1990年、NHKが「電子立国日本」と持て囃した半導体業界に 30年ぶりでスポットライトが当たっています。舞台に立っているのは最先端製造技術ですが、ここでは、半導体の設計の話題を文書化したいと思います。2023年12月3日にアップした「PDK今昔物語」、2024年8月1日にアップした「半導体ビジネスの定性的コスト分析論」に続く設計関連の話題となります。お陰さまで、多くの方にアクセス頂きました。半導体に関係する方々の、設計方面にかかる理解の一助になったなら大変うれしいです。
今回は「作りたい半導体、使いたい半導体」と題して、半導体デバイス設計における課題に関して、わかり易く説明したいと思います。半導体設計者だけでなく、半導体を使った装置やシステムを設計・企画する方々にも参考になる内容として膨らましていますので、ご笑読頂ければ幸いです。
なお、本内容は、過去の業務経験を元にした、個人的意見・見解の表明であり、いかなる組織を代表したものではありません。
料理に喩えてみる。
最近、経営系の学会誌向けに半導体設計関連の論文を執筆した際に、半導体業界を飲食業界に喩えてみるアイデアが浮かびました。つまり
- 半導体製造装置 ＝ 厨房機器
- 半導体製造技術 ＝ 調理方法
- 半導体加工技術 ＝ 調理技術
- 半導体デバイス ＝ 提供する料理
という感じです。半導体業界では、半導体デバイス（チップ）を作るための、製造装置や製造技術、加工技術等に注目があたりがちですが、飲食業では、厨房機器や調理方法、調理技術等よりも「どのような料理であればお客が喜ぶか？」という点が商売的に重要になります。本来、半導体デバイスにおいても「どのようなチップであればユーザーが使いたいか？」が重要なはずなのですが、何故かあまり注目されません。
これは、過去65年の半導体集積化の歴史において「微細化を進めないと、ユーザーの要求仕様を満足させられない」という時代が長く続いた為に「微細化＝半導体製造業間の競争力の覇道」と認知されています。また、超最先端の微細半導体を製造できる企業が、いまでは、世界中で３社にまで寡占化され、更に、それらの企業を支えることが，国家間のパワーバランスに影響する「半導体」という戦略物資の確保という点から，自国の経済安全保障のために死活的に重要だと判断されているからです。
確かに、AI向けチップの要求仕様を満たす為には、超最先端の微細化製造技術が必要になります。しかし一方で、２０年以上も前の「レガシープロセス」で製造されているチップは、今でも多く存在します。つまり「必要な微細化技術は、ユーザーの要求仕様により異なる」ということの証左です。
料理に喩えれば「必要な厨房機器や調理方法、調理技術は、どんな料理をつくるのかで異なる」という至極まっとうなロジックになります。また、飲食業の経営者は、限られた厨房機器や調理方法、調理技術を使って、お客が喜ぶ料理を考案することを、常に考えているはずです。それこそが、シェフの腕の見せ所だからです。
もちろん、最先端の厨房機器や調理方法、調理技術を使わないと、仕上げられない超高級料理はあるでしょうが、飲食業を営む上で必須の条件ではありません。
シェフの仕事
半導体設計者は、まさしく飲食業のシェフであると言えます。お客=ユーザーの要求に答えて、食べたい料理＝使いたい半導体を設計するのが仕事なのです。また、飲食業と同じく、メニュー（仕様）と調理（実装）のどちらも一流になるのがシェフの目標なはずですが、一般に半導体設計者というと、後者の「調理（実装）」の専門家を指す場合が多い（特に日本で）気がします。「調理（実装）」の専門家であれば、お客が喜ぶ「メニュー（仕様）」も出来るだろうという思い込みがありませんかね？
実際は、「調理（実装）」は一流であっても、味付けや見た目、盛り皿の選択、コース料理の組み合わせや順番等々、「メニュー（仕様）」として、お客が食べたくなる技を疎かにすると三つ星レストランにはなれません。半導体でも同様に、チップのピン配や、インターフェースの選択、動作速度や温度仕様に始まり、システム側のソフト（デバイスドライバー）から見て魅力のある機能等々、使いたくなる仕様を疎かにすると、ユーザーに買って貰えない半導体になってしまいます。
もちろん、逆もまた真なりです。「メニュー（仕様）」が良くても、「調理（実装）」が一流でなければ、お客が出された料理に満足しないのと同様で、ユーザーに使って頂けない半導体になってしまいます。つまり、回路技術やプロセスの選択、アーキテクチャ等の「調理（実装）」の専門家としての習熟も疎かには出来ません。
