【小学生でもわかる】半導体とは何か？【大人の学びなおし】

小学生でも分かる反動体って何？はい、こんばんはこんにちは、たきです。皆さん「反動体って何？」って聞かれたら、ちゃんと答えることができますか？大半の方は「あれでしょ、パソコンとか電子機器に入ってるチップのことだよね」そんなイメージまではあると思うんですが、じゃあ一体それは何なのか、どうやって作られているのか、なぜこんなに世界中が注目しているのかまでは分からない人が多いと思います。お子さんに「パパ、反動体って？」と聞かれたら、ドキッとしちゃいますよね。ということで、今回はこの反動体を小学生にでも理解できるように噛み砕いて説明していこうと思いますので、よろしくお願いします。

そしてですね、今この反動体を巡って世界中が騒いでいます。そう、反動体が無ければテレビも車もスマホも作ることはできません。今の我々の生活はこの反動体のの上に成り立っていますので、「反動体を制するものが世界を制す」と言われているからなんですね。今、様々な国がこの反動体を巡って争っているんですが、なんと近い将来、日本がですね、この競争に勝利をして世界のトップに立つ可能性が出てきてるんですよ。これ、ちょっと面白いですよ。日本人であれば絶対に知っておいて欲しい情報です。動画の後半ではこういった話も深掘りしていこうと思いますので、是非最後までご覧になってください。それでは早速行ってみましょう。

世の中には電気を通す物質と通さない物質がありますよね。電気を通すものといえば、そう、金属類ですよね。この電気を通す物質のことを導体と言うんですよ。じゃあ逆に電気を通さない物質といえば何ですか？そう、ゴムとかプラスチックですよね。この電気を通さない物質のことを絶縁体と言います。実は世の中にはこの導体と絶縁体の間の能力を持つ物質も存在するんですよ。シリコンやゲルマニウムという物質ですが、これは時には電気を流し、時には電気を遮断する能力を持つんですね。そう、半分だけ導体の役割を担う、つまりこの物質のことを反動体と言うんです。「え？イメージしてた反動体と全然違うんだけど」って思った方、安心してください。ここからどんどん繋がっていきますからね。

この電気を通したり通さなかったりと中途半端なこの性質を、うまい具合にコントロールできないものかと、1945年頃のある天才学者が研究していたんですよ。この純粋な反動体に不純物を混ぜてみたところ、マイナスの性質を持つ反動体とプラスの性質を持つ反動体というものが出来上がったんですね。これらを並べておいてみると、出来上がったのがこのトランジスタと呼ばれるものとダイオードと呼ばれるものです。このトランジスタこそが偉大な発明なんですね。今の我々の豊かな生活があるのも、このトランジスタの影と言っても過言ではないんです。これで何ができるのかと言うと、この反動体に外部から刺激を与えることで、電気を遮断したり通したりと、自由自在にコントロールすることができるようになったんですよ。そう、スイッチングですよね。電気のオンオフを人の手でやるとめちゃくちゃ遅いですが、このトランジスタがやると超高速に切り替えることができます。これが何に使われているかというと、電子機器の制御なんです。この世のあらゆるものに使われているんですね。

実はこれら、スマホやパソコンを含めたコンピューターと呼ばれる電子機器は、普段我々が扱う文字とか数式とかを理解することはできません。コンピューターというものは2進法という1と0の数字だけを理解することができるんですね。なんかこういう映像見たことありませんか？ですから、我々が日本語で入力した文字も、コンピューターが理解できる1と0の組み合わせに変換され、さらにそれを処理するために大量の1と0を処理して計算を行い、またその結果を我々が理解できる言語、文字にして見せてくれてるんですね。ですから、この1と0を高速にかつ大量に与えてあげることができるようになれば、性能はどんどん上がるわけですよ。回路に電気が流れた時が1、電気が流れなかった時は0。このようなスイッチの切り替えで1と0を作っているんですが、このスイッチ1つじゃ限界がありますよね。じゃあ単純にスイッチの数が倍になれば処理速度は2倍です。数が増えれば増えるほど性能が上がるわけです。よね。ですが、単純にスイッチを増やそうと思えば、どんどんコンピューターは大きくなります。ですから昔のコンピューターは巨大でした。ヘアードライヤーみたいな感じで、性能を上げるためにはどんどん大きくする必要があります。しかし現在では、スマートフォンやノートパソコンなど随分と小さいデバイスが驚異的な処理能力を発揮するようになったじゃないですか。これはどういった仕組みなのかと言うと、単純に1つ1つのスイッチの大きさを小さくしたんですね。そしてどんどん詰め込んでいく。また小さくしてはどんどん詰め込んでいく。これを繰り返すことによって高性能化を実現させてるんですよ。

