接続されたテクノロジーの未来を形成する半導体アプリケーション

世界の半導体市場は、2024年に$627.14億に達し、アジア太平洋地域は収益の半分以上を保有していました。

Semiconductor applications よりスマートなAI、IoT、およびを駆動します パワーエレクトロニクス。高度な ウェーハ処理 そして エピタキシャル成長 効率的で接続されたデバイスを作成します。

要点

• 高度な半導体チップは、より速く、よりスマートなAIおよび接続されたデバイスのパワーを発揮し、業界全体でリアルタイムのアプリケーションとエネルギー節約を可能にします。
• 窒化ガリウムなどの新しい材料 silicon carbide チップ効率を改善し、電気自動車、再生可能エネルギー、5Gネットワークの革新をサポートします。
• 持続可能な 製造 モジュラーチップ設計は、エネルギーの使用を減らし、開発をスピードアップし、環境を保護しながら業界の成長を支援します。

画期的な半導体アプリケーションと革新

生成AIアクセラレータチップ

生成AIアクセラレータチップは、組織が人工知能モデルを訓練および展開する方法を変えました。これらのチップは、大規模な言語モデルと生成AIワークロードの高性能、エネルギー効率、およびスケーラビリティを提供します。最新世代のAI加速器には、メモリ帯域幅、アーキテクチャ、および電力管理の革新が含まれます。次の表は、過去1年間に導入された最も重要なチップのいくつかを強調しています:

これらのチップは、汎用ハードウェアと比較して、ニューラルネットワークの最大10倍の速い計算を可能にします。帯域幅の高いメモリと特殊なアーキテクチャにより、企業はAIワークロードを効率的に拡張できます。たとえば、AWS Imedentia 3は推論コストを50%削減しますが、GROQ LPUはリアルタイムアプリケーションでサブミリ秒レイテンシを達成します。 Qualcomm Cloud AI 100 Ultraは、エッジデバイスの採用でリードし、自動車およびスマートフォンAI機能を低消費電力でサポートしています。ウェーハスケールデザインを備えたセレブラスWSE-3は、超大規模な科学的AIモデルをサポートし、イノベーションの認識を受けています。

Edge AIは成長傾向であり、60%を超える新しいAIチップがエッジデバイスをターゲットにして、潜在性と帯域幅コストを削減します。エネルギー効率とモジュラーシップレット設計も、AIハードウェアの未来を形作っています。

高度なプロセスノードと小型化

半導体アプリケーション 高度なパフォーマンスと低電力消費を達成するために、高度なプロセスノードに依存しています。 TSMCの3NM（N3）、Samsungの3NM（3GAE）、Intelの3NMプロセスなどの最先端のノードは、トランジスタ密度と効率の限界を押し上げます。

Intelの4つのプロセスノードは、mm²あたり1億2,300万のトランジスタを実現し、前身の密度を2倍にし、同じ周波数で最大40%の低電力を提供します。デバイスが3nm未満で縮小すると、電子トンネリングなどの量子効果が漏れ電流と熱を増加させ、信頼性に挑戦します。業界は、高度なリソグラフィ、新しい材料、3D統合技術に関するこれらの問題に対処しています。これらのイノベーションにより、継続的なスケーリングが可能になりますが、新しい設計と製造戦略も必要です。

新しい材料：窒化ガリウムと炭化シリコン

窒化ガリウム（GAN）および炭化シリコン（SIC）は、パワーエレクトロニクスとRFアプリケーションに革命をもたらしています。これらのワイドバンドギャップ材料は、より高い出力密度、より速いスイッチング、効率の向上を可能にすることにより、従来のシリコンよりも優れています。 GANの高い電子移動度と故障電圧により、迅速な切り替えとコンパクトな設計が可能になり、DC/DCコンバーター、インバーター、RFアンプに最適です。 SICは、電気自動車のパワートレイン、再生可能エネルギーインバーター、および産業ドライブをサポートし、高電圧および高温環境に優れています。

