集積回路（IC）とは

現代の世界では、ほぼすべてにエレクトロニクスが組み込まれています。電子レンジから衛星まで、エレクトロニクスを搭載したデバイスは、私たちが起きている間中、注ぎ込まれています。今日では、睡眠にもデジタル音響、触覚、解析が含まれています。しかし、私たちの生活を照らしてつなぎ、動かしているシステムは非常にさまざまですが、ほとんどの電子機器には同じ基本的な構成要素が1つ以上あります。つまり、非常に小さく、非常に複雑な集積回路です。

集積回路（IC）とは

集積回路（IC）は一般的にチップと呼ばれ、シリコンの半導体材料でできており、シリコン内にトランジスタと呼ばれる小さな電子部品が形成され、シリコン表面に層状に配線されています。

ICの役割

お気に入りのデバイスの中にきちんと収まっている小さなブラックボックスをご存知でしょう。小型で控えめな特徴から、これらの容器が実際に現代のエレクトロニクスの要であるとは信じがたいと思います。しかし、集積回路がなければ、ほとんどの技術は不可能であり、技術依存社会である私たちは無力になるでしょう。

集積回路とは、抵抗器、トランジスタ、コンデンサなどを相互接続したコンポーネントで構成されるコンパクトな電子チップです。シリコンなどの単一の半導体材料上に構築された集積回路は、数百から数十億のコンポーネントを集積しており、すべてが連携して世界を循環させています。

集積回路の用途は多岐にわたります。子供用玩具、車、コンピュータ、携帯電話、宇宙船、 地下鉄、飛行機、ビデオゲーム、歯ブラシなどです。基本的に、電源スイッチがある場合、電子寿命は集積回路に依存している可能性があります。集積回路は、各デバイス内でマイクロプロセッサ、アンプ、またはメモリとして機能することができます。 

集積回路はフォトリソグラフィーを使用して作成されます。フォトリソグラフィーは、紫外線を使用してコンポーネントを1つの基板に一度に印刷するプロセスです。これは、1つのネガから写真を多数プリントする方法と同じです。ICのすべてのコンポーネントを同時に印刷する効率は、個別のコンポーネントを使用するよりも安価で信頼性の高いICを製造できることを意味します。ICのその他の利点は次のとおりです。

• 非常に小さいサイズでデバイスのコンパクト化が可能
• 高い信頼性
• 高速パフォーマンス
• 低消費電力要件

IC製造の進化

ICは、75年近くにわたりますます高度なデバイスを可能にしてきました。ではどうやって始まったのでしょうか。複数のコンポーネントを1つのチップに搭載するというアイデアは1950年代に初めて検討され、 ほぼ同時期に同様の設計をさまざまな科学者が独自に開発したとされています。

集積回路はその誕生以来、デバイスを小型化、高速化、低価格化するために、いくつかの進化を経てきました。第1世代のICは1つのチップ上にわずかなコンポーネントしか搭載していませんでしたが、それ以来、各世代のICは電力と経済の飛躍的な向上をもたらしました。

• 1950年代: 集積回路は少数のトランジスタとダイオードのみを1つのチップに集積して導入されました。
• 1960年代: バイポーラ接合トランジスタの導入と中小規模の集積化により、数千個のトランジスタを1つのチップに接続することが可能となりました。
• 1970年代: 大規模集積と超大規模集積（VLSI）は、数万から数百万のコンポーネントを搭載するチップを可能にし、パーソナルコンピュータや高度なコンピューティングシステムの開発を実現しました。
• 2000年代: 2000年代初頭、極超大規模集積（ULSI）により、数十億個のコンポーネントを1つの基板に集積することが可能になりました。
• 次へ: 現在開発中の2.5Dおよび3D集積回路（3D-IC）技術は、比類のない柔軟性を生み出し、エレクトロニクスの進歩にさらなる飛躍をもたらします。

最初のICメーカーは垂直統合された企業で、設計と製造のすべてのステップを自身で行っていました。これは、Intel、Samsung、およびメモリチップメーカーのような一部の企業には依然として当てはまります。しかし、1980年代以降、「ファブレス」（工場を持たない）ビジネスモデルは半導体業界で標準となっています。

ファブレスIC企業は、自身で設計したチップを製造しません。その代わりに、多くの設計会社が共有する製造設備（ファブ）を運営する専門の製造会社にこれを委託しています。Apple、AMD、NVIDIAなどの業界リーダーは、ファブレスIC設計企業の例です。今日の主要なICメーカーには、TSMC、Samsung、GlobalFoundriesなどがあります。

