半導体微細化の限界。各産業へはどんな余波がおこる？

質問

半導体の微細化が物理的限界へ向かうに伴ないCPUをはじめ多くの演算装置や記憶装置の技術の頭打ちが進んでいるとのこと。何か特別なことでも起こらない限り今後は倍々で演算能力や記憶容量が上がるようなことはなくなっていく模様です。
この事は今後のITや家電だけではなく様々な産業に大きな変化をもたらすとのこと。

単純にPCの買い替えサイクルが長くなるなどだけではないようですが、この半導体微細化の限界が現実のものだとして演算能力などが上がらなくなって行くとしたら、各種産業にはどんな変化や余波が表れると予測されるのでしょうか？

回答No.5

SPROCKETER

集積化の限界は高コスト化に繋がるのは事実ですが、多層構造の半導体技術があるので、対策は取れるようです。

　ブルーレイディスクに２５ＧＢ（単層）、５０ＧＢ（２層）、１００ＧＢ（４層）があるのを御存じだと思いますが、半導体も同じように多層化して製造するのは可能で、多層化により集積度を上げる事が出来ます。

　よって、理論的には８層や１６層にすれば、８倍や１６倍の集積化が可能なのですが、製造コストが上がるので半導体の高コスト化に繋がります。集積度が限界に達した２０２０年以降は集積度が上がった半導体ほど高コストになるでしょうね。

　もう一つは放熱の問題で、多層化を進めるほど消費電力を下げないと発熱量が大きくなり過ぎます。低消費電力の半導体開発が必要になるでしょうね。

　半導体製造価格が上がる問題は避けられないでしょうが、集積度が限界に達しても、大容量メモリーの製造開発は続くはずです。

　もっとも、演算速度の向上はマルチコアＣＰＵでしか対応出来ないようで、１００コアＣＰＵの開発が検討されていると聞きます。１００コアＣＰＵと言っても、実際の演算速度は１０倍にしかなりませんが、今後は物量戦で性能向上を図るしかないのでしょうね。

お礼

これまで倍々で増えていたものが、増えないないしは少量しか増えないとなったらこれは大きな変化となります。
「増え続ける」「上がり続ける」ことが常識だったものが「横這いに成る」となれば、この環境変化というのは大きいものであり、産業はこれに対応する必要があり、環境変化への適応が遅れれば経済的に淘汰されます。

低成長時代が訪れていながら、それに気づかずに高度経済成長を前提にした意思決定をしていたら様々なかたちで機能不全に陥ります。

経済カテゴリから経済や産業について質問したのですが、なぜか細かな技術論や実際にこれまで通りには能力向上などしていないのに細かな部分で数字が上がった上がった、これからも上がる的な内容の書き込みばかりで残念です。

補足

これは原子が1列に並んだ電線ということです。原子が1列に並んでいるので、ここを通ることができる電子も1列に並んで通ることになります。電子が100列並んで通れる電線と、1列でしか通れない電線とでは、流れる電流に100倍の差があります。つまり、原子1個が並んだ、制作可能な最も細い電線は、電流が最も流れにくい電線ということになります。この電線に電流を流すためには電圧を高くしなければなりません。ところが電圧を高くすると漏電という問題が出てきます。

ＬＳＩの回路を構成する1本の電線と、その隣の電線との距離が近すぎると、漏電してしまうのです。ですから、隣の電線との距離を一定以上に保つ必要があります。半導体を微細化したいのは、一定面積に作れる回路を多くしたいからです。しかし、回路の電線と電線との距離を一定以上に保つ必要があるとしたら、電線を細くしても一定面積に入れられる回路が増えないことになります。つまり、原子1列の電線は作っても意味がないわけです。

さらに量子論的な影響もあります。電線と電線との距離が近すぎると、絶縁破壊が起きなくてもトンネル効果によって漏電を生じてしまうのです。

回答No.4

QCD2001

＞この事は今後のITや家電だけではなく様々な産業に大きな変化をもたらすとのこと。

そんな内容の記事を私の読んだことがありますが、私としてはそれは違うのではないかと考えています。
コンピュータの進歩やインターネットの発展は、扱えるデータ量が増えることにより生じてきました。つまり、扱えるデータ量が増えることが産業に大きな変化を生じてきたわけです。であるなら、扱えるデータ量が増えなくなるとしたらそれは大きな変化が生じなくなる、と考えるべきであると思います。

＞この事は今後のITや家電だけではなく様々な産業に大きな変化をもたらす

というのは間違いで

この事により今後のITや家電だけではなく様々な産業に大きな変化が生じにくくなる

と考えるべきでしょう。

ただし、微細化の物理的限界というのは、伝送路が細くできないというだけです。マルチコア化によるスピードアップは微細化の限界とは関係ないので、演算能力はこれからも上昇します。
また、記憶容量に関しては、微細化の物理的限界と関係のない、ＬＳＩの立体化により記憶容量を増加する研究が進められています。

現在のＬＳＩはシリコンなどの半導体結晶の表面にトランジスタなどの素子を作り回路を形成しています。素子を小さく作ると一定の面積に作れる素子の数が増え、より複雑な回路を作ることができるようになります。この素子を小さくする微細化が物理的な限界に達したということは、一定面積に作れる素子の数がこれ以上増やせなくなったということです。

