半導体チップとは? 半導体チップの仕組みと種類をご紹介

半導体チップとは?  半導体チップの仕組みと種類をご紹介

半導体チップとは?

半導体チップとは、一般的にはパッケージングされた半導体集積回路(IC)の総称として用いられることが多い用語です。シリコンウェーハ上に組み込まれた回路の複雑さ集積度によって様々な大きさのものがあります。

なお、製造工程においてはペレット(Pellet)と呼ばれることもあります。

半導体チップの構造・仕組み

半導体集積回路(IC)としてパッケージされている電子部品には様々なものがありますが、代表的な電子部品としては抵抗・コンデンサ・トランジスタなどの機能を持った素子が含まれています。近年のICは最小10ナノメートルを下回るほどの微小なものが用いられているものもあり、サイズの小型化や高集積化が進んでいます。ICの高集積化が進むことでこれまで付与できなかった機能を加えることができるようになり、半導体チップの進化と共に電気製品の機能も飛躍的に向上しています。

半導体チップの種類

半導体チップの種類として、機能別に「MPC」「マイクロコントローラ(マイコン)」「GPU」「DSP」「FPGA」「通信モデムIC」「アナログIC」「電源IC」「DRAM」「NAND型フラッシュメモリ」をご紹介します。

MPU

MCU(Micro-Processing Unit:マイクロプロセッサ)はコンピュータと同じ仕組みのICであり、ソフトウエアプログラムで演算や制御を行います。命令セットも演算命令と制御命令等を用います。

現在は64bitが主流となっており、絶えず使うメモリをキャッシュメモリとして、膨大な数の高速SRAMを集積しています。

マイクロコントローラ(マイコン)

MPU(マイクロプロセッサ)がソフトウェアでの機能を設けたり演算速度を上げたりする役割を担うのに対して、マイクロコントローラ(マイコン)は制御命令を得意としており、システム制御の役割を担っています。

マイクロプロセッサと比較して、構造が簡単のためコストが安く済みます。

GPU

GPUとはグラフィックス、つまり絵を描くためのプロセッサのことを指します。

絵を描く工程は、まずデッサンと同様三角形のポリゴンを繋ぎ合わせて輪郭を作り、レンダリングという色塗りを行います。色塗りは様々な色を混ぜ合わせて行われるため、掛け算を掛け算を足し合わせる「積和演算回路」を集積しています。

コンピュータ画面上で素早く色塗りするためには、1枚の絵を小さなブロックに分割し、各々を積和演算回路で色塗りし、加えてすべての積和演算回路を並列に同時に動作させます。この積和演算回路は人工知能で用いられるニュートラルネットワークの演算とよく似ていることから、AIと学習と推論にGPUが活用されているのです。

DSP

DSP(Digital Signal Processor)とは積和演算専用のマイクロプロセッサのこと指し、GPUの多数の小さな演算機とは異なり、大きな演算機を持っており数値解析に用いられます。

FPGA

FPGAは、ユーザーが自分専用によるロジック回路を自由に組むことができます。様々なロジックテーブルと、ロジック接続するスイッチ・メモリ等を集積しています。

通信モデムIC

携帯電話・SP (スマートフォン)に用いられる無線通信用のICを指します。無線通信では、デジタルデータを電波に乗せて発信・受信するためにデジタル変調をかけます。通信モデムICはこのデジタル変調を計算する際に使われるICチップです。

アナログIC

アナログICには、オペアンプ(増幅や線形回路を示す演算増幅器)・コンパレータ(比較器)・デジタルへ変換するA/Dコンバータ・その反対のD/Aコンバータ・アナログ信号を切り替えることが可能なアナログスイッチIC・抵抗やコンデンサを用いたタイマIC等があります。

電源IC

安定した5V・3.3V・1.2Vなどを作るための安定化電源ICです。MPUには1.2〜1.0V、CMOSロジックには5V、液晶ドライバには7Vなど、いろいろな電圧を使用するICが増えたことにより、それに伴って電源ICの用途も広がっています。

例えば、SP(スマートフォン)においては、4.1Vのリチウム電池をはじめ、その他10種類ほどの電源が必要だと言われています。

DRAM

DRAM(Dynamic Random Access Memory)は半導体メモリの一種。1トランジスタ/セル方式の集積度が高いメモリであり、断続的な書き込み・読み出しが来なわれるメモリとして用いられます。

例えば、PC内で文章を書く際はDRAMに貯めておくことで、いつでも書き直しができるようにしています。メモリの内容は数秒で消えてしまうため、百ミリ秒ほどごとにリフレッシュすることでメモリの内容を保っています。

NAND型フラッシュメモリ

NAND型フラッシュメモリは半導体メモリの一種。保存用のメモリのことであり、ストレージと呼ばれる不揮発性メモリを意味します。DRAMとは異なり、画像・映像・オーディオを貯めるために用いられます。ある程度メモリセルが集まったブロックごとに一括消去が行われるため、一瞬でブロックを全て消すことからフラッシュと呼称されるようになりました。

深刻化している半導体チップ不足

あらゆる電気製品に搭載されている半導体チップ。フォレスト・リサーチの副社長、グレン・オドレルが「プラグやバッテリーが付いているものであれば、おそらくたくさんのチップが使われているだろう」と述べるほど、私たちの生活には欠かせない材料となっています。しかし、今、半導体チップの不足は自動車メーカーに留まらず、あらゆる業界のメーカーに関連する問題として波及しています。

半導体チップの需要は今後もますます増加傾向にあると見られており、2023年まで供給不足の問題は続くと予想されています。

さいごに

今回は半導体チップについてご紹介しました。半導体チップの基本的な構造・仕組みについて、機能別の半導体の種類として「MPU」「GPU」「DSP」「FPGA」「通信モデムIC」「アナログIC」「電源IC」「DRAM」「NAND型フラッシュメモリ」について、そして深刻化している半導体チップ不足の問題についてご紹介しています。

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