集積回路のタイプ

ICは、その複雑さと目的に基づいてさまざまなタイプに分類できます。一般的なICには次のようなものがあります。

• デジタルIC: コンピュータやマイクロプロセッサなどのデバイスで使用されます。デジタルICは、メモリ、データの格納、またはロジックに使用できます。経済的で低周波数アプリケーション向けに設計が容易です。
• アナログIC: アナログICは、信号の大きさがゼロからフル電源電圧まで変化する連続信号を処理するように設計されています。これらのICは、サウンドや光などのアナログ信号の処理に使用されます。デジタルICと比較して、トランジスタ数は少なくなりますが、設計が難しくなります。アナログICは、アンプ、フィルタ、発振子、電圧レギュレータ、 電源管理回路など、幅広い用途に使用できます。オーディオ機器、無線周波数（RF）トランシーバ、通信、センサー、医療機器などの電子機器に一般的に使用されています。
• ミックスドシグナルIC: デジタル回路とアナログ回路の両方を組み合わせたミックスドシグナルICは、携帯電話や自動車、携帯電子機器などの画面、センサー、通信用途など、両方の処理が必要な分野で使用されています。
• メモリIC: これらのICは、データを一時的または永続的に保存するために使用されます。メモリICの例としては、ランダムアクセスメモリ（RAM）や読み取り専用メモリ（ROM）などがあります。メモリICは、トランジスタ数では最大級のICであり、非常に大容量で高速なシミュレーションツールが必要です。
• 特定用途向け集積回路（ASIC）: ASICは、特定のタスクを効率的に実行するように設計されています。ほとんどのアプリケーションに実装できる汎用ICではなく、目的の機能を実行するようにカスタマイズされたシステムオンチップ（SoC: System-on-Chip）です。

ICパッケージのタイプ

チップの設計と製造の後、チップをテストしてパッケージ化する3番目の最後のステップがあります。これは、半導体業界でさらに高度に専門化されたサブフィールドです。

実際のシリコンチップは小さすぎて直接操作しにくいため、ICパッケージはより充実したものを提供します。保護ケーシング（通常はプラスチックやセラミックでできた筐体）は、リード線やバンプを内蔵しています。これにより、小型チップを回路基板に接続できます。用途に応じて、ICパッケージのサイズや形状は異なります。

2.5Dおよび3D-ICとは

あらゆるデジタル機器の消費がデバイスの高速化、スマート化、小型化に圧力をかけている中、ICがより多くの情報をより効率的に処理する必要性は永久に続きます。最新世代では、2つの非常に有望な新しいオプション2.5Dと3D-ICがあります。

2.5D-ICでは、インターポーザー技術と呼ばれる技法で、2つ以上のチップが同じ表面上に隣り合って配置されます。共有ベースを横切るこの平面上の近接配置により、相互接続密度が向上します。

そのロジックを文字通りレベルアップすると 3D-ICができます。このロジックの上にロジックを重ねるサンドイッチは、チップまたはウエハーを重ねることで作成されます。3D-ICは相互接続をさらに向上させるだけでなく、より小さなフットプリントでより多くの処理能力と、さまざまな技術ノードを使用するための高い柔軟性を備えています。      

これらのマルチダイパッケージング技術によってもたらされる新しい大きな課題は、熱散逸です。ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）チップは200ワット以上を簡単に消費することができると考えると、これらのチップのいくつかを密接に積み重ね始めると、過熱と熱管理が主な制限要因であることが明らかになります。

ICの接続をより効率的にすることで、2.5Dおよび3D技術は、1950年代からエンジニアが取り組んできたスケーリングの課題を克服します。「より少ないリソースでより多くを得るにはどうすればよいでしょうか?」

IC設計の改善

ほぼすべての電子機器の設計プロセスを最適化するためには、エンジニアがICのパフォーマンスを予測できるようにして、正確なサインオフ検証が重要になります。シミュレーションにより、設計者は消費電力、熱、およびパラメトリックイールドなど、いくつかの要件に照らしてICを評価することができます。さらに、Ansys RedHawk-SCは、包括的なマルチフィジックス解析を提供する独自の機能を備えており、さまざまな物理現象がICのパフォーマンスと寿命にどのように影響するかを明らかにします。

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