今我々が使っているパソコンの頭脳、CPUにはこのトランジスタやダイオードが数10億個から数百億個も入ってるんですね。「え？この大きさの中にどうやって？」と思ったと思いますが、今のこの回路線の細さ、びっくりしますよ。なんと、世界最先端は2nmです。2nmと聞いてもピンと来ないですよね。例えば比較すると、杉花粉の大きさが3万nm、インフルエンザウイルスが100nm、DNAが1nmと言われています。そう、DNAと変わらないほど小さな回路を人間は作っているんです。すごいですよね。でも皆さん、こう思いませんか？杉花粉ですら肉眼で捉えることができない人間が、なぜこのような小さな回路を作ることができるのか不思議ですよね。それは光を使って作ってるんですよ。子供の頃、虫メガネを使って太陽光を集積させて遊んだ経験があると思うんですが、大雑把なイメージはあんな感じです。はい、それでは反動体が出来上がる過程をさらっと見ていきましょう。[音楽]

まず先ほどの電気を通したり通さなかったりと中途半端な能力を持つ反動体、シリコンを超高濃度、99.99999%の精度にして円盤上に切っていくんですよ。これをシリコンウェハーと言います。この状態で酸素を当てながら高温にしてあげると酸化被膜という、上に1枚膜ができるんですね。さらにこの上に、光が当たると成分が変わる化学薬品を塗ってやります。実際はポタンと落としてくるくるっと回すと均一に塗ることができるんですね。はい、そうすると三層になりましたよね。この上に先ほどの虫メガネで先ほど通らせた光を当てていくんですよ。まあ実際はこんなバカでかい装置になるんですが、この装置1個でなんと1億ドル、つまり日本円では150億円もします。どえらい虫メガネですね。まあ実際にはこれだけじゃなくて、フォトマスクという回路の形状に穴を開けたものを間に挟んで照射するんですが、そうすると光が当たったところだけ膜の性質が変わるんですね。そして性質が変わった部分だけに反応する薬品をかけることで、ピンポイントで光が当たったところだけを溶かしちゃうんですよ。そしてその下の層も違う物質で溶かしちゃう。そうするとその下にはシリコンが剥き出しになります。ここにイオンを垂らしてあげるんですね。そうするとこのイオンが当たったところが電気を通す道となるわけです。これを何層にも積み上げて複雑な回路を組み立てていくわけなんですね。こういったものすごく細かい作業を通して出来上がったものがこれです。最初のシリコンの上に、メカメカしくール。この中には星の数ほどの集積回路が詰まっています。これがいわゆる反動体なんです。しかしこのままでは使えないので、これをカットしていくんですね。はい、これをダイシング、集積回路なのにカットは意外にも大胆に切っていきます。で、出来上がったのがこの四角いチップ上のもの。これがICチップです。はい、もうこれでほぼほぼ完成なんですが、このままじゃ壊れそうですし、使いづらいのでパッケージしていく必要があるんですね。台座に載せて、これらチップから電気を外に伝えれるようにワイヤーボンディング、無数のワイヤーを繋げてあげるんですよ。そして最後に蓋をしてあげると、はい、そうなんですね。皆さんが見たことある反動体の完成です。これが商品版反動体なんですね。もう気づきだと思いますが、この反動体の素材であるシリコンのこと も反動体と言いますし、そのシリコンを使って作り上げたもののことも反動体と言うんです。ま、テレビなんかで言われる反動体は、こちらの商品版の反動体のことを指すことが多いですね。本当はもっと複雑な工程があるので、このシリコンから反動体が完成するまでには大体4ヶ月ほどの時間が必要なんですが、まあ今回は小学生にも分かるようにというテーマなので、大切なポイントだけを凝縮して説明しました。