しかし、結晶の内部にも回路を作り、回路を2層や3層に重ねて作ることができるとしたら、素子を微細化しなくても作れる素子の数が2倍、3倍になります。

どこかの住宅のＣＭにありました。「3階建ては2階建てより広い」というわけです。
現在のＬＳＩは1階建てです。これを2階建てや3階建てにすることで、微細化をしなくても作る素子数が2倍、3倍にすることができるわけです。現在まだ商品化されていませんが、2階建てに関しては実験室レベルで成功しています。
実のところこのアイデア自体は1960年代からすでにあり、一部に応用されていたらしいのですが、水平方向への集積化の方が技術的にやさしかったので、立体化（積層化）は行われてきませんでした。微細化の物理的限界が来たので、微細化の限界とは無関係にデータ量を増やせる積層化が着目されるようになったわけです。

ところで、「微細化の物理的限界」というのがどういうことなのか考えてみましょう。もし仮にＬＳＩの内部の回路の伝送路（電線）の幅をいくらでも細くできるような技術があったとします。すると電線をどこまで細く作ることができるでしょうか？

作るだけなら、電線の幅を原子1個まで細くできるはずです。それより細くはできません。物質は原子でできているわけですから、原子0.5個分の電線なんてものは作れません。では原子1個の電線を作れたとしたらどうなるでしょうか？

これは原子が1列に並んだ電線ということです。原子が1列に並んでいるので、ここを通ることができる電子も1列に並んで通ることになります。電子が100列並んで通れる電線と、1列でしか通れない電線とでは、流れる電流に100倍の差があります。つまり、原子1個が並んだ、制作可能な最も細い電線は、電流が最も流れにくい電線ということになります。この電線に電流を流すためには電圧を高くしなければなりません。ところが電圧を高くすると漏電という問題が出てきます。

ＬＳＩの回路を構成する1本の電線と、その隣の電線との距離が近すぎると、漏電してしまうのです。ですから、隣の電線との距離を一定以上に保つ必要があります。半導体を微細化したいのは、一定面積に作れる回路を多くしたいからです。しかし、回路の電線と電線との距離を一定以上に保つ必要があるとしたら、電線を細くしても一定面積に入れられる回路が増えないことになります。つまり、原子1列の電線は作っても意味がないわけです。

さらに量子論的な影響もあります。電線と電線との距離が近すぎると、絶縁破壊が起きなくてもトンネル効果によって漏電を生じてしまうのです。
この影響も考慮すると、半導体の回路をこれ以上微細化できたとしても、回路として作動しなくなってしまう限界があるわけです。これが「微細化の物理的限界」です。

実際のところ、原子数個程度を扱う技術はすでにあります。しかしこの技術でＬＳＩ程度の規模の回路を作ろうとするとコストがべらぼうなものになってしまう上、トンネル効果によって電流が流れてほしくないところに電流が流れてしまい、正常には作動しないため、この技術ではＬＳＩは作りません。

ところで、このトンネル効果を逆手に取り、それまでの微細化の物理的限界を超える試みが研究されています。それはトンネル効果そのものをトランジスタなどの半導体素子の代わりに使うというアイデアです。ＭＯＳトランジスタを応用してトンネル効果素子を作ることが実験室レベルで成功しています。この方法を使うと、前述の微細化の物理的限界よりももう少しだけ回路を小さく作れることが期待されています。

わたしの個人的な意見ですが、微細化の物理的限界とは無関係に能力を向上できるマルチコア化とＬＳＩの立体化が、今後の半導体の本命ではないかと思います。

結論
１．微細化の物理的限界による能力向上のストップは、何か変化をもたらすのではなく、変化をもたらさなくする

２．微細化の物理的限界以外の方法により能力の向上が図られているので、微細化の物理的限界は能力向上をストップさせない。

補足

これまで倍々で増えていたものが、増えないないしは少量しか増えないとなったらこれは大きな変化となります。
「増え続ける」「上がり続ける」ことが常識だったものが「横這いに成る」となれば、この環境変化というのは大きいものであり、産業はこれに対応する必要があり、環境変化への適応が遅れれば経済的に淘汰されます。

低成長時代が訪れていながら、それに気づかずに高度経済成長を前提にした意思決定をしていたら様々なかたちで機能不全に陥ります。

経済カテゴリから経済や産業について質問したのですが、なぜか細かな技術論や実際にこれまで通りには能力向上などしていないのに細かな部分で数字が上がった上がった、これからも上がる的な内容の書き込みばかりで残念です。

