チップはなぜ電気を使う？ 何もしていないときの待機電流とリーク

チップが電気を使うのは、電気で操作する小さなスイッチがたくさん入っているからです。使い方は2種類あります。ひとつは動いているときで、スイッチが切り替わるたびに少しずつ電気を使います。もうひとつは何もしていないときで、スイッチはオフなのに、ごくわずかな電流がすり抜けてしまいます。これをリーク、またはリーク電流（漏れ電流）といいます。チップが電源は入っているのに何もしていないとき、電池から流れ出ていくそのわずかな電流を、待機電流と呼びます。「省電力のチップ」「低消費電力のチップ」とは、この両方をできるだけ小さくしたチップのことです。

チップが動いているとき、電気はどこに使われる？

チップのいちばん基本的な部品はトランジスタです。電気で操作する小さなスイッチで、オンが1、オフが0（どんな形かは「トランジスタとは？」へ）。

スイッチが切り替わるたびに、少しの電気をためては放します。小さなコップに水を満たしては捨てるようなものです。だからチップのする仕事が多いほど、切り替えが速いほど、使う電気も増えます。

とくに効くのが電圧です。この部分の電力は、だいたい電圧の2乗に比例します。電圧を8割に下げると、電力は6割ちょっとまで減ります。だから電気を節約する第一の手は、たいてい電圧を下げることです。

何もしていないのに、なぜ電気を使うの？

スイッチが、きっちり閉じきらないからです。

トランジスタはとても小さいので、ゲートが「オフ」と言っていても、入口から出口へ少しだけ電気がすり抜けます。ゲートの下のとても薄い絶縁膜を、電子がそのまま通り抜けることもあります。これがリークです。

きちんと閉まらない蛇口のようなものです。水を出しているあいだは、ぽたぽた垂れても気になりません。でも一晩じゅう垂れていれば、朝にはバケツがいっぱいです。

スイッチ1つのリークは無視できるほど小さくても、チップにはとても多くのスイッチがあり、スマートフォンのチップなら100億個以上です。合わせると、ばかになりません。しかも切り替えの電力は仕事をしているときだけですが、リークは電源が入っているかぎり、1秒も休まず続きます。

スイッチを小さくするほど、リークは厄介になります。2000年代ごろには、リークが大きくなりすぎて電圧を下げにくくなり、これがムーアの法則が減速した理由のひとつになりました（「ムーアの法則とは？」へ）。ニュースの「2ナノ」のように世代が進むたび、小さなスイッチをきっちり閉じる工夫が必要になっています。

速いチップほど、リークも多いのはなぜ？

スイッチがどれだけの電圧でオンになるかは、つくるときに決まります。このハードルを、しきい値電圧といいます。

しきい値が低いと、軽く押すだけで開くので速く動きますが、オフのときにきっちり閉じきれず、リークが多くなります。しきい値が高いと、きっちり閉じますが、開くのは遅くなります。だから「速さ」と「省電力」は、よく引き換えになります。

同じ設計図からつくったチップも、まったく同じにはなりません。少し速めにできたものは、たいていリークも多めです。そして、温度が高いほどリークは増えます。

待機電流とは？

チップ全体が、電源は入っているのに何もしていないとき、電源から流れ込む電流のことです。このときスイッチはほとんど切り替わらないので、残るのはおもにリークです。

	動いているときの電力	何もしていないときのリーク
いつ使われる	スイッチが切り替わるとき	電源が入っているかぎり、毎秒
何で決まる	仕事の量、切り替えの速さ、電圧の高さ	スイッチの閉じぐあい、スイッチの数、温度

補聴器や腕時計、センサーが待機電流を気にするのはなぜ？

共通点が2つあるからです。電池が小さいこと、そしてチップの全体や一部が待っている時間が長いことです。

多くのセンサーは、ほとんどの時間眠っていて、ときどき目を覚ましては測ってデータを送り、また眠ります。電子式の腕時計も、ほとんどの時間はただ時を刻んでいるだけです。「待つ」時間が「働く」時間よりずっと長いので、使う電気全体のうち、待機の分が大きくなりがちです。

補聴器は、音を聞き取りやすくするための小さな機器です。つけているあいだは、ずっと音を拾って処理しています。でもチップの中のすべての部分が、いつも忙しいわけではありません。手のあいている部分も、リークは続けています。電池はたいてい小さな空気亜鉛電池1個で、数日から1〜2週間ほどもちます。電池の大きさや機種、1日に何時間つけるかで変わります。

