コンピューティング
ニオブリン酸塩が材料の弱点に対処し、データセンターの効率を向上させる可能性
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ナノチップに必要な新しい導体
When producing advanced computer chips, the main technological focus has been on reducing the size of transistors and creating more advanced forms of semiconductor materials. This has been the driving force behind the success of companies like TSMC (TSM ), 現在、3nm あるいは 2nm（ナノメートル）スケールのチップノードに到達しつつある企業.
しかし、このスケールになると、半導体とは無関係の新たな課題が出てきます。その一つは、銅のような従来の導体材料は金属ワイヤが極端に細くなると電気伝導性が低下することです。
これによりチップ内部の電流にボトルネックが生じ、計算能力と全体的な効率が低下し、過熱も引き起こされます。
したがって、スタンフォード大学、韓国・水原のアジュ大学、そして IBM Watson 研究センターの研究者らが、これらの条件下で銅よりも優れた電気伝導性を持つ超薄型材料を開発したというニュースは重要です。
They published their discovery in the prestigious scientific journal Science, titled “超薄型非結晶 NbP 半金属における表面伝導と電気抵抗率の低減1”.
コンピューティングにおける銅の代替
比較的低価格で優れた電気伝導性を持つため、銅は電気接続の主要金属であり、バッテリーや電力網などでも重要な金属です。
しかし、50nm 未満のナノスケールでは銅の伝導性が低下するため、研究者はしばらく前から代替材料を探しています。問題は、ナノスケールで機能する既知の導体は極めて精密な結晶構造を必要とし、非常に高温で形成しなければならないことです。
この高温は半導体やチップには適さず、脆弱なシリコン部品を破壊してしまいます。
So, the race was on to find an ultrathin conductor that did not rely on single-crystalline films.
ニオブリン酸塩
研究者はニオブリン酸塩を用いました。この材料は超高速電子や非常に高い磁気抵抗など、独特の電気特性を示すことで知られており、すでにレーザーや高出力・高周波の用途で使用されています。
ニオブリン酸塩はトポロジカル半金属と呼ばれます。これは、材料全体が電流を流すことができる一方で、表面の方が内部よりも導電性が高いことを意味します。
概念を簡略化すると、ニオブリン酸塩の層が薄くなるほど表面部分が増え、ほぼ「中間部」がなくなると言えます。その結果、ニオブリン酸塩が薄くなるほど導電性が高くなると期待できます。
そして、これは研究者が実際に観測した通りでした。
“これらのトポロジカル表面を活用したいのであれば、非常に成膜が難しい高品質な単結晶膜が必要だと考えられてきました。現在、別のクラスの材料—これらのトポロジカル半金属—が、電子機器のエネルギー使用量を削減する手段となり得る可能性があります。”
これは非常に新しい分野で、物理学者がトポロジカル半金属の実験を始めたのは 2015 年以降です。また、5nm 未満の薄膜はこれまで作られたことがありませんでした。
コンピューティング応用向けの低温
低温であることは、ニオブリン酸塩がやや無秩序で、アモルファス基体中にナノ結晶が散在していることを意味します。
出典： Stanford Report
さらに分析すると、高い導電性は超薄膜の表面にある導電チャネルによってもたらされているようです。
この膜はわずか 400°C（752°F）で堆積でき、コンピュータチップ内の近くのシリコントランジスタを損傷させない低温です。したがって、低抵抗で熱生成も少ないチップ内部コンポーネントの接続に理想的な材料となります。
“完璧な結晶ワイヤを作らなければならない場合、ナノエレクトロニクスには適用できません。
しかし、もしそれらをアモルファスまたはやや無秩序にしても必要な特性を維持できるなら、実用的な応用への道が開かれます。”
Yuri Suzuki – 応用物理学教授
高い導電性
通常のニオブリン酸塩膜と比較すると、5nm の薄膜は 6 倍の導電性を示しました。これは銅などの一般的な金属よりも低い抵抗です。
厚さ 1.5nm の場合、材料は銅の 2 倍の導電性を示しました。