そしてこの反動体を巡って今世界中の国が対立してるんですね。そう、この反動体がなければ車も冷蔵庫もスマホも作ることはできません。インターネットすら見ることができない。反動体を制するものが世界を制すると言われておりますので、今ありとあらゆる国がこの技術を巡って争い合ってるんですよ。さらに反動体は兵器にも使われます。この反動体の性能が上がれば上がるほど強力なものを作ることもできるわけです。[音楽]

そして今この反動体の製造で圧倒的ナンバーワンなのが台湾のTSMCという会社です。2nmという反動体を作れるのは現在ではこの会社くらいなんですね。ですから世界中の大半の反動体は現在TSMCで作られているわけですよ。そんなTSMCはこう言いました。「ああ、ちょっとやべえかも。日本に工場を作るぞ」。最近熊本にも工場が作られ話題になっていますよね。「アメリカやドイツにも作るぞ」。なぜ最近になって急に色々な国に工場を作るようになったのかと言うと、中国からのリスク回避の意味があるんです。「ああ、反動体欲しいな」。そう、中国は世界の製造覇権を握るために台湾有事起こして、何とかこのTSMCを手中に収めたいと考えていますので、そうなる前に工場をある程度分散させてリスクを分けておきたいという思いがあるんですね。そして来てくれた側の国も技術力が上がりますので、今様々な国が「TSMCさん、お金を出すからうちにも工場を作ってくれ」とオファーをかけまくってるんですね。この反動体を巡る各国の競争、すごいことになっています。ここから面白いですよ。そして日本が勝てる未来はあるのか？[音楽]

今の現状を把握するために話を少し遡りましょう。元々この反動体が注目される前は、反動体ではなく5Gネットワークを制するものが世界を制すると思われていた時代があるんですね。その時覇権を争っていたのがアメリカと中国です。そしてこれに勝利を取ったのは中国でした。中国のファーウェイは2019年、先に5Gの技術を完成させるんですね。アメリカは猛烈に焦ります。そこで取った行動が「ファーウェイはスパイ企業だ！使うとデータが抜かれてしまうぞ！ファーウェイとの取引に制限をかける！皆んな手伝ってくれ！」って言い出したんですよ。そう、ファーウェイの体力がじりじり弱ってくるのを待つ作戦に出たんですね。ところがどっこい、なかなかファーウェイは倒れない。これはなぜかと言うと、ファーウェイのスマホ性能がすごいんですね。飛ぶように売れるんです。その性能を支えていたのがあのTSMCだったんですよ。そう、TSMCが超高性能な反動体をファーウェイに輸出しまくってるおかげで、ファーウェイは高性能を実現できていたわけなんですね。それでアメリカは気づくわけです。「5Gじゃなかった。反動体を制するものが世界を制するんだ」。そう思ったアメリカはTSMCに「ファーウェイに反動体を卸すの禁止！」と言い出したんですね。これが効いて、ファーウェイの体力がゴリゴリ削られていきます。しかしここでへこたれないのが中国です。中国はここで負けじと「反動体来ないのなら自前で作れるようにしよう」と反動体技術に資金をつぎ込みまくるんですね。そしてなんと中国は反動体を自前で、ある程度作れるような技術を持ってしまったんですよ。そう、アメリカの制裁は目先でこそは成功しましたが、長期的な目線で見ると中国の技術力を上げてしまうという失敗に終わったんですね。そこからは世界中の国が「我れこそは！」と反動体の技術を争って予算を注ぎ込みまくっているんです。アメリカはなんと今10兆円と言われてます。そして中国は10数兆円。さあどちらが勝つのか？じゃないんですよ。この2国にマッターをかけているのが日本じゃなくEUです。そう、EUもなんと反動体に10数兆円という多額の予算を投じてこの覇権争いに名乗りを上げているんですね。インドもそうです。今世界中が競争しまくっているんですが、「じゃあ日本はどうなんだい？」ってことですよね。

