半導体エンジニア · 自動車のブレーキから核ミサイルの誘導システムまで、あらゆるコンピュータや携帯電話の中にあるトランジスタを設計・製造する。地球上でごく一部の工場しか動かせないほど精密な機械を使う仕事だ。
半導体エンジニアリングの歴史は、当時は小さな研究室の外では誰も気づかなかったベル研究所での実演、集積回路を本当に発明したのは誰かをめぐる特許紛争、業界全体が単なる観察ではなく指示として扱うことにした雑誌記事、そして『自社の顧客と決して競合しない工場』という単一の発想を軸に事業全体を再構築した台湾人経営者を経てきた。
この歴史はまた、地理によって何度も書き換えられ続けてきた歴史でもある。同じ技術が繰り返しごく少数の場所――ベル研究所、シリコンバレー、新竹、フェルトホーフェン――に集中し、その集中のたびに、企業だけでなく政府が計画を立てる戦略的事実となってきた。
ベル電話研究所で、物理学者ジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンが、かさばり電力を食う真空管の代わりに、ゲルマニウムの薄片と二つの金接点を使って電気信号を増幅する動作する点接触トランジスタを実証した。最初の実演から外されたことに不満だった同僚ウィリアム・ショックレーは、数週間のうちにより実用的な接合型トランジスタ設計を開発する。三人は1956年のノーベル物理学賞を共同受賞した。ベル研究所は1948年6月まで公表を遅らせ、この小さな実験台が近代電子工学の基盤として真空管に取って代わったことを誰もが完全に理解するまでには何年もかかった。
ジョン・バーディーンとウォルター・ブラッテンが12月16日に動作する点接触トランジスタを実証。数週間のうちにウィリアム・ショックレーの接合型トランジスタ設計が続き、3人は後に1956年のノーベル物理学賞を共同受賞する。
テキサス・インスツルメンツの化学者ゴードン・ティールが、それまで使われていたゲルマニウムに代わる初の実用的なシリコントランジスタを育成。シリコンははるかに高い温度に耐えられるため、業界全体がこの材料に標準化していく。
テキサス・インスツルメンツのジャック・キルビーが1958年9月、ゲルマニウムの単一薄片上で動作する回路を実証。フェアチャイルド・セミコンダクターのロバート・ノイスは1959年、量産可能なシリコン版のライバル特許を出願し、10年に及ぶ功績をめぐる法廷闘争が始まる。
『エレクトロニクス』誌の記事で、ムーアはわずか5つのデータ点から、チップ上の部品数がほぼ毎年倍増していると外挿する。この予測を業界は自己実現的なロードマップへと変えていく。
フェアチャイルド・セミコンダクターを離れたロバート・ノイスとゴードン・ムーアがインテルを創業。まもなくアンディ・グローブが従業員番号3として加わる。同社はメモリチップ、後にマイクロプロセッサの支配的メーカーとなる。
フェデリコ・ファジンが設計とレイアウトを主導し、フェアチャイルドで開発したシリコンゲートプロセスを適用。テッド・ホフ、スタンレー・メイザー、嶋正利がアーキテクチャを形作った。コンピュータ全体のロジックが一枚のチップに収まるようになった。
カーバー・ミードとリン・コンウェイの教科書が、チップ設計を体系的で教育可能な手法に変える。翌年始まったMOSISシャトルサービスにより、大学が初めて学生自身のチップ設計を製造できるようになった。
テキサス・インスツルメンツでの25年を経て、チャンは台湾政府の資金とオランダのフィリップスとの技術ライセンス契約を一部の原資に、新竹に台湾積体電路製造(TSMC)を創業。他社のためにチップを製造するが自らは何も設計しないファブという発想だった。
TSMCとサムスンが、オランダのASMLのみが製造する極端紫外線(EUV)露光装置を量産に使い始める。業界が20年以上ぶりに採用した根本的に新しいパターニング波長だった。
米国はCHIPS・科学法に署名し、国内チップ製造・研究に527億ドルを割り当てる。同年10月には先端チップとチップ製造装置の対中輸出を制限し、この職業にとって明確に地政学的な時代が始まった。
バーディーンとブラッテンの実演から10年間は、トランジスタを可能にするだけでなく、信頼性が高く量産可能なものにすることに費やされた。初期の点接触デバイスは脆弱で不安定だった。ショックレーの接合型トランジスタ、続いてテキサス・インスツルメンツでのゴードン・ティールのシリコン版が、補聴器やポケットラジオを皮切りに実際の製品に耐えうる頑丈さをもたらした。10年の終わりまでに、ジャック・キルビーとロバート・ノイスはそれぞれ、単一のトランジスタだけでなく回路全体が一片の半導体上に存在しうることを示した――この時代以降のすべてを可能にした発想だった。
