The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

校正: Yasushi Aoki

昔 コンピュータは 部屋ほどの大きさがありました

しかし今ではポケットの中に入り

手首に着けられますし

体に埋め込むことさえできます

Computers used to be as big as a room.

すごいものですよね

But now they fit in your pocket,

それも回路の中にある 小さなスイッチ—

on your wrist

and can even be implanted inside of your body.

コンピュータの中枢である トランジスタの

How cool is that?

小型化で可能になったことで

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

それは数十年に及ぶ開発と

科学分野や工学分野の進歩と

which are the tiny switches in the circuits

at the heart of our computers.

何十億ドルもの投資により 成し遂げられたことです

And it's been achieved through decades of development

それにより膨大な計算能力と

and breakthroughs in science and engineering

膨大な記憶容量と

私たちが現在経験し享受している デジタル革命がもたらされました

and of billions of dollars of investment.

But it's given us vast amounts of computing,

でも悪い知らせがあります

huge amounts of memory

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

トランジスタの微細化が 鈍化していて

私たちはデジタルの行き詰まりに 近づいているのです

But the bad news is,

それと同時に

we're about to hit a digital roadblock,

人工知能やビッグ・データによる ソフトウェアのイノベーションが

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

容赦なく進み続けています

And this is happening at exactly the same time

私たちのデジタル機器は 顔認識やARを普通に行い

as our innovation in software is continuing relentlessly

with artificial intelligence and big data.

危うい雑然とした道路で 車の自動運転をしさえします

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

驚くべきことです

しかしソフトウェアの要求に 追い付けなければ

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

ソフトウェアで 実現できるであろう事が

It's amazing.

But if we don't keep up with the appetite of our software,

ハードウェアによって 制限されてしまう

そんな状況に私たちの技術開発は 陥ってしまうかもしれません

we could reach a point in the development of our technology

旧型のスマートフォンやタブレットが ソフトウェアアップデートや新機能の追加で

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

時につれて動作が遅くなり ついには動かなくなってしまい

by our hardware.

イライラさせられるというのは 誰もみな経験しています

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

ちょっと前に買った時には 問題なく動作したのに

grinding slowly to a halt over time

意欲的なソフトウェア技術者が 次第にハードウェアの能力を

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

使い切ってしまうのです

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

半導体業界は この事態に気付いていて

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

独創的な解決方法に 取り組んでいます

over time.

トランジスタを超えた 量子コンピュータや

The semiconductor industry is very well aware of this

and is working on all sorts of creative solutions,

更には異なる構造を持つ トランジスタ

such as going beyond transistors to quantum computing

ニューラルネットの ようなものにより

より頑健で効率的な回路を 作ろうとしています

or even working with transistors in alternative architectures

しかし このようなアプローチは 多くの時間を必要とするので

such as neural networks

この問題に対するもっと直近の 解決法を探しているのです

to make more robust and efficient circuits.

But these approaches will take quite some time,

トランジスタの微細化が 鈍化している理由は

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

製造工程が増々複雑に なっているからです

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

純粋シリコン結晶の ウェハーを使った

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

集積回路が発明されるまでは

トランジスタは大きく かさばるものでした

The transistor used to be a big, bulky device,

50年に及ぶ継続的な開発により

until the invent of the integrated circuit

トランジスタの寸法を 10ナノメートルまで

based on pure crystalline silicon wafers.

小さくできるようになりました

And after 50 years of continuous development,

１ミリ四方のシリコンウェハーに

we can now achieve transistor features dimensions

10億個以上のトランジスタを 埋め込めます

down to 10 nanometers.

比較として言うと

ヒトの毛髪の幅は100ミクロン

You can fit more than a billion transistors

in a single square millimeter of silicon.

肉眼では見えない赤血球は

And to put this into perspective:

直径８ミクロンの大きさで

毛髪の幅に12個並べられます

a human hair is 100 microns across.

トランジスタは はるかに小さく

A red blood cell, which is essentially invisible,

is eight microns across,

１ミクロンの 数十分の１しかありません

and you can place 12 across the width of a human hair.

赤血球の直径に 260個のトランジスタを

But a transistor, in comparison, is much smaller,

並べる事ができますし

at a tiny fraction of a micron across.

ヒトの毛髪であれば その幅に 3,000個を並べる事ができます

You could place more than 260 transistors

信じられないようなナノテクノロジーが 皆さんのポケットには入っているのです

across a single red blood cell

or more than 3,000 across the width of a human hair.

微細化する事で 数多くのトランジスタを

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

１つのチップに配置できるという 自明な恩恵があるだけでなく

微細なトランジスタは より高速なスイッチであり

And besides the obvious benefit

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

微細なトランジスタは より効率的なスイッチです

smaller transistors are faster switches,

この組み合わせによって

こんにち私たちが享受している 低価格で高性能で高効率な電子機器が

and smaller transistors are also more efficient switches.