GANトランジスタは、最大100 GHzまでの周波数で効率的に動作し、5Gの通信および軍事レーダーシステムをサポートします。 SICデバイスは、600 Vを超える電圧と150°Cを超える温度を処理し、シリコンで5-10%の効率を改善し、冷却要件を削減します。 GANデバイスの市場は、自動車、航空宇宙、およびデータセンターアプリケーションによって推進された2030年までに、2025年の$78億から2030年までに$182億に成長すると予測されています。

GANとSICは、次世代の電気自動車、再生可能エネルギー、高周波通信をサポートし、より小さく、軽量で、より効率的な電力システムを可能にします。

チップレットとモジュラー設計

ChipletおよびModular Design Apportは、複雑な半導体システムを、Chipletsと呼ばれるより小さな再利用可能なコンポーネントに分割します。この戦略により、柔軟な統合、スケーラビリティ、および迅速な製品開発が可能になります。設計者は、特定のアプリケーションのキプレットを混合および一致させ、さまざまなプロセスノードと特殊な機能を組み合わせて、パフォーマンスとコストを最適化することができます。

• Chiplet Technologyは、独立した最適化とコンポーネントの再利用を可能にすることにより、市場までの時間を速くサポートします。
• Universal Chiplet Interconnect Express（UCIE）などの標準化の取り組みは、相互運用性を促進し、開発を加速します。
• 2.5Dや3Dスタッキングなどの高度なパッケージング方法は、シップレット間の高い帯域幅と低レイテンシを維持します。
• AMD、Intel、およびQualcommなどの業界リーダーは、Chipletアーキテクチャを使用して、スケーラビリティと電力効率を向上させます。

ただし、Chiplet Designは、共同設計、テスト、熱管理、セキュリティの課題をもたらします。高性能コンピューティングシステムのパフォーマンスと信頼性を維持するには、高度な相互接続とパッケージングテクノロジーが不可欠です。

裏側の電力供給とエネルギー効率

バックサイドパワーデリバリー（BPD）は、高度な半導体デバイスのエネルギー効率を高めるブレークスルーです。電力供給ネットワークをシリコンウェーハの裏側に移動することにより、BPDはより大きく、抵抗性の低い電力相互接続を可能にします。これにより、電圧の垂れ下がった垂れ下がった消費量が減少し、トランジスタに安定した電源が供給され、より高い動作周波数が可能になります。

また、BPDは、信号ルーティング、輻輳の低減、信号速度の向上のために、前側のスペースを自由にします。スルーシリコンバイアス（TSV）やウェーハレベルのパッケージなどのテクノロジーは、効率的な垂直電力供給をサポートします。 IntelのPowerViaテクノロジーは、特定のノードでの電力損失の最大30%の減少と15-20%の消費量の減少を示しています。これらの改善は、エネルギー効率と熱管理が最優先事項であるAI、5G、および高性能コンピューティングにとって重要です。

AI駆動型および「シフト左」のチップデザイン

AI駆動型および「シフト左」の方法論は、プロセスの重要な段階を自動化および最適化することにより、チップ設計を変換しています。 AIは、過去の設計パターンを分析して、ロジック、配置、ルーティング、バランスエリア、パワー、タイミングの制約を最適化します。ニューラルネットワークと遺伝的アルゴリズムは、レイアウトの生成を自動化し、手動の努力を削減し、タイムラインを加速します。

• AI駆動型検証は、設計の弱点を早期に検出し、信頼性を向上させ、検証サイクルを短縮します。
• 「シフト左」アプローチには、初期の信号整合性分析が組み込まれているため、費用のかかる後期段階の修正が削減されます。
• AIツールは、従来の方法よりも最大10倍速く設計タスクを加速でき、迅速なイノベーションをサポートします。
• これらの方法により、複雑なマルチダイと異種の統合プロジェクトのためのスケーラブルで柔軟な設計が可能になります。

