【半導体ラボ①】半導体とは何か？CPU・メモリ・パワー半導体・イメージセンサーの基礎をわかりやすく解説

「半導体が足りない」「半導体をめぐる米中対立」――ニュースで頻繁に耳にするようになったこの言葉、実際のところ何なのかを正確に説明できる人は少ない。株式投資をしていてもSoC（System on Chip）やDRAMといった用語が飛び交い、置いてけぼりになることも多いはずだ。

この連載では、半導体の基礎から始まり、製造工程・サプライチェーン・歴史・地政学など、半導体をめぐるさまざまなテーマを引き続き深掘りしていく。第1回は「そもそも半導体とは何か」という最も根本的な疑問に答える。

半導体（Semiconductor）とは何か

物質は電気の通しやすさによって3種類に分類される。

半導体の最大の特徴は「条件次第で電気の流れやすさを制御できる」点にある。温度・光・電圧などを加えることで、導体にも絶縁体にもなれる。この性質を利用して「電気のスイッチ」として機能させるのがトランジスタ（Transistor）の原理だ。

なぜシリコン（Silicon）が主役なのか

半導体素材として使える物質はいくつかあるが、現在の主流はシリコン（Silicon、元素記号Si）だ。理由は3つある。

• 地球上に豊富：砂や石英の主成分であるケイ素（シリコン）は地殻の約28%を占め、入手しやすい
• 加工しやすい：高純度に精製でき、薄い円盤状（ウェーハ/Wafer）に加工して回路を焼き付けられる
• 特性が安定：温度変化に対して比較的安定した性質を持ち、量産品質の均一化が容易

ただし近年は電気自動車（EV）向けを中心に、より高電圧・高温に強いSiC（炭化ケイ素/Silicon Carbide）やGaN（窒化ガリウム/Gallium Nitride）といった次世代素材も台頭してきている。

半導体の主な用途4種類

半導体はその使われ方によって大きく4種類に分類できる。

① CPU／GPU ――「計算する」チップ

CPU（Central Processing Unit、中央処理装置）はコンピュータの頭脳にあたる部品で、命令を順番に処理する汎用演算を担う。Intel・AMDが代表的なメーカーだ。

GPU（Graphics Processing Unit、画像処理装置）はもともとゲームの映像描画用だったが、大量の並列計算が可能という特性がAI（人工知能）の学習に適しており、現在はAIチップとしての需要が急拡大している。NVIDIAが市場を独占している。

② メモリ ――「記憶する」チップ

DRAM（Dynamic Random Access Memory）は作業中のデータを一時的に保存する揮発性メモリ（Volatile Memory）。電源を切るとデータが消える。Samsung・SK Hynix・Micronが主要メーカー。

NAND Flash（フラッシュメモリ）は電源を切ってもデータが残る不揮発性メモリ（Non-Volatile Memory）。スマートフォンのストレージやSSDに使われる。

近年注目されるHBM（High Bandwidth Memory、高帯域幅メモリ）はDRAMを縦に積み重ねた高性能品で、NVIDIAのAI向けGPUに組み合わせて使われている。

③ パワー半導体（Power Semiconductor）――「電力を制御する」チップ

電力の変換・制御を担う半導体で、インバーター（Inverter）やコンバーター（Converter）に内蔵されている。スマートフォンの充電器から電気自動車（EV）、太陽光発電の制御装置まで幅広く使われており、EVの普及とともに需要が急増中だ。代表メーカーはインフィニオン（Infineon）・ローム（ROHM）・三菱電機など。

④ イメージセンサー（Image Sensor）――「光を電気に変える」チップ

カメラのレンズが捉えた光を電気信号に変換する半導体。スマートフォンのカメラ・監視カメラ・自動運転車の認識システム・医療用内視鏡など幅広く搭載されている。主流技術はCMOSセンサー（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）で、ソニー（Sony）が世界シェア約50%を握っている。

なぜ今、半導体が注目されるのか

半導体はかつて「電機メーカーの部品」として語られていたが、現在は安全保障（National Security）と経済覇権の核心に位置づけられている。

理由は単純だ。スマートフォン・自動車・医療機器・軍事システムに至るまで、すべての現代的な製品が半導体なしには動かない。「半導体を制する者が、技術覇権を制する」という構図が明確になったことで、米国・中国・日本・欧州がこぞって半導体産業への投資と規制を強化している。

この連載では、製造工程・サプライチェーン・歴史・地政学など、半導体をめぐるさまざまなテーマを引き続き深掘りしていく。

まとめ