回答No.3

potatorooms

＞ムーアの法則的な事象が通用しなくなった時代

私の回答は、これを前提としても、パラダイスシフトは起きるということを書いたわけて、ムーアの法則が続くとは書かなかったつもりなのですが。

レコードがデジタル化されCDになるような変化も起きないという前提での話なら、刃物が、わりと近い話でしょうか。性能アップが止まると、品質を上げて価格は維持されますが、その時期を過ぎると劇的な価格低下が必ず起こります。性能も品質も変わらないものは価格が安くなることでしか用途が広げより多く使われるようにはならないからです。
刀の用途がなくなったことで、高価な刀は、その技術で包丁作りにシフトし、包丁作りもその技術を簡素化することでどんどんと安くなり使い捨ての製品に変わっていきました。100円ショップですら売られるようになり、汎用化したものは使い捨てパーツとしても使える、限りなくただで使える部品になって、必要なものというか組み込まれると少しでも便利になるものに当たり前のように組み込まれるようになります。

CPUやメモリなどのパーツがパソコンのパーツの中で一番安い（ただ同然）という時代がきたときの影響がご質問の本質だと思います。
例えばコンビニに並ぶすべての商品にバーコードやQRコードが付いていますが、これの代わりに果てしなく安いワンチップコンピュータが貼られるようになると、レジでは商品の価格把握の作業は不要になり、お金を受け取る店員が必要になるだけになります。

スマホなんてレベルでなく、コンピュータがアチコチにある、商品やサービスに利用する、という感じになるのではと思います。

補足

これまで倍々で増えていたものが、増えないないしは少量しか増えないとなったらこれは大きな変化となります。
「増え続ける」「上がり続ける」ことが常識だったものが「横這いに成る」となれば、この環境変化というのは大きいものであり、産業はこれに対応する必要があり、環境変化への適応が遅れれば経済的に淘汰されます。

低成長時代が訪れていながら、それに気づかずに高度経済成長を前提にした意思決定をしていたら様々なかたちで機能不全に陥ります。

経済カテゴリから経済や産業について質問したのですが、なぜか細かな技術論や実際にこれまで通りには能力向上などしていないのに細かな部分で数字が上がった上がった、これからも上がる的な内容の書き込みばかりで残念です。

回答No.2

potatorooms

＞今後は倍々で演算能力や記憶容量が上がるようなことはなくなっていく模様

これ、石油の枯渇期限と同じで、何度も延びてきました。もともとは2000年過ぎ頃と言われてました。
この言葉にだまされなかった人が新しいジャンルを切り開いてIT革命を何度か起こしました。

今後ですが、分子記録どころか量子レベルでの記録が研究レベルでは実現できてますし、脱二進数や脱ノイマン型も見えてきてます。
まあ、1960年代に開発され使われるようになった基本的ないろんな技術の前提がちゃぶ台返しのように覆すことになるのですんなりとはいかないとは思います。
ただ、7ビットや16ビットのしがらみをこれまでも超えてこれたんで、いったん緩むことはあっても、頭打ちになるというより、踊り場のような感じになる気がします。

頭打ちになるとは思わない方がよい気がします。

そのうち、平面の絵をわざわざリニアの二進数に換算して記憶してた時代があったんだ、とか、プログラムのバグひとつでアプリが止まるコンピュータなんてあったんだ、なんて時代が来るような気がします。

ご質問への回答として、演算速度以外の部分で処理速度が上がっていく時代が来るかので、それを取り入れられるところと古い仕組みのまま固執して乗り遅れるところが出てくると思います。
ホストコンピュータに固執して、複数サーバーのネットワークに負けた企業や産業、クラウドに対応できずサーバー費用の価格差で負ける企業が出たのと同じようなことが、もっと大規模に起きる気がします。

補足

ああ、その手の希望的観測論は（それはそれでいいんですが）、ここ4，5年を観ても多方面で頭打ち状態が続いたことで投資の失敗しているところも増えているんで、ここでは質問にあるように「半導体微細化の限界が現実のものだとして演算能力などが上がらなくなって行くとしたら」ということの質問でして、そこからの経済的、産業的な影響についての話でお願いします。

長期的に半導体関連のブレイクスルーが全く起こらなくなるとか、これからも起こるとか そういう未来予想の話をしたいのではなく、ムーアの法則的な事象が通用しなくなった時代での経済的、産業的な影響への質問です。

回答No.1

neutrino_86

物理的な限界がきてるんですね、知りませんでした。
でもコンピュータのスピードの足を引っ張っているのは、メモリとストレージの応答速度ですので、システム全体ではまだまだ早くなりそうに思えます。10倍とかではなく、1000倍のオーダーで。
インテルとマイクロンが3D Xpoint という不揮発性メモリを開発したようですが、実用化するとストレージは要らなくなるかもしれませんので大規模なシステムでは劇的なスピードアップが図れそうです。

補足

これまで倍々で増えていたものが、増えないないしは少量しか増えないとなったらこれは大きな変化となります。
「増え続ける」「上がり続ける」ことが常識だったものが「横這いに成る」となれば、この環境変化というのは大きいものであり、産業はこれに対応する必要があり、環境変化への適応が遅れれば経済的に淘汰されます。

低成長時代が訪れていながら、それに気づかずに高度経済成長を前提にした意思決定をしていたら様々なかたちで機能不全に陥ります。

経済カテゴリから経済や産業について質問したのですが、なぜか細かな技術論や実際にこれまで通りには能力向上などしていないのに細かな部分で数字が上がった上がった、これからも上がる的な内容の書き込みばかりで残念です。