データの品質や既存のツールとの統合など、課題は残っていますが、ハイブリッドのAI伝統的なアプローチは、将来の改善の可能性を示しています。

製造におけるデジタルツインテクノロジー

デジタルツインテクノロジーは、半導体ファブ、機器、およびプロセスの仮想レプリカを作成します。これらのデジタルモデルにより、リアルタイムシミュレーション、監視、最適化が可能になり、収量を改善し、欠陥を減らします。

• 自己認識ツールは、製造プロセスを監視し、潜在的な障害をリアルタイムで検出します。
• 予測メンテナンスは、機器の問題を予測することにより、ダウンタイムを短縮し、生産性を向上させます。
• 仮想ビルドとシミュレーションは、設計の問題を早期に識別し、開発コストの低下とコストを削減します。
• AIを搭載したデジタルツインは、プロセスの最適化、品質管理、およびリソースの使用に関する実用的な洞察を提供します。
• Applied Materials EcotWin™などのツールレベルのデジタルツインは、ウェーハ処理を最適化するために機器を自律的に監視および調整します。

Hitachi High-TechのMetrology Solutionsは、重要な寸法をインラインで測定し、プロセス制御をサポートし、収量の損失を減らします。デジタルツインは、ラントゥランコントロールから予測的なメンテナンスまで、複数のレベルで展開され、自律的なファブと効率的な意思決定をサポートします。

デジタルツインテクノロジーは、製品開発を加速し、品質を向上させ、高度な半導体アプリケーションの複雑な製造ニーズをサポートします。

AIおよび高性能コンピューティングの半導体アプリケーション

機械学習と生成AIの加速

データセンターは現在、高度な半導体テクノロジーに依存して、機械学習と生成的AIタスクを高速化しています。 NvidiaやIntelのような企業は、この変革を専門のチップでリードしています。以下の表は、さまざまなテクノロジーがどのようにより速く貢献するかを強調しています AIワークロード:

AI固有のGPUとTPUは、GPT-4などの大規模なモデルに必要な高い計算能力を提供します。 5NMや3NMなどの高度なプロセスノードにより、チップがより速く実行され、エネルギーを使用することが少なくなります。 AIアクセラレータとNPUはリアルタイム処理を処理し、AIアプリケーションをより効率的にします。半導体アプリケーションのこれらの進歩は、データセンターがAIの需要の高まりをサポートするのに役立ちます。

高帯域幅メモリとクラウド統合

高帯域幅メモリ（HBM）は、クラウドベースのAIおよび高性能コンピューティング（HPC）システムがどのように動作するかを変更します。 HBMは、スルーシリコンバイアスで接続された積み重ねられたメモリを使用します。これにより、レイテンシが減少し、帯域幅が増加します。この設計により、プロセッサは大量のデータに迅速にアクセスでき、大規模な並列処理をサポートします。

• HBMは、大規模なAIモデルのトレーニングと実行に不可欠な従来のメモリよりも高い帯域幅を提供します。
• 2.5D統合などの高度なパッケージは、メモリ密度と電力効率を向上させます。
• 転送されたビットあたりの消費電力の低下は、大規模なデータセンターのエネルギーコストを削減するのに役立ちます。
• MarvellのようなカスタムHBMソリューションは、最大25%のコンピューティング容量と70%低いインターフェイスパワーを提供します。

MetaのLlama 3インフラストラクチャは、HBM3で数千のGPUを使用しており、高効率を達成し、数百万の電力コストを節約しています。これらの機能により、HBMはクラウドプロバイダーとハイパースケーラーにとって重要なテクノロジーになり、メモリボトルネックやスケールAIワークロードを克服するのに役立ちます。

自動車とモビリティの半導体アプリケーション

自動運転車と高度なドライバー支援システムの動力

自動車技術は現在、より安全でよりスマートな車両を可能にするために、高度な半導体イノベーションに依存しています。企業は、大量のセンサーデータを処理し、リアルタイムの意思決定を行うために、専門のチップを設計します。以下の表は、主要なイノベーション分野と主要な例を強調しています:

これらのイノベーション分野は、車両が周囲を感知し、迅速な決定を下し、つながりを維持するのに役立ちます。この分野の半導体アプリケーションは、安全性、効率、および運転体験を改善します。

電気自動車のパフォーマンスの向上と充電

電気自動車（EV）は、バッテリー管理と充電速度を高める新しい半導体技術の恩恵を受けます。炭化シリコン（SIC）や窒化ガリウム（GAN）などの広帯域材料は、より高い電圧とより速いスイッチングを可能にします。これらのプロパティは、エネルギーの損失と熱を減らし、EVが1回の充電でさらに駆動するのに役立ちます。 SICモジュール また、高電圧を処理し、冷却ニーズを減らすことにより、高速DC充電をサポートします。モジュラー充電器設計では、積み重ねられたSICユニットを使用して、電力と信頼性を高めます。

半導体は、より安全で手頃なバッテリータイプをサポートする正確なバッテリーセルモニタリングを可能にするようになりました。インテリジェントバッテリージャンクションボックスは、通信と測定を改善し、バッテリーシステムをより信頼性を高めます。これらの進歩により、EVは異なる電圧レベルを使用することで、自動車メーカーが設計に柔軟性を高めることができます。その結果、ドライバーはより速い充電、より長い範囲、および安全性の向上を経験します。

自動車メーカーは、半導体の革新に依存して、モビリティの将来のために、よりスマートでより安全な、より効率的な車両を提供します。

IoTおよびスマートデバイスの半導体アプリケーション

何十億もの接続されたデバイス用の超低パワーチップ

超低パワーチップは、IoTおよびスマートデバイスの急速な拡張を促進します。これらのチップは、高度な電力管理とエネルギー収穫を使用して、バッテリーの寿命を延ばし、メンテナンスを削減します。重要な進歩には含まれます:

• エネルギー収穫技術により、デバイスは、光、熱、無線波などの周囲のソースから充電し、持続可能な運用をサポートできます。
• サブスレッドデザイン、適応電圧スケーリング、パワーゲーティング、睡眠モードなどの電力管理技術は、エネルギー使用を最小限に抑えます。
• 窒化ガリウム（ガン）を含む新しい材料 silicon carbide (SiC)、効率と信頼性を向上させます。
• E-PEAのような企業は、エネルギーの収穫と電力を管理する統合回路を作成し、バッテリーの交換の必要性を減らします。
• IoT Microchipsは、適応力のある電力管理とエッジ処理を備えているようになりました。これにより、エネルギー消費が低下し、デバイスの寿命が長くなります。

これらのイノベーションは、数十億のIoTデバイスが限られた電力でより長く動作し、コストを削減し、環境の持続可能性をサポートするのに役立ちます。

安全でスケーラブルな接続ソリューション

セキュリティとスケーラビリティは、IoTネットワークの最優先事項のままです。最新の半導体ソリューションは、安全なエンクレーブやハードウェアのルーツなどのハードウェアベースのセキュリティ機能を、ユニークなデバイスIDと統合します。これらの機能により、安全な認証と暗号化された通信が可能になり、不正アクセスからデータとデバイスを保護します。 AI駆動型の異常検出と予測的脅威緩和は、ネットワークエッジでの新たな脅威に対する適応的な反応を提供します。

信頼のハードウェアルートは、各デバイスを一意に検証できることを保証し、スプーフィングされたデバイスがネットワークに参加するのを防ぎます。統合されたISIMソリューションは、安全なSIMオペレーティングシステム、信頼のハードウェアルーツ、およびリモートプロビジョニングを組み合わせます。このアプローチは、小さなセンサーから産業システムまで、幅広いIoTアプリケーションに柔軟でスケーラブルで安全なセルラー接続を提供します。

