半導体の微細加工が限界な理由。限界突破に必要な新たな技術とは？ムーアの法則の崩壊

こんにちは、ヒロです。

半導体業界にはムーアの法則と言われるものがある。

「集積回路の実装密度は18カ月ごとに2倍になる」

CPUの速度やメモリの集積度は、3年で4倍(1.5年で2倍)になるというものだ。

このムーアの法則は、1965年にインテル共同創業者のゴードン・ムーア氏が唱えた。
経験則だが、集積回路（半導体）の歴史はこの法則を、回路上のトランジスタや
リード線といった素子を微細化することで実現してきた。
時間とともに技術は進歩し集積回路は高密度化し、それが結果として高性能化、
高速化と低価格化を伴う。
18カ月で2倍、つまり3年ごとに4倍の容量のメモリチップが登場する。
15年で1024倍になり、たとえば同じ価格のメモリモジュールが1Mバイトから1Gバイトになる。
18カ月というサイクルは、厳密に言えば近年は崩れているが、
驚異的なペースでの集積回路の高密度化は続いている。
集積回路が誕生したころから、我々はそれが当たり前だと思ってきた。

しかし、現代の科学では限界に届こうとしている。

なぜ微細加工が限界にきているのか？

物質の最小単位が原子であるところは、広く知られるところだが、
現在の集積回路は、10nm(10ナノメートル)つまり、素子の幅が1億分の1メートルという超微細加工で成り立っているが、
原子1個のサイズが約0.1nmである事を考えると限界が近づいているという事が分かるだろう。
米国半導体工業会(SIA)が出したレポートの中では、2021年でムーアの法則は崩れると言われている。
微細加工しようにもそれ以上物質を現代の科学では分解できないというわけだ。

今後の高速化に必要なこと

原子をさらに細かく分解する技術の開発

物質の最小単位は原子と書きましたが、原子は、中性子と陽子で出来ています。
原子から中性子や陽子を取り出そうとした場合、非常に大きなエネルギーが
関わってきます。それが、核分裂、核融合という現象ですが、
現状中性子や陽子を単体で存在させられないという意味で原子が物質の最小単位と
言われてると思いますが、もっともっと科学が進むと
陽子や中性子を単体で安定させたり、更に細かく分解するという技術が出来ないとは、
限りません。
そこら辺をうまく制御できれば、微細かつ核分裂核融合エネルギー活用できれば、
電源のいらない超高速コンピュータというのも可能かもしれません。
しかし、今の技術では、少なくとも不可能。これから先も絶対に出来ないことかもしれないですが、
夢は持ちたいですね。

量子コンピュータ

量子コンピュータとは、量子ビットを用いて計算するコンピュータですが、
通常のコンピュータが1つのビットを0と1で表すのに対し、
量子コンピュータは、量子ビットで0と1を同時に表すことが出来るようで
コンピュータの高速化に期待がもたれています。
ただし、何でもかんでも早くなるわけではなく、
量子コンピュータの得意分野は、暗号解読のように総当たりで計算する必要があるものについてです。
現代のコンピュータで数百年かかると言われる計算を数秒～数分で完了できる可能性を
秘めています。
しかし、低温化でしか使用出来なかったりする為、一般家庭向けではありませんし、
全ての処理速度が速くなるわけではないため、コンピュータのオプション的な扱いになるかもしれません。
(スーパーコンピュータの中に組み込まれて量子コンピュータが得意な処理だけそちらで行うなど。)

光コンピュータ

現在のコンピュータは半導体を微細加工してその中を電子が動き回って高速化を実現しているが、
回路間で様々な干渉をおこすため、信号ノイズや発熱など作成にかなりのノウハウ技術が必要になる。
電気の代わりに光を用いて信号転送したり、CPUを作ることが出来れば、低ノイズで発熱のない、超高速なコンピュータが
実現できるというものである。
まだ、一部の光情報装置にしか実現できていないが今後に期待を持てるコンピュータであるとともに
コンピュータの高速化技術は、超並列処理になっていくであろう。

まとめ

15年ほど前、10年後コンピュータの温度は太陽の温度に達するという記事を見たことがある。
しかし、現在コンピュータの温度は太陽の温度とは程遠い。
確かにその頃のCPUは、周波数が高いイコールPCの性能がいいという感覚であった。
しかし、現在のコンピュータは、周波数だけでなくコア数なども性能に絡んでくるので
昔のCPUの周波数とさほど変わっていないが、性能は格段に良くなっている。
当時当たり前だと思っていた技術の限界が、新しい技術によって限界を突破する。
それが科学の発展である。
今回の記事で言ったような内容とまったく違った、技術を使う事で
周波数を抑えつつもかなりのスピードを達成するという日が
近い将来来ることを願いたいですね。





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