ニュースの「成熟プロセス」とは？ 何世代も前のチップが、なぜ今も大事なのか

ニュースの「成熟プロセス」とは、何年も量産されてきた、古い世代のつくり方のことです。「成熟プロセスの半導体が不足」「成熟プロセスは供給過剰」「成熟プロセスの生産能力を増強」は、どれもこのつくり方でつくるチップの話です。「2ナノ」「3ナノ」のような名前は、プロセスの世代を表します（名前の由来は「ニュースの「2ナノ」、いったい何が2ナノなのか？」で説明しています）。いちばん新しい何世代かを先端プロセスと呼び、何世代かさかのぼって、工場が長くつくり慣れているものを成熟プロセスと呼びます。ニュースでは「レガシー半導体」とも呼ばれます。

何ナノからが「成熟」？ 先端プロセスとの境目は？

統一された線はありません。よくある言い方のひとつは、28ナノと、それより古い世代を成熟プロセスとするものです。もっと新しい世代に線を引く人もいます。

この線は時間とともに動きます。いまの先端プロセスも、何年かたって新しい世代が出てくれば、だんだん成熟プロセスになっていきます。

「成熟」とは、装置も材料も、ひとつひとつの工程も何年も使われてきた、ということです。起こりうる問題はほとんど見つかって解決ずみで、生産は安定し、良品の割合（歩留まり）も高い。つくりはじめたばかりの新しい世代は、その逆です。

なぜ全部を最新の世代でつくらないの？

最新の世代のよさは、同じ広さにスイッチ（トランジスタ）をより多く入れられ、速く、省電力になることです。スマホやパソコンで計算を受け持つプロセッサや、AIチップには、これがいちばん必要です。

でも、多くのチップは仕事が違います。スイッチはそれほど多くいりません。必要なのは別のものです。

• 高い電圧と大きな電流：充電器や電源のチップは、コンセントや電池の電気を、各部分が使う電圧に変えます。電圧が高く電流が大きいほど、スイッチは大きく、中の絶縁の層も厚くしなければなりません。最新の世代のスイッチは小さく薄いので、とても低い電圧でしか使えず、電圧が高いと、絶縁が突き破られてしまいます。
• 暑さ、寒さ、長い年月：車のチップは、車が冬の屋外に止めてあっても、夏のエンジンのそばにあっても、ちゃんと動かなければなりません。車、工場の機械、医療機器は、何年も使われます。
• 安く、安定して、ずっと買える：家電1台、車1台にはたくさんのチップが使われ、1個1個が安くなければなりません。同じチップが何年たっても買えることも大事です。チップを1個替えると、機械全体をもう一度テストし直すことが多いからです。

こうした仕事は、古い世代のつくり方で十分に、安定して、安くこなせます。

アナログのチップは、なぜ小さくしたがらないの？

チップには、アナログという大きな仲間があります。アナログのチップが扱うのは、0と1だけの信号ではなく、なめらかに変わるもの。音の大きさ、温度、光の明るさ、電池の残りなどです。センサー、電源のチップ、無線の信号を送受信するチップには、アナログ回路がたくさん入っています。

アナログ回路は、小さくしてもあまり得をせず、かえってつくりにくくなることもあります。

• 最新の世代は電圧がとても低いので、信号が上下に振れる幅が小さくなり、少しの雑音でも大きく見えます。とても小さな声で話す人の言葉が、まわりのわずかな物音で聞き取れなくなるのと同じです。
• アナログ回路には、抵抗やコンデンサのような部品がよく使われます。その大きさは必要な値で決まるので、スイッチが小さくなっても、いっしょには小さくなりません。

だから多くのアナログのチップは、古い世代のつくり方のままです。

古いつくり方は、なぜ安いの？

おもな理由は3つあります。

1. 装置の償却が終わっている。工場の装置はとても高く、買ったあとは毎日、減価償却で価値が減っていきます（「半導体工場はなぜ24時間止まらないのか」で説明しています）。古い世代のチップをつくるラインの多くは何年も動いていて、装置の代金はもう償却し終わっています。いまは1枚つくるごとに負担する分が、ずっと少なくてすみます。
2. 工程が少ない。新しい世代ほど、1つのチップが通る工程が多く、つくるのも難しくなります。古い世代は道のりが短めです。
3. つくり慣れている。歩留まりが高く、思わぬトラブルが少ないので、廃棄も少なくなります。