電気通信における半導体アプリケーション：5Gおよび6G

高速、低遅延ネットワークイネーブルメント

電気通信ネットワークは現在、高度な半導体テクノロジーに依存して、ユーザーが5Gおよび将来の6Gシステムから期待する速度と信頼性を提供します。エンジニアは、特殊なRFトランシーバー、アプリケーションプロセッサ、およびFPGAを使用して、高周波信号を処理し、リアルタイムで適応します。これらのコンポーネントは、ネットワークが超高速と非常に低いレイテンシを達成するのに役立ちます。

• 窒化ガリウム（GAN）および炭化シリコン（SIC）材料により、デバイスはより高い周波数で動作し、6Gに不可欠な電力効率が高くなります。
• 統合フォトニクスは、1つのチップに光と電子回路を組み合わせ、帯域幅を増加させ、信号損失を減らします。
• 人間の脳に触発された神経型コンピューティングチップは、複雑なネットワークタスクのより速い意思決定をサポートします。
• アンテナインパッケージ（AIP）テクノロジーは、アンテナを半導体パッケージに直接配置し、MMWAVEおよびサブテラハツ通信のパフォーマンスを向上させます。

これらのイノベーションは、ネットワークが1 TBPを超えてゼロに近いレイテンシを超えるデータレートに到達し、リアルタイムのリモート手術や自律システムなどの新しいアプリケーションをサポートします。

大規模なデバイス接続をサポートします

次世代ネットワークは、スマートフォンから産業センサーまで、数十億のデバイスを接続する必要があります。半導体アプリケーションは、いくつかの重要な進歩を伴うこの課題に対処します:

• Gan-on-Si RFトランジスタは、低電圧で高いゲインと効率を提供します。これは、6GおよびMMWAVEアンプにとって重要です。
• System-on-chip（SOC）は、プロセッサ、メモリ、RFコンポーネントを統合し、デバイスをより小さく、より強力に設計します。
• 3NMやサブ5NMなどの高度な製造ノードは、大きなデータ負荷を管理するAI駆動型プロセッサを有効にします。
• 低電力半導体は、IoTデバイスのバッテリー寿命を延ばしますが、堅牢なセキュリティ機能は機密データを保護します。
• 改善された熱管理と信号フィルタリングは、デバイスの密度が増加しても信頼性の高い接続を維持します。

これらの開発により、将来のネットワークが大規模な接続性、高いデータ速度、複雑な処理ニーズを処理できるようになります。

持続可能な半導体アプリケーションとグリーンテクノロジー

チップ生産におけるエネルギー消費の削減

チップ製造は大量のエネルギーを使用しています。企業は現在、これらのプロセスをより効率的にして環境への影響を抑えることに焦点を当てています。拡散、エッチング、リソグラフィなどのステップを最適化して、より少ないパワーを使用します。多くのファブが採用しています 省エネのテクニック より良いHVACや水システムなどのデータセンターから。より多くの工場では、再生可能エネルギー源を使用して運用を実行します。

メーカーはまた、冷却とリサイクルを改善することでチップの寿命を延ばし、エネルギーの投資収益率を高めます。彼らは、正確な窒素投与を使用して、廃棄物とエネルギーの使用を削減します。エネルギー効率の高いコンポーネントは、クリーンルームの電力ニーズを減らすのに役立ちます。ピエゾテクノロジーは窒素消費を削減し、品質を高く保ちながらCO排出を減少させます。

主要な省エネ方法には含まれます:

• リソグラフィ、エッチング、および堆積における機器の効率の向上。
• 温室効果ガスのフットプリントが低い材料を使用します。
• 不活性環境での窒素の使用を最適化します。
• HVACおよび水システムの施設全体のアップグレード。

これらの戦略は、チップ生産の二酸化炭素排出量を減らし、よりクリーンな未来をサポートするのに役立ちます。

再生可能エネルギーとスマートグリッドをサポートします

半導体アプリケーションは、再生可能エネルギーおよびスマートグリッドシステムにおいて重要な役割を果たします。最新のチップにより、効率的な電力変換、エネルギー貯蔵、グリッド統合が可能になります。下の表は、さまざまな半導体技術がこれらの領域をどのようにサポートするかを示しています:

スマートグリッドは、これらのテクノロジーを使用して、エネルギーの供給と需要のバランスを取ります。これらは、電気自動車のスマート充電を可能にし、家庭やオフィスでのエネルギー使用を自動化します。タイやニューヨークのような州のような国は、再生可能エネルギーを処理し、信頼性を向上させるためにグリッド近代化に投資しています。これらの進歩により、エネルギーシステムはより柔軟で効率的で、持続可能になります。

半導体アプリケーションの課題を克服します

サプライチェーンのシフトと人材不足に対処します

半導体企業は継続的に直面しています サプライチェーンの混乱 熟練労働者の不足。多くのメーカーは、労働力不足による収益損失とコストの増加を報告しています。企業は、より高い給与と残業を提供することで対応し、賃金請求書を引き上げます。外部の熟練労働への依存を減らすために、彼らはシミュレーションソフトウェアと既存のスタッフを拡大します。
重要な戦略には含まれます:

• レジリエンスを改善するために、製造と多様化のサプライヤーベースを再用します。
• 学校、政府、私立パートナーとの労働力開発プログラムを構築します。
• 自動化とAIを採用して、効率を高め、希少な才能の必要性を減らします。
• 一緒に仕事をする従業員を熟考し、再スキルする 先端技術.
• 規制と顧客の期待を満たすための持続可能性と倫理的調達に焦点を当てる。
• 見習い、ブートキャンプ、および共同トレーニングセンターを通じて協力して、スキルのギャップを埋めます。

経済的および地政学的な圧力をナビゲートします

経済的および地政学的な要因は、世界の半導体産業を形成します。以下の表は、最近の傾向を強調しています:

米国と中国は、国内の生産と技術のリーダーシップに多額の投資をしています。輸出制御とサプライチェーンは、企業が製造所を多様化するように促します。ヨーロッパはまた、そのセクターを強化するための補助金と投資を増やしています。これらのプレッシャーは、革新と回復力への焦点を促進します。

環境の持続可能性の向上

業界は、環境への影響を軽減するために働いています。企業は、より少ない地球温度の潜在的ガスを使用するプロセスを採用し、排出量の軽減技術に投資しています。彼らは、センシングと自動化を使用して、原材料の使用を最適化し、水をリサイクルし、ガスを処理します。現在、多くの工場は再生可能エネルギーにもっと依存しています。政府の規制とインセンティブは、企業に持続可能性の枠組みを採用するように促します。 Samsung、Intel、NXP、Infineonなどの大手企業は、これらの分野で実際的な進歩を示しています。

半導体アプリケーションは、よりスマートなデバイス、持続可能な製造、迅速な革新を可能にすることにより、産業を変革し続けています。

• 専門家は、AI、自動車、およびIoTの強力な成長を予測し、新しい材料と高度なパッケージに拍車をかけられています。

業界の回復力と持続可能性に焦点を当てることで、接続されたテクノロジーが急速に進化し、企業や社会に新しい機会を提供します。

よくあるご質問

高度な半導体アプリケーションから最も恩恵を受ける業界は何ですか？

自動車、電気通信、ヘルスケア、および家電製品は、最大の影響があると考えています。これらのセクターは、半導体を使用して、パフォーマンス、安全性、接続性を向上させます。

GanやSICなどの新しい素材は、チップのパフォーマンスをどのように改善しますか？

窒化ガリウム（ガン）および silicon carbide (SiC) チップをより速く、より涼しく実行させます。これらの材料は、より高い電圧と周波数をサポートし、効率が向上します。

半導体設計でエネルギー効率が重要なのはなぜですか？

エネルギー効率の高いチップ 電力使用量を削減し、熱を減らし、デバイスの寿命を延ばします。企業は、電力を減らすことでお金を節約し、環境を支援します。