ゴードン・ムーアの1965年の予測は、10年間の劇的な改善を明確な業界目標へと変え、各社はそれを達成するための工場投資を何年も前から計画するようになった。1968年に創業したインテルは、まずメモリチップで初期の事業を築いたが、その後フェデリコ・ファジンのチームが1971年にコンピュータ全体のロジックを一枚のインテル4004チップに折りたたんだ。コンピュータ全体が回路基板いっぱいの個別チップではなく一片のシリコンに収まりうるという発想は、コンピュータの姿とその小型化の限界を作り直した。
チップが複雑になりすぎて一人のエンジニアが手作業でレイアウトできなくなる中、カーバー・ミードとリン・コンウェイの1980年の教科書がチップ設計を教育・自動化可能な体系的分野に変え、MOSISシャトルによって大学生が初めて本物のシリコンを製造できるようになった。同じ複雑さが、小規模な設計チームにとってファブを所有することを法外に高価にした。モリス・チャンは1987年、TSMCを純粋な製造専業として創業することでこの分業に答えを出した。TSMCは顧客となる設計会社と決して競合しない――結果的に業界全体を再編することになる構造的な発想だった。
1990年代から2000年代を通じて、チップメーカーはムーアの法則に追いつくため、銅配線や液浸露光、ますます特殊な材料を採用しながら世代を重ねてトランジスタサイズを縮小し続けた。1980年代の日本のメモリチップ支配は韓国サムスン、後にはより広範なアジアの製造基盤に取って代わられた。オランダのASMLと日本のニコン、キヤノンがほぼ独占的に製造する深紫外線露光装置は、業界で最も重大なボトルネックとなった。地球上でスケーリングを続けられるほど精密な装置を作れる企業はごくわずかだった。
数十年と数百億ドルをかけて開発されたASMLの極端紫外線露光装置は、2019年についに量産に入り、TSMCとサムスンが旧来の光源の限界を超えてトランジスタを縮小し続けることを可能にした。AIモデル訓練に転用されたNvidiaのグラフィックスチップは、ほぼ一夜にしてチップ需要を国家的な戦略課題に変えた。輸出規制、米CHIPS法、そして欧州連合・日本・韓国の同様の補助金プログラムは、チップがどこで設計・製造・販売されるかを明確に政治的な問題に変えている。
Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.
トランジスタ以前、ラジオや初期のコンピュータ、電話増幅器はすべて、脆く電力を食い発熱する真空管を扱う技術に長けたエンジニアに依存していた。ベル研究所の1947年の実演からおよそ10年のうちに、トランジスタはその専門知識の大半を陳腐化させ、真空管設計は主にギターアンプと一部のレガシー軍事システムでしか生き残らなかった。
コンピュータ支援設計ツールが登場する前、チップレイアウトは巨大な縮尺で手描きされ、精密切断台の上で赤と透明のルビリスクフィルムから切り出され、その後ウェハーをパターニングするマスクに写真的に縮小されていた。1980年代のミード・コンウェイ設計手法とデジタルレイアウトソフトウェアは、この物理的な切断作業をほぼ完全に消し去った。
最初期のトランジスタと、それを確実に製造する方法を理解していたエンジニアは、シリコンではなくゲルマニウムを軸にしていた。1954年にテキサス・インスツルメンツでゴードン・ティールのシリコントランジスタがはるかに耐熱性が高いことを証明すると、業界全体がシリコンに移行し、ゲルマニウムの専門知識はおよそ10年のうちに実行可能な専門分野ではなくなった。
この歴史のあらゆる転換点は同じ形をたどる――研究室の成果が量産可能な製品になり、その製品が業界全体を組織する目標になり、その目標を最もよく達成できる場所がしばらくの間戦略的に代替不可能になる――そして目標がまた変わる。
極端紫外線露光と人工知能チップを軸とする現在の転換は、政府がエンジニアと同じくらい意図的に結果を形作っている初めての転換だ。
現代生活を動かすコードを書き、テストし、保守する仕事であり、AIが自分自身の日々の作業を自動化していく様子を最初に目の当たりにしている職業の一つでもある。
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