通信費用が大幅に安くなったことも、普及の理由です。
スマホ内部では音声や画像データもデジタル化されていますが、好きな音楽や映画等のコンテンツは見たい聴きたいときにネット接続すれば利用できます。
ベビーブーマーの子供世代の成長と共に利用拡大しています。
２．半導体の用途、産業のコメ
部品としての半導体の使い道を俯瞰してみましょう。論理計算、データ一時保存メモリー
PCやスマホ、データセンターでの使い道で専用半導体が開発され、利用されています。 エンジン制御、ブレーキ制御、燃料コントロール ミラー・座席・エアコンのモーター制御
車に欠かせない部品です。カーナビやスマホ機能、自動運転にも利用されます。 各種機械の制御（数値を入力するだけで加工できる）
各種機械の制御（数値を入力するだけで加工できる）工場、工場内製造ロボット、電力制御 各種家庭用機器の制御
家庭でも半導体部品を使わない機器は無いと言えるくらいです。 掃除機、冷蔵庫、エアコン、炊飯器、電子レンジ
３．半導体の進歩
1965年ムーアは半導体の微細化は2年で、2倍に進むと提唱し、最近まで半導体の製造技術は概ねこれに準拠し進化しています。微細加工技術が2年で2倍に進化する、言い換えると同じ面積の半導体でも2年で4倍複雑な回路になります。
半導体工場の設計に1年、建設に2年、稼働準備に1年、合計4年を要すると考えると、その工場の稼働時には今の最先端の半導体の16倍の回路が詰まった半導体を作って売り切らなければなりません。
工場の建造費用が1兆円、回収に回せる金額1年で25％とすると、稼働から4年間コンスタントに１兆円以上売れる半導体を生産しないと、いけません。
超高性能なので製品原価の25％でも売れる半導体でも、4年後の稼働時から4兆円の売り上げが見込みたいです。
同一製品で4年後から4兆円の売り上げは難しそうです。Appleの製品くらいしか浮かんできません。
最終製品の高機能化には専用高機能半導体の生産が不可欠で、高機能半導体の生産には、桁違いの性能の光源、印刷、露光、化学処理、切断、研磨装置が必要です。
さて、半導体を生産するための装置メーカーは、こんな変化の激しい市場にどう対応してきたのでしょう？
４．半導体を作る
半導体は主に薄く切ったシリコン結晶の上に回路を加工してつくります。1970年代シリコン結晶の直径は10㎝でしたが、いまは30㎝が主流です。また、微細加工技術の進歩により1970年以降2年で2倍の集積度になっています、50年けいかしたので2倍の25乗、結晶サイズ9倍と合わせると3千3百万X９＝3億倍です。
各工程を一巡すると、単純な機能の半導体で５千万個、トップケラスの高機能の半導体でも1千万個生産出来ます。
半導体テクノロジー 工場は少なくとも三層構造で、高機能フィルターを通し、空気、水を循環します。
工場内のチリを削除するため、出来るだけラインに人を入れない、監督はガラスで密閉した廊下から行うか、カメラを利用します。
出入りする場合、すべすべした一体型衣服、ゴーグル、マスクでエアーシャワー室を通って埃を落として、入室します。
加工中の製品は20枚か24枚の結晶がプラスチックケースに入れられ、それぞれをバッチと言います。 バッチは天井に施設されたレールにつるされ、モノレールのように移動します。
バッチ以外の移動を制限し、ホコリの発生を抑えます。
各工程は別々の部屋に用意され、部屋の移動はバッチだけが天井に近い小さなドアをくぐって移動します。 各部屋は加圧され、外部からの埃の流入を抑えています。