おおまかに言えば、電池のもちは「電池にたまっている電気の量」を「平均して使い続けている電気の量」で割ったものです。平均で1割多く使えば、だいたい1割早くなくなります。チップのリークが少し増えるたびに、電池のもちは少し短くなります。

チップの設計では、どうやって電気を節約する？

やさしく言うと、よく使われるのは次のような方法です。

• 使わない部分を止める：チップには、メトロノームのような信号があり、クロックと呼ばれます。スイッチはその拍子に合わせて切り替わります。使わないブロックの拍子を止めれば、切り替えの電力が浮きます。ただし電源は入ったままなので、リークは続きます。
• 使わないブロックの電源ごと切る：電源そのものを切れば、リークも止まります。そのかわり、使うときにまた立ち上げるのに少し時間がかかり、切る前には覚えておくべきことを保存しておく必要があります。
• 速いスイッチは、ここぞという所だけに：どうしても速さが要る所には、しきい値の低いスイッチを使い、急がない所には、しきい値が高くきっちり閉じるスイッチを使います。
• 電圧はできるだけ低く、ほとんどの時間は眠らせる：全速が要らないときは電圧を下げて少しゆっくり動かし、仕事があるときだけ起こして、終わったらすぐ眠らせます。

半導体工場と後工程工場は、リークをどう見張る？

スイッチがきっちり閉じるかどうかは、つくり方でも決まります。ゲートの下の絶縁膜をどれだけの厚さに成長させるか（拡散炉で成長させるものもあります）、シリコンにどれだけの原子を加えるか（よく使われるのはイオン注入）で、しきい値もリークも変わります。少しずれれば、チップが少し速くなり、リークも少し増えることがあります。だからウェーハが工場を出る前に、半導体工場はWATを行い、TEGで電流やリークを測って、そのロットがずれていないかを確かめます。

ウェーハが届く後工程の工場では、チップが1個残らず試験を受けます（くわしくは「チップはどうテストする？」へ）。問題用紙にあたるのがテストプログラムで、その1問が待機電流です。チップを何もしない状態にして、どれだけ電流が流れ込むかを測り、上限を超えたらはじいて、別のビンに分けます。

上限をどこに引くかは、引き換えの問題です。厳しすぎると良品まではじかれ、歩留まりが落ちます。緩すぎると、リークの多すぎるチップが使う人の手に渡り、電池が長くもちません。

テストで確かめるのは「今どれだけ漏れるか」です。しばらく使ううちに壊れないかは、また別の話で、「バーンインとは？」で書いています。

fab24hrでは

fab24hrのメインストーリー「チップの一生」は、架空の補聴器チップ「Glowmere」の物語です。ボタン電池1つで動くので、みんながいちばん恐れているのは、待機中のリークです。

第10章「待機電流」では、あなたは後工程工場のテストエンジニアです。量産の最初のウェーハが届いたばかりで、ビンでいちばん多い不良は「待機電流が高すぎる」。ウェーハの外周のリングに集まっていて、ちょうど上限のあたりにかかっています。顧客のプロダクトエンジニアのLeoは、自分たちの広告は「電池1個で、何日も長くもつ」の一文だと言います。上限を厳しくするか、緩めるか、それとも開発ラインのFFコーナーの数値で決めるか（第1章でFFを流さないことにした場合は、この選択肢はありません）は、あなたが決め、テストプログラムに書き込みます。

終章は第13章「父の手に」です。あなたはシェンさんの父。古い補聴器は電気をよく食い、おととい替えた電池が、夕方にはまたピッ、ピッと鳴りました。娘が新しい1台を持って帰ってきて言います。「すごく省エネなの。同じ電池で、何日も長くもつんだよ。」夜10時半、以前なら古い補聴器はとっくに静かになっていた時間に、台所で話す妻の声が、居間まで聞こえます。第10章で上限を緩めていると、3か月後、電池のもちが約束より何日も短い補聴器が出て、返品されてきます。

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「後工程工場」を押し、左右にスワイプしてテストエンジニアにすると、朝のシフトが第10章のシフトです。午後のシフトでは、待機電流が上限には収まっているのに、まわりより一段高いチップが3個あり、別にはじくかどうかも決めます。

ゲームの会社・チップ・人物・数字は架空です。「何日も長くもつ」は物語の中のせりふで、実在のどの製品の数字でもありません。リークと待機電流については、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。