半導体のGAA・ナノシートとは？2nm世代で変わったトランジスタの形

「2ナノメートル」は、部品の大きさではない

Tom’s Hardwareの記事では、「2ナノメートル」という数字は、チップ上の特定の部分の寸法に、結びついていないと説明されています。ほかの会社の似た世代のプロセスと比べた、消費電力や性能をもとに決められている、という説明で、記事はこの名づけ方を、おおむね、宣伝のための呼び方だと述べています。これは、IBMだけの話ではなく、業界全体の傾向です。「2ナノメートル」は、世代の名前であって、部品の大きさそのものではありません。

FinFETでも、漏れがまた問題になる

前回の記事では、ゲートが通り道を三方向から囲む、FinFETを紹介しました。しかし、トランジスタがさらに小さくなると、どうなるでしょうか。Tom’s Hardwareの記事は、トランジスタが小さくなるほど、スイッチを切れなくする、電圧の漏れが、より大きな問題になると述べています。ゲートが、通り道を三方向から囲むFinFETでも、この問題は、避けられなくなってきました。

ゲートで、ぐるりと全部を囲む「GAA」

そこで登場したのが、「GAA（ゲート・オール・アラウンド）」という形です。名前のとおり、ゲートが、通り道の、まわり全部を囲みます。Tom’s Hardwareの記事では、この方法が、スイッチを切れなくする、電圧の漏れを減らすと説明されています。ホースのたとえでいえば、上と左右に加えて、下からも、ぐるりと押さえる形です。GAAは、ゲートが、通り道を、ぐるりと全部、囲む形のトランジスタです。

うすい板を重ねる「ナノシート」

GAAでは、通り道の形も、変わります。The Registerの記事によると、ナノシートの構造では、電流が、何層も重なった、シリコンの板を流れ、その板を、ゲートの材料が、完全に囲んでいます。この、うすい板が、「ナノシート」です。細長いひれの代わりに、うすい板を、何枚も重ねる、と考えると、分かりやすいでしょう。

The Registerの記事では、初期のGAAの設計では、通り道が、縦に積み重ねた、ナノシートでできていると説明されています。ナノシートは、ゲートが、まわり全部を囲める、うすい板状の通り道です。

IBMの試作：3枚の板を重ねた2ナノメートル世代

Tom’s Hardwareの記事（2021年）では、IBMが、ナノシートの技術を使った、2ナノメートル世代のチップを発表したと報じられています。IBMは、アメリカのアルバニーの施設で作った、300ミリメートルのウェハを公開しました。ただし、この技術は、まだ研究の段階で、製品にできるチップではない、と記事は注意をうながしています。

IBMの設計は、3枚の、水平なシリコンのナノシートを重ね、それぞれを、ゲートが完全に囲む形です。1枚のナノシートは、厚さ5ナノメートル、幅40ナノメートルで、ゲートの長さは12ナノメートルでした。IBMは、7ナノメートルの現行品と比べて、同じ電力で性能が45％上がるか、同じ性能で消費電力が75％減る、としています。指先ほどの大きさのチップに、最大500億個のトランジスタを載せられるとも説明しましたが、密度の数字までは、示されていません。

Samsung：3ナノメートル世代で、GAAの生産を開始

The Registerの記事（2022年）によると、Samsungは、3ナノメートルのプロセスで、初期の生産を始めたと発表しました。Samsungは、この方式を、「MBCFET」と呼んでいます。ナノシートを使うことで、細い線状のナノワイヤを使う方式より、広い通り道がつくれて、性能と省エネに、有利だと説明しました。さらに、ナノシートの幅を変えて、電力と性能のバランスを、調整できるとしています。

同じ記事では、Samsungが、5ナノメートルの製品と比べて、消費電力を最大45％減らし、性能を23％高め、面積を16％小さくできると述べたと紹介されています。第2世代では、消費電力を最大50％減らし、性能を30％高め、面積を35％小さくする計画だとされています。ただし、記事は、初期の生産は、試験的な位置づけだったという見方も、あわせて伝えています。

TSMC：2ナノメートル世代で、FinFETから切り替え

The Registerの記事（2022年6月）では、TSMCが、2ナノメートル世代（N2）で、FinFETをやめて、ナノシートの構造に切り替えると、発表したと紹介されています。当時の目標は、同じ電力で、速さを10〜15％上げるか、同じ速さで、消費電力を25〜30％減らすことでした。TSMCの公式ページには、N2が、2025年の第4四半期に、予定どおり、量産を始めたと書かれています。同社は、これを、最初の世代のナノシートトランジスタ技術と位置づけています。なお、The Registerの記事によると、TSMCは、3ナノメートル世代では、まだFinFETを使い続けると、述べていました。TSMCの公式ページでも、2022年に量産を始めた3ナノメートル（N3）は、FinFETの技術だと説明されています。つまり、FinFETからナノシートへの切り替えは、2ナノメートル世代で行われた、ということです。

製造の全体像は、半導体の製造工程の全体像で紹介しています。

ことばのおさらい

• GAA：ゲート・オール・アラウンド。ゲートが、通り道のまわり全部を囲む形です。
• ナノシート：うすい板状の、電気の通り道です。何枚か重ねて使います。
• FinFET：ひれ状の通り道を、ゲートで、三方向から囲む形です。
• 世代（ノード）：チップの作り方の、世代の名前です。大きさそのものではありません。

よくある誤解

Q. 2ナノメートルのチップは、部品が2ナノメートルなのですか？

いいえ。「2ナノメートル」は、世代の名前です。特定の部品の寸法を、表しているわけではありません。

Q. ナノシートは、チップ全体を、薄くする技術ですか？

いいえ。ナノシートは、トランジスタの中の、電気の通り道の形です。チップ全体の厚さとは、関係がありません。

まとめ

参考にした公式情報

• Tom’s Hardware「IBM Unveils World’s First 2nm Chip with Nanosheet Tech」（2021年）
• The Register「Samsung beats TSMC to be first to produce 3nm chips」（2022年）
• The Register「First details on TSMC’s 2nm node」（2022年）
• TSMC「2nm Technology」