シミュレーション活用で米国へのチップ製造回帰を実現する

マイクロチップは常に現代社会にとって重要でしたが、2022年のサプライチェーンショックまで、政府や産業界はその世界経済における重要性を実感していませんでした。供給不足は非常に深刻で、産業界は大規模な組立ラインを停止せざるを得ませんでした。

では、なぜマイクロチップが世界経済にとってこれほど重要なのでしょうか？簡単に言えば、マイクロチップは現代のテクノロジー産業の基盤であり、パソコン、スマートフォン、キッチン家電、車、医療機器、さらには一部の家庭用ペットの識別まで、あらゆるものに不可欠です。

しかし、この重要性にもかかわらず、実際に機能するマイクロチップを製造できる国はごくわずかです。この取り組みは精密工学と技術革新の限界に挑むからです。マイクロチップ製造は資本集約的な産業であるだけでなく、物理学、材料科学、電気工学などを含む高度に専門的なスキルを持つ労働者が必要です。

さらに、マイクロチップが製造される施設（ファブ）は、生産プロセスに厳格な環境条件が求められます。具体的な温度や湿度を維持し、汚染をできるだけ最小限に抑える必要があります。

たとえ完璧な条件が整っても、製造プロセスは複数の工程からなり、すべての工程を完璧に実行しなければなりません。ミスがあればマイクロチップは使い物になりません。

さらに、技術の進歩により、より小型で高効率なチップが求められ、ファブにさらなるプレッシャーがかかります。特定世代のマイクロチップの製造をマスターした時点で、需要不足によりすでに時代遅れになることもあります。

このような巨大な障壁により、規模でのマイクロチップ製造は多くの国にとって、資金力が豊富な国でさえも困難な課題となります。

世界的なテックスーパーパワーであり半導体設計のリーダーである米国でさえ、マイクロチップ製造においてはトップではなく、その coveted な地位は台湾が占めています。これは、台湾が数十年にわたる半導体製造への投資と、Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ) のような企業の存在によるものです。

これらの複雑さは、マイクロチップに関して自立を達成することの難しさを示しています。しかし、最近公開された記事によると、米国エネルギー省プリンストンプラズマ物理研究所の科学者は、マイクロチップ製造に使用されるプラズマプロセスのシミュレーションを大幅に改善するコンピュータプログラムを開発しています。

これらの新しいアルゴリズムは、精度と効率の面で従来のシミュレーション手法を上回り、マイクロチップの生産プロセスを迅速化し、結果としてチップ製造を米国に戻すのに貢献します。

二重アプローチ

プリンストンプラズマ物理研究所は同時に2つの研究を実施し、目的に応じて焦点領域が異なっていました。

• 最初の研究は、これらのシミュレーションの精度向上に焦点を当てました。
• 2番目の研究目標は、マイクロチップ製造に使用されるプラズマリアクターのシミュレーション時間枠を短縮することでした。

プラズマシミュレーションにおける速度と精度の必要性

マイクロチップを作成するためにシリコンウェハに刻まれる複雑なパターンは、主にプラズマリアクターを使用して生成されます。このプロセスは、電荷を帯びたガスであるプラズマの挙動に依存しており、目的の結果を得るために慎重に制御する必要があります。

従来、プラズマプロセスを刺激して結果を予測し、生産方法を改善することは、骨の折れる時間のかかる作業でした。ここでPPPLの最初の研究が登場します。これらのシミュレーションに必要な時間を大幅に短縮できるコンピュータアルゴリズムを作成することで、この状況を変えようとしています。

そして彼らは成功しました。チームはシミュレーション期間を数週間から数日、さらには数時間に短縮し、重要な詳細を犠牲にしませんでした。PPPLの科学者がどのようにそれを実現したかというと、歴史を振り返り、特に1980年代に作られた古いアルゴリズムを洗練させて望む結果を得ました。

