世界経済評論IMPACT（世界経済評論インパクト）

TSMCの線幅３nm技術：Rapidusの挑戦

朝元照雄

（九州産業大学 名誉教授）

2023.02.13

　半導体のサプライチェーンは，1970年代ごろは設計，製造，封止を一社で行うIDM（垂直統合型）が主流であった。その代表はインテル，サムスン電子および日系企業などであった。残念なことは，90年代以降，日本企業は半導体競争で後れをとるようになった。

　しかし，1980年以降，TSMC（台湾積体電路製造）の創業者張忠謀（モリス・チャン）は独創的な半導体の製造委託専門のビジネスモデルを開発した。モリス曰く，「台湾は半導体サプライチェーンの川下にあたるブランド力や販売領域，または川上の部品の開発やソフト設計領域（ファブレス）では，欧米と戦うには勝ち目がない」。「しかし，台湾人は手先が器用のため，製造委託に特化したファウンドリービジネスに，全力を投入すると，一席の地位を保てる」と指摘した。それが，工業科学技術研究院（ITRI）からスピンオフ時に選択したビジネスモデルであった。そして，TSMCは「世界最大のファウンドリー企業」として認識されるに至った。

　ムーアの法則（Moore’s law）とは，集積回路あたりの部品数が平均1.5年～２年に２倍になると予測し，大規模集積回路（LSI IC）の製造・生産における長期傾向について論じた１つの指標であり，経験則による将来予測である。１枚のチップ（a chip）に集積される部品数（トランジスタの個数）は，プロセスの微細化とチップ面積の拡大の２つの要素の掛け合わせで増加する。ムーアの法則の公式は，集積回路上のトランジスタ数は「２年ごとに倍になる」というものである。

　原則上，TSMCはムーアの法則に沿って，2年ごとに次の線幅の微細化に向かっている。近年，TSMCがアップル向けのiPhoneに搭載される半導体チップからも検証することができる。2016年のiPhone7のA10の線幅は16nm（ナノメートル），2017年のiPhoneX/8のA11は10nm，2018年のiPhoneXSのA12は７nm，2019年のiPhone11のA13は７nm+EUV，2020年のiPhone12のA14は５nm+EUV，2021年のiPhone13のA15は５nmプラス，2022年のiPhone14のA16は４nm，2023年のiPhone15のA17は３nm（予定）である。この趨勢によると，2025年のiPhone17は２nmを予定している。線幅の微細化が「ムーアの法則の極限」に迎え，１nm以下になると，Å（オングストローム，１Å=0.1nm）という原子や分子の大きさ世界に入り，真の「極限から終焉の世界」を迎える。

　2022年８月に，日本の主要企業８社の支援を受けて設立されたRapidus（ラピダス）は，2020年代後半にプロセス・ルールが２nm以下の先端ロジック半導体の開発・量産を行うことを目指している。しかし，現在のTSMCの実力の線幅３nmの世界は，コロナウイルスの大きさの10nmよりも３分の１以下の大きさ，私たちの髪が１秒間に生える長さは３nm，爪が３秒に生える長さが３nmであることを考えれば，現在のTSMCの技術力は，既に肉眼では見ることができない（電子顕微鏡しか見えない）「神業」の領域に達している。

　現在，TSMCの３nmの顧客は，主にアップル，Nvidia（エヌビディア），AMD（アドバンスト・マイクロ・デバイセズ），インテルなどで，AI（人工知能）半導体，CPU（中央演算処理装置），GPU（グラフィックス・プロセッシング・ユニット）の製造に限られている。現在のスーパーコンピューターや米国防省向けのF-35戦闘機やミサイルなど軍用チップも，線幅５nmや７nmを使用する。TSMCは創業初期に半導体チップを製造することができたが，実績がないため受注が少なく，業績は芳しくなかった。「台湾政府の支援100億台湾元をかけた計画は失敗したか」と業界や世論から厳しい批判を受けた。

　サムスン電子は2022年６月末に線幅３nmチップを世界初の量産化したと発表したが，それ以降，稼働率（良品率）が芳しくなく，TSMCの３nmの量産化は2022年第４四半期からであるが，「TSMCの３nmチップの良品率は今の５nmチップに遜色がない」と株主説明会で発表があり，上記に述べた顧客から多くの受注を集めている。

　サムスン電子の線幅３nmチップは「GAA（Gate All Around）」構造で，TSMCの３nmチップは「Fin FET（Fin Field-Effect Transistor）」構造である。「Fin」とは魚の鰭（フィン）を縦に立つ構造であり，TSMCの５nm，４nmと３nmが使われ，２nmになると「GAA」構造を採用する。そういう意味で線幅２nmになると，TSMCとサムスン電子の真なる競争になる。

　現在，日本で使われる半導体は，主には線幅28nmの家電やEV（電動自動車）であり，最先端の３nmの半導体ではない。これはTSMCが熊本県菊陽町に設けた線幅28nm～12nmの工場であることからもわかる。前述で述べたように，このテンポで進めると，TSMCは2025年に「２nmの世界」に入る。Rapidusが２年後の2025年にTSMCに追いつくことは不可能ではないが，極めて困難であろう。

［参考文献］

• 朝元照雄「世界最大半導体受託企業TSMCの技術力：熊本県菊陽町に新工場設置を決定」『世界経済評論』通巻718号，2022年Vol.66，No.1，1・2月号。
• 朝元照雄『台湾の企業戦略』勁草書房，2014年，第１章「台湾積体電路製造（TSMC）の企業戦略」を参照。
• 朝元照雄「なぜ，TSMCが世界最大のファウンドリーになったのか」世界経済評論Impact No.2713，2022年10月17日。
• 朝元照雄「半導体産業サプライチェーンの解明：供給面からの考察」世界経済評論Impact No.2699，2022年10月３日。
• 朝元照雄「TSMCの６大顧客：iPhone14はN4Pを決定」世界経済評論Impact No.2517，2022年４月25日。