電源、アナログ、センサーのチップをつくるラインの多くは、いまも直径20センチ（8インチ）のウェーハを使っています。最新のラインでよく使われる30センチより、ひと回り小さいサイズです。

使われているものは、どのくらい？

とても多いです。車、家電、充電器、工場の機械、医療機器、ネットワーク機器の中には、成熟プロセスでつくったチップがたくさんあります。新しめの車には、チップが千個以上入っていることもあり（数え方によります）、その多くがこのつくり方でつくられています。

スマホも同じです。計算を受け持つプロセッサは最新の世代のことが多い一方、そのまわりで電源や充電、センサーを受け持つチップには、成熟プロセスのものがたくさんあります。

ニュースは、なぜ不足と言ったり、供給過剰と言ったりするの？

需要はすぐに変わるのに、生産能力はゆっくりしか変わらないからです。

需要は一気に増えることがあります。みんなが同じ時期にある製品をたくさん買う、あるいはみんながチップを少し多めに在庫しておきたくなる。でも、生産能力はすぐには追いつきません。いまの工場にラインを増やすにも、装置を手に入れて、据えつけて、安定するまで調整しなければならず、数か月以上かかることもよくあります。新しい工場を建てるのはもっと時間がかかり、年単位の話です。装置に空きがあっても、ウェーハ1枚がウェーハ投入から完成するまでに、数週間から数か月かかります。

車は、小さくて高くないチップが1個足りないだけで、組み上がりません。だから成熟プロセスのチップが不足すると、影響を受けるのはとても大きなものになりがちです。

逆の場合もあります。不足しているあいだはみんながラインを増やし、何年かあとにいっせいに完成します。そのころ需要が落ち着いていれば、ラインが余り、工場どうしで注文の取り合いになって、ニュースは「供給過剰」と言います。不足と余りは、こうして交互にやってくることがよくあります。

成熟プロセスは、いずれなくなるの？

なくなりません。先端プロセスとは役割分担で、新しいものが古いものに取って代わるわけではありません。スイッチをいちばん多く詰めこみたいチップは先端プロセス、電圧に耐え、長持ちして、安くあってほしいチップは成熟プロセス。1つの製品の中に、両方あることもよくあります。

成熟したつくり方も、まだ改良が続いています。もっと省電力のもの、もっと長持ちするもの、機能をひとつ足したものが出てきます。ニュースの先端パッケージでも、いちばん必要な部分を最新の世代で、ほかの部分を古い世代でつくって、ひとつにまとめることがあります（「ニュースの「先端パッケージ」」で説明しています）。

次にニュースで見たら、こう読める

• 「成熟プロセスの半導体が不足」：古い世代のつくり方でつくるチップが、ラインでつくれる数より多く求められている。小さなチップがいくつか足りないせいで、車や家電の完成が遅れるかもしれない。
• 「成熟プロセスは供給過剰」：このチップをつくれるラインが、必要な分より多く、工場どうしで注文を取り合っている。
• 「成熟プロセスの生産能力を増強」：古い世代のつくり方でチップをつくるラインを増やす。車や家電、電源に使うようなチップです。
• 「先端プロセスと成熟プロセス」：一方はスイッチをいちばん多く詰めこむ最新の何世代か、もう一方は何年もつくられてきた、安定して安い古い世代。両者がつくっているのは、違うチップです。

fab24hrでは

ゲームの工場は架空で、何ナノなのかは言っていません。メインストーリー「チップの一生」は、補聴器用チップ「Glowmere」を追いかけます。「工場の一日」で開発ラインの炉の開発プロセスエンジニアになると、昼シフトでこんな一文を読みます。Glowmereが使うのは成熟した世代のプロセスで、トランジスタはいちばん小さい種類ではない。このチップがいちばん気にしているのは、別のことです。第10章「待機電流」で、顧客のレオは、待機電流がこのチップでいちばん大事な数字だと言います。電池1個で、何日も長くもたせたいからです。待機電流とは、チップが待機しているあいだも流れている電流のこと。オフのスイッチからリークする分も、そこに含まれます。成熟した世代でも、開発ラインはこのチップのために新しい条件を調整し、新しい工程を試しています。ゲームに出てくる会社・チップ・人物は架空です。成熟プロセスとは何か、なぜ今も大事なのかは、公開されている一般的な資料をもとに書き、統一された数字がないところは一般的な言い方にとどめています。ほかの業界用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」で調べられます。