言いたいのは、メニュー（仕様）と調理（実装）のどちらも一流になるのが半導体設計者の目標であるべきだということです。
美食家たれ！
ラーメン屋の店主は、ラーメンの食べ歩きを欠かさないという話をよく聞きます。イタリアンやフレンチのシェフであれば、海外での食べ歩きを欠かしません。食べ歩きは、「メニュー（仕様）」を磨く為に欠かせないシェフの努力だからです。一流のシェフが美食家であるように、一流の半導体設計者もチップの美食家であるべきですね。
チップの美食家とは、データシートを読み砕く力、チップとソフトを組み合わせてシステムとして構成する経験、性能とコストをバランスする彗眼等々、システムとして必要な要求仕様を実現するための豊かな想像力があるエンジニアだと定義できます。
我が国の半導体が優勢を誇った１９８０年代は、国内電機大手メーカーが製造販売していた家電製品向けの半導体を、自社で設計製造した時代と重なります。必要な要求仕様をシステムとして構想できるエンジニアが社内にいて、それをチップに実装するエンジニアも社内に抱えた IDM(Integrated Device Manufacture)という組織形態が、半導体設計力として最大化出来た時代でした。一方で１９９０年代以降、国内電機大手メーカーの電化製品の企画力や競争力に陰りが見えるのと、時を同じくして半導体製品の競争力も衰退していきました。
当時、半導体大手IDMから分社化した半導体子会社は、先端半導体製造技術を売り物に、社外から半導体製品を受託設計・製造してファブの製造ラインを埋める戦略でしたが、結果として、必要な要求仕様をシステムとして構想するエンジニアの空洞化を招きました。ある意味、設計工場になるべく、チップに実装するエンジニアやその管理に力点が置かれて、チップの美食家を育てるという努力や機会を失いました。
半導体スタートアップの育成や、ファブレスの半導体デバイスメーカーに舵を切った米国の半導体企業が、チップの実装技術力以上に、要求仕様をシステムとして構想するチップの美食家として必要な力で差別化して言ったのと対極の道でした。
作りたい半導体
自らの職歴を振り返って見ても、「調理（実装）」の専門家としての半導体設計者が「作りたい半導体」は、調理（実装）面での優位性や独自性を検証することを目指しがちです。
半導体の設計学会では、消費電力が小さい回路、動作速度や変換精度の向上等の性能指数＝FOM(Figure Of Merit)の優劣が論文や学会発表の評価軸となりますので、勢いそれらの評価軸が上回るアイデアを搭載した半導体を世界に問うことが目標になりガチです。
そのような「作りたい半導体」は、ビジネス的には成功するのでしょうか？動作速度や変換精度等の性能指数的な競争力があっても、要求以上の性能ではコスト的なデメリットにより淘汰されます。
飲食業に例えれば、腕前の良いシェフを雇ったからと言って、そのレストランが大繁盛することは約束されていない。レストランが出店した場所や顧客層に合致したメニューを提供出来なければ店は淘汰されます。
「作りたい半導体」が「使いたい半導体」として、ビジネス的に成功するためには、性能と要求が合致しなければなりません。
使いたい半導体
飲食業と同じく、「メニュー（仕様）」の良し悪し、つまり「使いたい半導体」の仕様面での優位性や魅力度を指数として、その優劣が論文や学会発表の評価軸となることは殆どありません。「使いたい半導体」の優劣は、実際の市場での売上により評価・判断されています。
「メニュー（仕様）」に合致した性能の半導体を「調理（実装）」することが、半導体業界でも重要です。つまりユーザーからのプル（Pull）の情報なしに、半導体設計者の技術の巧拙であるプッシュ（Push）だけの実装は空回りしてしまいます。
日本の半導体業界が３０年をかけて、徐々に衰退したのは、ユーザーからのプル（Pull）の情報の収集に怠けて、設計や製造技術の巧拙であるプッシュ（Push）があれば差別化できると過信したことが原因では無いでしょうか？
日本の製造業の進化と半導体業界の復興のためには、半導体のユーザーである、装置メーカーやシステムメーカー、電子機器メーカーのエンジニアが使いたい「メニュー（仕様）」を要求するプル（Pull）を、シェフである半導体設計者に伝えて受け取るプッシュ・プルの連携が必要です。
- 飲食業で喩えれば、得意客からの注文で生まれる「裏メニュー」ですね。
残念なことに、日本の大手半導体IDMがASICから撤退して以来、独自に仕様を考え出す能力が、国内ユーザー側でも乏しくなっているのが現状では無いでしょうか。
「日々の研鑽」という努力と「失敗しない事」のコスト