もたらされているのです

So this combination has given us

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

そのような集積回路を 製造するには

純粋結晶のシリコンウェハーに トランジスタを

that we all enjoy today.

多層構造に作り上げます

To manufacture these integrated circuits,

非常に単純化して説明すると

the transistors are built up layer by layer,

それぞれの回路の機構は

on a pure crystalline silicon wafer.

シリコンウェハーの表面に投影されて

And in an oversimplified sense,

感光性材料に記録され

every tiny feature of the circuit is projected

その感光性材料を通して エッチングすることで

onto the surface of the silicon wafer

下側の層にパターンが残ります

and recorded in a light-sensitive material

この製造プロセスは 長年にわたり劇的に改善され

and then etched through the light-sensitive material

to leave the pattern in the underlying layers.

現在のような性能を 電子機器に与えましたが

トランジスタの形状が より微細になるにつれ

And this process has been dramatically improved over the years

この製法の物理的な限界に 近づいています

to give the electronics performance we have today.

But as the transistor features get smaller and smaller,

このパターニングを行う 最新のシステムは

we're really approaching the physical limitations

とても複雑になり

of this manufacturing technique.

聞くところでは その費用は １台が100億円を超えるものです

The latest systems for doing this patterning

半導体工場にはそのような機材が 数十台もあります

have become so complex

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

そのため人々は真剣に 自問しています

このアプローチは長期的に 継続可能なのか？

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

しかし チップの製造を行う 根本的に異なった

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

費用効率のずっと 高い方法があると考えています

But we believe we can do this chip manufacturing

分子工学を活用し

ナノスケールで 自然を模倣するのです

in a totally different and much more cost-effective way

using molecular engineering and mimicking nature

お話しした通り従来の製造方法は 回路のすべての機構を

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

シリコンウェハーに 投影するものでした

しかし集積回路の構造—

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

トランジスタの配列を 観察すると

and projects it onto the silicon.

同じような機構が 何百万回も繰り返されていて

But if you look at the structure of an integrated circuit,

とても周期的な 構造になっています

the transistor arrays,

私たちの代替製造技術では

many of the features are repeated millions of times.

この周期性を利用したいのです

It's a highly periodic structure.

トランジスタに必要とされる

So we want to take advantage of this periodicity

周期的な構造を 自然に形作るために

in our alternative manufacturing technique.

自己組織化材料を利用したいのです

We want to use self-assembling materials

投影技術を限界まで

to naturally form the periodic structures

あるいはそれ以上に 極めるのではなく

that we need for our transistors.

材料自身に高精細なパターニングを 行わせるのです

We do this with the materials,

then the materials do the hard work of the fine patterning,

自己組織化は脂質膜から 細胞構造まで

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

自然界の至るところで観察でき

広く適応できる解決策に なりうることが分かります

Self-assembly is seen in nature in many different places,

自然界でうまくいくなら 私たちにもうまくいくはずです

from lipid membranes to cell structures,

ですので自然に発生する 適応性の大きい自己組織化を採用し

so we do know it can be a robust solution.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

半導体の製造技術に 利用したいのです

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

自己組織化材料の一種である

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

ブロック共重合体と 呼ばれる材料は

長さが数十ナノメートルの ２種類の高分子鎖を含んでいます

One type of self-assemble material --

２つの高分子鎖は お互いを嫌います

it's called a block co-polymer --

相互に反発し

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

水と油 あるいは十代の 私の息子と娘のような関係です

（笑）

But these chains hate each other.

しかし無情にそれらを結合させ

They repel each other,

内在的なフラストレーションを 作り出します

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

高分子鎖は互いに 反発しようとします

(Laughter)

But we cruelly bond them together,

材料の塊の中には このような分子が何十億も含まれており

creating an inbuilt frustration in the system,

類似の部分が結合しようとする力と

as they try to separate from each other.

異なる部分が反発しようする力が

And in the bulk material, there are billions of these,

同時に働きます

内在的なフラストレーション ― 緊張関係があって

and the similar components try to stick together,

安定した形状になろうと もがきまわります

and the opposing components try to separate from each other

at the same time.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

自然な自己組織化された形状は

ナノスケールで 規則的 周期的で 長さがあり

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

まさにトランジスタの配列に 求められるものです

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

it's regular, it's periodic, and it's long range,

分子工学を活用することで

異なる形状 異なる大きさ 異なる周期のものを

which is exactly what we need for our transistor arrays.