実は日本も反動体業界では縁の下の力持ちで、反動体を生産するために必要な細かな部品、これらのシェアは一部日本企業が独占しているんです。例えばパソコンのCPUに使われている絶縁体は100%あの味の素が作ってて、味の素がいないとパソコンを作ることはできません。その他にも様々な会社がこのように頑張っていて、あのTSMCですら日本がいないと今のクオリティを出すことは難しいんです。それほどまでに日本は世界の反動体を支えているんですが、反動体そのものを作る技術というのはかなり遅れているんですね。「このままじゃ日本は世界の覇権争いから取り残されてしまう」そういった状況ではあるんですが、実は一発逆転の切り札を日本だけが持ってるんですよ。それが光反動体です。[音楽]

そう、今日本はすごい技術を開発して実現させかかっているんですね。今まで紹介してきた反動体は電気のオンオフをしていました。つまり使われているのは電気です。この電気よりも早いのが光ですよね。この細やかな回路を走るのが電気ではなく光でできないかと研究してるんですよ。もしこれが完成すると、今の反動体のなんと125倍もの性能が出ると言われてるんですね。125倍ですよ。パソコンで考えると、今の125倍の性能のパソコンって想像すらできませんよね。さらには回路に電気が走ると熱くなりますが、光の場合は熱を発しません。バッテリーがほとんどいらないので、スマホの充電は年に1度ぐらいで済むらしいんですね。まだまだありますよ。どれだけ離れた場所にアクセスしても全て光で通信することができれば遅延がほとんど起こらないんですよ。タイムラグがないので、遠隔手術や完全自動運転の技術にも大いに貢献するでしょう。そんな夢のような技術を開発して実現させかかっているのが日本のNTTなんです。IOWNという名前、聞いたことある人も多いと思います。まだまだ現在は開発中で、2032年頃の実現を目標に研究が行われていますが、もしこれが成功すれば反動体業界のゲームチェンジャーになるんですね。一気に世界の頂点を取ってしまいます。この切り札を持っているのが日本。どうですか？面白いですよね。はい、ということで、これから先反動体の覇権はどの国が取るのか？アメリカなのか？中国なのか？もしくはEU、台湾なのか？さらには一発逆転の日本なのか？まだまだ目は離せません。そして今お話ししたIOWN構想は反動体に関わる説明でしたが、その他にもたくさんあって世界を救う鍵となってるんですね。簡単にだけ説明しますと、例えば最近はICTの発展とともに我々の生活はどんどん豊かになっていますが、反面電力使用量がめちゃくちゃ増えていってます。そして最近登場したAI、ChatGPTなどのトレーニングにはさらに膨大な電力が使われるようになりました。これが将来大変なことになるんですね。経済産業省の資料を見ますと、2050年には今よりなんと10万倍以上も電気を使うようになるらしいんですね。世界中のどこを探してもそんな電気はありません。原発を立てまくっても無理です。「このままじゃだめだ！どうすんだ！」って世界中が焦っているんですが、その世界を救う鍵となっているのもこのIOWNなんですよ。そう、電気の代わりに光を使うので、電気をあまり使わなくて良くなるんですね。ですから、このIOWN構想が成功しないと世界の発展も頭打ちとなるわけです。世界を救う鍵となるNTT、日本もまだまだ捨てたもんじゃないでしょう。最近話題のNTT法廃止とかもね、このIOWNががっつり絡んでるんですよ。ま、これに関しては思うところたくさんあるんですが、ま、この動画ではあえて触れないようにしようと思います。ということで、今回も最後まで見ていただいてどうもありがとうございました。より多くの人が反動体に興味を持つきっかけとなるなら嬉しく思います。ということで、また次回の動画でお会いしましょう。バイバイ。[音楽][音楽]