「シェフの腕前」や「得意客の目や舌」も、日々の研鑽により培われると同様に、「半導体の設計者の腕前」も「半導体ユーザーの彗眼」も、日々の研鑽により培われます。一方、先端半導体の開発にかかる開発費用が指数関数的に上昇した為に、設計エンジニアの日々の研鑽の機会は失われ「失敗しない事」ばかりに重きが置かれているのが半導体業界の実情です。
半導体の設計者の腕前を養うよりも、高額な設計ツールを使うことで「失敗しない事」の担保に、二重三重の保険をかけてコストを増大させてはいないだろうか？ 半導体ユーザーの彗眼を養うよりも、「失敗しない事」を重視するばかりに、プログラム可能なFPGAや汎用プロセッサ、汎用ボードを採用することで自社の差別化の目を摘み取ってはいないだろうか？
独自半導体開発は高くつくという既成概念に縛られて、半導体設計者も半導体ユーザーともに、袋小路に入ってはいないでしょうか？
また、半導体製造ファウンダリーが、海外のメガファウンダリーに寡占化されることで、ロングテール装置製品に必要な半導体デバイス製造へ求められる、LVP(Low Volume Production=少量製造)への対応が出来なくなっていることも、大きな課題だと考えています。海外のメガファウンダリーにブラ下がったターンキー設計ベンダーは、半導体ユーザーを高額な先端半導体での開発提案に我田引水してはいないでしょうか？
同様に、プログラム可能なFPGAや汎用プロセッサ、汎用ボードの採用が、自社製品の競争力の陳腐化や模倣製品の跋扈、技術KnowHowの流出を起こしてはいないでしょうか？
レガシー半導体とオープンソースEDA
「シェフの腕前」を鍛えるのに高額な調理機器が必要では無いのと同様に、「半導体設計者の腕前」を鍛えるのに先端半導体製造技術は必ずしも必要でありません。「得意客の目や舌」を鍛えるために超高級レストランの食べ歩きが必要でないのと同様に、「半導体ユーザーの慧眼」を鍛えるために先端半導体製造技術でしか製造出来ないデバイスの仕様検討や評価が必須ではありません。
「半導体の設計者の腕前」や「半導体ユーザーの彗眼」は、実践により培われます。ユーザーの視点からのデバイス要求仕様を半導体に実装して、製造されたデバイスをシステムとして組み上げ評価する経験を繰り返すことが最も重要だと考えます。
中小企業でも手の届く試作費用のレガシー半導体技術や、導入費用が廉価なオープンソースEDAツールを活用することにより、デバイス要求仕様 - 半導体設計実装 - シャトル試作製造 - システム評価 のループを地道に繰り返すことが出来ます。
飲食業に喩えれば、新人がまかない料理で腕を磨く様に、半導体の設計者にもまかない設計で腕を磨く修行が必要です。レガシー半導体技術や、導入費用が廉価なオープンソースEDAツールは、まさしく、半導体の設計者がまかない設計で腕を磨くチャンスを与えてくれると信じています。
また、優れた美食家がレストラン周りで目と舌を磨く様に、システム設計者にもデバイス設計で目と舌を磨く修行が必要では無いでしょうか？レガシー半導体技術や、導入費用が廉価なオープンソースEDAツールは、まさしく、システム設計者がデバイス設計で目と舌を磨くチャンスを与えてくれると信じています。
「プッシュ・プルの連携」を目指して
世間には「半導体」とは微細加工技術や先端リソグラフィー，プロセス装置や機能材料等の半導体製造関連技術に紐付くという印象が強いですが，「集積回路」という機能が実装されていなければ，単なるシリコンの小片でしかありません。つまり，どのような「集積回路」という機能を実装すべきか，実装した「集積回路」が生みだす価値は如何ほどか，が重要であり，実際に「集積回路」という機能を「半導体」というシリコン片に作り込む半導体製造技術は，その製造コストと，集積回路が生み出す価値とのトレードオフから，ビジネス面を考慮して選択されるものです。
同時に、「半導体」に実装した「集積回路」が生みだす価値は、「半導体」を部品として「装置やシステム」に組み上げるユーザーが最終的には生み出すものです。
「装置やシステム」の価値が上がらなければ、「半導体」の価値は生まれない。半導体の供給者である、ファウンダリーや実装を担う「半導体設計者」の技術（プッシュ）と消費者である「装置やシステム」の要求（プル）が、共に高め合うことが求められています。
「プッシュ・プルの連携」を目指して、半導体デバイス開発の垣根を下げて、半導体設計者とシステムエンジニアが切磋琢磨できる環境を、レガシー半導体とオープンソースEDAを利活用して切り開いて行きましょう！