シミュレーション精度への取り組み

第2の研究ラインでは、PPPLの研究者チームがシミュレーション精度の問題に取り組みました。プラズマの挙動が複雑であるため、シミュレーションが実際の反応を正確に再現することは、効率的なマイクロチップ生産手法にとって重要です。しかし、無数のプラズマ粒子の挙動を正確にシミュレートするための大規模な計算が必要であることは、歴史的にかなり困難でした。

この課題に対処するため、PPPLの研究チームはシミュレーションにおけるプラズマ粒子の表現を簡略化しました。各粒子を個別に考慮するのではなく、より大きく扱いやすいエンティティにまとめる手法を開発しました。このアプローチは計算負荷を大幅に削減し、より迅速で利用しやすいシミュレーションを実現します。

しかし、当初はこの簡略化によりプラズマ挙動の真のダイナミクスが歪むリスクがあり、予測精度が低下する可能性がありました。この障壁を克服するため、研究者はシミュレーションのパラメータを調整し、粒子クラスターをより大きく、密度を低くしました。この変更により、粒子間相互作用が実際のプラズマにより近くなるため、シミュレーションの予測が正確に保たれます。

精度と簡略化のこの慎重なバランスは、マイクロチップ製造プロセスを大幅に向上させる可能性を秘めています。

変革の触媒

PPPLの研究は技術領域を超えて重要性を持ち、特に米国にとって世界の半導体市場の戦略的ダイナミクスに影響を与えます。結局のところ、この発見はマイクロチップ製造にかかる時間とコストを削減できるツールを提供することで、米国全体のマイクロチップ製造の風景を再定義する可能性があります。市場リーダーシップがイノベーションの速度に左右される業界において、生産プロセスを迅速に適応・改善できる能力は極めて重要です。

さらに、先進的なシミュレーションツールの利用可能性は、米国のスタートアップや中小企業が既存のグローバル大手とより効果的に競争できるようにし、競争の場を平等にします。これにより、より多くの企業が市場に参入し、マイクロチップの設計・製造に新しいアイデアや手法を提供することで、米国半導体セクターにイノベーションの波が起こる可能性があります。

国家安全保障と経済的レジリエンスの強化

現在の世界的な混乱と地政学的緊張はサプライチェーンを脆弱にしています。マイクロチップのような重要部品を他国に依存することは国家的リスクをもたらします。米国は2022年の半導体供給ショックでこのリスクの大きさを認識し、マイクロチップ供給の中断が米国テック産業の世界的支配に深刻な影響を与えると結論付けました。

PPPLの研究は、CHIPS法など、米国の半導体産業における支配力回復を目指す広範な政府イニシアチブと一致しています。2022年8月9日にCHIPS and Science Actとして制定され、国内半導体製造を強化し、外国依存を減らすために約2800億ドルの資金が割り当てられました。この資金は研究開発、国内製造インセンティブ、サプライチェーン強化策を支援します。

半導体能力の確保と活性化への転換は、経済的レジリエンスと国家安全保障を維持するだけでなく、製造と技術の次なる革命—Industry 4.0—への道を切り開く重要なステップでもあります。

Industry 4.0の重要な柱を構築する

IBMはIndustry 4.0を、スマート製造が中心的役割を果たすものと捉えています。言い換えれば、Industry 4.0は製造分野をデジタル変革し、リアルタイムで意思決定を行い、生産性を向上させ、最終的に生産・流通プロセスを最適に柔軟かつ機敏にすることを目指しています。

米国がIndustry 4.0のリーダーになるためには、マイクロチップは不可欠です。Goldman Sachs (GS ) の調査では、マイクロチップの不足が医療技術、農業機械、家電、エネルギー、企業向けなど、最大169の産業に影響を及ぼす可能性があることが示されています。例えば2021年、世界的に評価の高い自動車メーカーRenaultは、マイクロチップ不足のため50万台の生産ができませんでした。

この脆弱性は、先に述べた台湾への依存度が高まることで、COVID-19パンデミック時に起きたようなサプライチェーンの突然の中断を意味し、システム全体が崩壊する危険性があることを示しています。