したがって、これはナノスケールで通常の金属の導電性を上回る、非結晶・低温導体の真に初めての例です。
出典： Stanford Report
“極めて高密度なエレクトロニクスには非常に薄い金属接続が必要で、もしそれらの金属が十分に導電しなければ、多くの電力とエネルギーが失われます。
より優れた材料は、細い配線でのエネルギー消費を減らし、実際の計算に使うエネルギーを増やすことができます。”
Eric Pop – 電気工学教授
次のステップ
次のステップは、実際のチップでニオブリン酸塩ワイヤがナノエレクトロニクスに適用された際の導電性だけでなく、信頼性や製造プロセスへの統合性をテストすることです。
そのためには、まずスケールアップしたニオブリン酸塩ナノワイヤの製造が必要です。
さらに、他の半金属がニオブよりも優れた性能を発揮できないか検証する作業も行われます。
“将来的にこのクラスの材料が電子機器に採用されるためには、さらに優れた導体である必要があります。そのため、代替のトポロジカル半金属を探索しています。”
Xiangjin Wu – スタンフォード大学の博士課程学生
熱除去は現在、これらのデータセンターにおいて計算と同等に大きな電力を消費するプロセスの一つです。特に、AI 訓練や最も高度な計算に必要な 5〜3nm チップでは顕著です。
したがって、長期的にはナノスケールで導電性を持つ材料が不可欠となります。熱生成が先進的なチップを使用するデータセンターでますます大きな問題となっているからです。
また、超薄型ニオブリン酸塩膜は、レーザーや通信機器など、既にこの材料が使用されている先端技術分野でも他の応用が見込まれます。
先進導体材料への投資
先進的なチップや半導体部品が小型化するにつれ、業界は TSMC (TSM ), Intel (INTC )、Nvidia (NVDA ) といった数少ない大手メーカーに集中しています（各社の詳細レポートはリンクをご参照ください）。
多くのブローカーを通じて半導体関連企業に投資でき、securities.io では、米国、カナダ、オーストラリア、英国、およびその他多数の国々における最適なブローカーの推奨リストをご覧いただけます。
あるいは、より分散投資を希望する場合は、iShares Semiconductor ETF (SOXX)、VanEck Semiconductor ETF (SMH)、Global X Semiconductor ETF (SEMI) などの半導体関連 ETF に投資できます。
半導体製造装置のサプライチェーンと主要企業については、“製造支援のためのトップ10半導体装置株” でも詳しく学べます。
先進材料企業のコンピューティング
IBM 価格チャート
International Business Machines Corporation (IBM ) （IBM）は、最初のメインフレームコンピュータの商業化を牽引した主要企業でした。また、スタンフォードの研究者とニオブリン酸塩プロジェクトで協力した主要な産業パートナーでもあります。
同社は、Apple (AAPL ) 、TSMC、NVIDIA など他のテック大手に比べて生産量で遅れを取っています。
しかしながら、同社は新しいコンピューティング材料と技術の開発の最前線に立っています。
IBM は導電技術の進歩の最前線にあり、トポロジカル半金属はその分野の一つです。したがって、超薄型導体だけでなく、高温超伝導体でも先行しています。
このような超伝導体は量子コンピュータにとって重要です。最近、IBM はクロスレゾナンスゲート技術に基づく 1,121 個の超伝導量子ビットを持つ量子プロセッサ “Condor” と、最先端の量子プロセッサ “Heron” を開発しました。
出典： IBM
IBM はほとんどの他の最先端イノベーションにも関与しており、導電性有機材料、ニューロモーフィックコンピューティング、光子技術、などを含みます。
ある程度、IBM は新しいコンピューティング手法を開発し、業界にライセンス提供する“特許会社”となっています。
これまでのところ、IBM はシリコン以外のコンピューティング手法に関する重要特許をできるだけ多く保有しようと熱心であり、半導体産業を現在の巨大企業へと成長させた過去の成功を再現しようとしています。
ニオブリン酸塩やその他のトポロジカル半金属関連技術は、この戦略に適合します。IBM はこれらのケースで銅を置き換える技術を開発し、製造工程で大手チップファウンドリにライセンス提供することが考えられます。
研究参考文献：
1. Khan, A. I., et al. (2025). 超薄型非結晶 NbP 半金属における表面伝導と電気抵抗率の低減. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096