デザインできます

例を挙げると

So we can use molecular engineering

２本の高分子鎖がほぼ同長である 対称分子を使うと

to design different shapes of different sizes

and of different periodicities.

自己組織化によって形成される 自然な構造は

So for example, if we take a symmetrical molecule,

長く婉曲した線状になり

where the two polymer chains are similar length,

まるで指紋のようです

the natural self-assembled structure that is formed

出来上がった指紋のような線の 幅と間隔は

is a long, meandering line,

高分子鎖の長さと

very much like a fingerprint.

And the width of the fingerprint lines

内在的なフラストレーションの 強さにより決まります

and the distance between them

もっと手の込んだ構造を 作ることも可能です

is determined by the lengths of our polymer chains

高分子鎖の長さが 明らかに異なる

but also the level of built-in frustration in the system.

非対称の分子を 使用します

And we can even create more elaborate structures

if we use unsymmetrical molecules,

ご覧の例では自己組織化による 形状形成において

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

短い鎖が構造の中央で 球状になり

反対側の長い高分子鎖によって 包み込まれ

And the self-assembled structure that forms in this case

自然に円柱を形成します

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

この円柱の大きさと

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

円柱同士の間隔 周期性は

forming a natural cylinder.

高分子鎖の長さと 内在的なフラストレーションの強さにより

And the size of this cylinder

and the distance between the cylinders, the periodicity,

決定されます

言い換えれば 分子工学を活用することで

is again determined by how long we make the polymer chains

自己組織化する ナノスケールの構造を

and the level of built-in frustration.

指定した通りの大きさや周期性で 線状や筒状にできるのです

So in other words, we're using molecular engineering

to self-assemble nanoscale structures

化学を活用する化学工学を

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

トランジスタに必要なナノスケールの特徴を 製造するために利用するのです

We're using chemistry, chemical engineering,

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

しかし自己組織化で 構造を作る能力は

必要なものの半分であって

さらに 集積回路上の トランジスタの位置に

But the ability to self-assemble these structures

そのような構造を配置する 必要があります

only takes us half of the way,

でもそれは比較的容易にでき

because we still need to position these structures

自己組織化された構造を固定する 少し大きなガイド構造を使い

where we want the transistors in the integrated circuit.

But we can do this relatively easily

自己組織化構造を固定し

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

その後に形成される 自己組織化構造を

ガイド構造に添って

平行に並ばせればいいのです

anchoring them in place

and forcing the rest of the self-assembled structures

例えば これまでの投影による製造方法では 極めて困難とされてきた

to lie parallel,

40ナノメートル幅の 精密な線を作る場合は

aligned with our guide structure.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

従来の投影技術により

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

120ナノメートル幅の ガイド構造を製造し

そのガイド構造に３つの40ナノメートル幅の 自己組織化構造を並べれば良いのです

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

with normal projection technology,

つまり材料そのものが最も困難とされる 精密なパターニングを行うのです

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

私たちはこのアプローチを 「自己組織化リソグラフィ」と呼んでいます

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

自己組織化リソグラフィで難しいのは

And we call this whole approach "directed self-assembly."

系全体がほぼ完璧に 整列する必要があることで

わずかな構造の欠陥がトランジスタの 機能不全を引き起します

The challenge with directed self-assembly

is that the whole system needs to align almost perfectly,

そして集積回路には 数十億のトランジスタがあるので

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

分子レベルで完璧な システムが必要なのです

この実現のために 並外れた手法を取ろうとしています

And because there are billions of transistors in our circuit,

化学物質の清浄度から

we need an almost molecularly perfect system.

半導体工場内での材料に対する

But we're going to extraordinary measures

注意深い処理まで

ナノスケールの欠陥を 取り除こうとしています

to achieve this,

from the cleanliness of our chemistry

to the careful processing of these materials

自己組織化リソグラフィは 刺激的で 新しい破壊的テクノロジーですが

in the semiconductor factory

to remove even the smallest nanoscopic defects.

まだ開発段階にあります

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

しかしこの技術を 革命的な新しい半導体の製造方法として

数年の内に

but it is still in the development stage.

半導体業界に導入できるだろうと

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

自信を深めています

もし実現でき 成功を収めれば

to the semiconductor industry

as a revolutionary new manufacturing process

費用効率の良い

トランジスタの微細化を継続でき

in just the next few years.

驚異的な計算能力の拡張と デジタル革命を

And if we can do this, if we're successful,

we'll be able to continue

継続することができ

with the cost-effective miniaturization of transistors,

更には分子製造という

continue with the spectacular expansion of computing

新時代の幕開けと なるかもしれません

何と素晴らしいことでしょう

and the digital revolution.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

ありがとうございました

（拍手）

of molecular manufacturing.

How cool is that?

Thank you.

(Applause)