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米国のマイクロチップ生産の未来

米国は、レジリエントで自立した経済的未来においてマイクロチップがいかに重要かを十分に認識しています。この認識により、最高水準のマイクロチップを生み出すシステムの推進へと導かれました。

例えば、ジョージ・ワシントン大学と他4つの学術研究パートナーは、米国商務省国立標準技術研究所（NIST）、Google、半導体メーカーSkyWater Technology (SKYT ) と協力し、研究者やスタートアップ向けに「国内で手頃なマイクロチップ供給」を開発しています。

この協力は、コミュニティ内で配布される数百のマイクロチップを搭載できるシリコンウェハの製造を目指しています。研究者は、事前に平坦化されたチッププラットフォームにアクセスでき、’統合に適し、コミュニティ内の他のデバイスと比較して新規デバイスの性能をベンチマークすることが可能’です。

GW工学応用科学部 電気・コンピュータ工学部門の助教授Gina Adamによれば、このパートナーシップは以下を提供します：

「米国がマイクロチップ生産の国内回帰に戦略的焦点を移す中で、ナノテクノロジーと半導体デバイス分野の進歩に必要な研究インフラ」

国内のマイクロチップ生産を強化するため、米国政府はアリゾナ本社のMicrochip Technology (MCHP ) に1億6200万ドルの投資計画を発表しました。企業、米国政府、同社の協力は、拘束力のない予備的覚書（PMT）形式で行われます。

米国政府は「連邦インセンティブ」として数百万ドルを提供し、2つの流れに分配します：90百万ドルは同社のコロラドスプリングス製造施設の近代化と拡張に、残りの72百万ドルはオレゴン州グレシャムの施設拡張に使用されます。

同様の資金として3500万ドルが以前、BAE Systems (BSP.DE ) Inc.の事業部門であるBAE Systems Electronic Systemsに提供され、同社のマイクロエレクトロニクスセンターの近代化を支援することが目的でした。

要約すると、米国は政策レベルでも実行レベルでも、国内のマイクロチップ生産を促進するために顕著に活動しています。そして、これほどの活力と強度で活動する理由は十分にあります。コンピュータ、スマートフォン、車の供給ラインが乱れないことは不可欠です。すでに見たように、マイクロチップの存在は国家安全保障メカニズムとサイバーセキュリティ構造を強化できます。

米国当局の360度アプローチは、製造へのインセンティブ付与、研究開発の奨励、熟練労働力の育成、国際情報通信技術の安全性と半導体サプライチェーンに関する活動の強化の必要性を考慮しています。

米国当局がマイクロチップ生産を国内で繁栄させるために投資する用意がある数十億ドルは、世界的なプレーヤーも引き付けています。

例えば、地図上で最大かつ最も重要なプレーヤーであるTaiwan Semiconductor Manufacturing Company（TSMC）は、アリゾナに半導体製造工場を建設するために120億ドル以上を約束しています。Intel (INTC ) はオハイオ州に200億ドル規模の半導体製造工場を建設する計画を持っています。Micron Technology, Inc. (MU ) はさらに野心的な計画を持ち、今後20年で最大1000億ドルを投資してニューヨーク州北部に大規模な半導体工場を建設することを提案しています。

これらすべてのイニシアチブと行動計画が整っている以上、米国がマイクロチップ生産の競争で遅れを取る理由はありません。しかし、世界の近代チップ製造の約4分の3を占める東アジア諸国と競争するためには、米国は堅牢な人材とサプライチェーンのパイプラインを構築しなければなりません。また、需要を把握し、過剰供給や余剰在庫のリスクから保護する必要があります。さらに、適切な種類のチップ生産を優先することに焦点を当て続けるべきです。

Center for Strategic and International Studiesのシニアアドバイザー、Scott Kenedyによれば：「米国は米国の国家安全保障に直接関係する特定の種類のチップの生産を拡大する必要があります。」

米国がマイクロチップ製造を増やし、しかも最適な方法で実現できるかどうかは、注視し続ける必要があります。