第4章: 何十億個のスイッチを並べる — 集積回路と CMOS
1958 年 7 月、テキサス・インスツルメンツ。
夏休みで人がいない研究室に、入社まもない ジャック・キルビー がひとり残されていた。
「トランジスタも抵抗もコンデンサも、ぜんぶ同じシリコン片に直接刻めばいい」
彼はラボノートにそう書き、小さな板を作った。
それまで「部品はバラバラに作って、後で配線する」のが常識だった。
この発想の転換が、その後 60 年の半導体産業を生んだ。
4.1 トランジスタ 1 個では、何もできない
前章で見たとおり、MOSFET は ON/OFF のスイッチだ。 だがスイッチ 1 個では、計算もできなければメモリにもならない。
コンピュータを作るには、何万個〜何百億個 のスイッチを組み合わせる必要がある。 1950 年代までの電子機器は、トランジスタを 1 個ずつ別々のパッケージ に入れ、基板の上で銅線で配線していた。
これがすぐ詰まった。 トランジスタの数が増えると、配線が爆発する。
仮に 1 万個のトランジスタを配線することを考えてほしい。
3 端子 × 1 万個 = 3 万本 の線を、すべて間違いなく半田付けする。
1 本でも繋ぎ間違えれば、全体が動かない。
これが当時の状況。業界では 「回路の暴政 (tyranny of numbers)」 と呼ばれていた。
4.2 集積回路という発想 ── 全部を 1 枚に焼き付ける
冒頭のキルビーの発想は、シンプルかつ革命的だった。
「部品をバラバラに作って配線するのをやめよう。
1 枚のシリコンの上に、全部の部品を直接刻めばいい」
それまで「部品の組み立て」だった半導体製造が、「1 枚の素材を加工する」工程に変わる。 配線も、トランジスタも、抵抗も、コンデンサも、全部 写真の現像のようにシリコン上に焼き付ける。
これが 集積回路 (Integrated Circuit、IC) の誕生 ── 1958〜59 年のことだ。
| 発明者 | 所属 | 時期 |
|---|---|---|
| ジャック・キルビー | Texas Instruments | 1958 年（ゲルマニウム上、金線配線） |
| ロバート・ノイス | Fairchild Semiconductor | 1959 年（シリコン上、アルミ薄膜配線） |
決定的だったのはノイス側だった。 シリコン酸化膜の上に金属配線をパターン形成する ── これが現代 IC のスタイルになる。
ノイスは後にゴードン・ムーアらとともに インテル を起こす。
ベル研の3人 → ショックレー → フェアチャイルド → インテル / AMD という人脈の系図で、半導体産業の主要企業はほぼ全員 同じ研究室の元部下 に辿れる。
4.3 論理ゲート ── NAND だけで世界が作れる
集積回路の中身を見ていこう。 何百億個もの MOSFET は、どう組み合わせると計算機になるのか。
最も基本的な単位は 論理ゲート (logic gate) だ。 これは「2 つ以上の電気信号を入力すると、決まった規則で 1 つの信号を出力する」回路。MOSFET を数個組み合わせると作れる。
代表的な論理ゲート：
| ゲート | 動作 |
|---|---|
| NOT | 入力を反転（0→1、1→0） |
| AND | 両方 1 のとき 1、それ以外 0 |
| OR | どちらか 1 なら 1 |
| NAND | AND の出力を反転 |
驚くべきことに、NAND ゲートを組み合わせるだけで、AND も OR も NOT も、ひいてはコンピュータ全体も作れる。 これは数学的に証明されている性質で、機能完備性 (functional completeness) と呼ばれる。
コンピュータの中で起きていることは、本質的には NAND ゲートの巨大な組み合わせ に過ぎない。 そして 1 個の NAND ゲートは、わずか 4 個の MOSFET で作れる。
つまり「MOSFET を並べる」 = 「論理ゲートを並べる」 = 「コンピュータになる」。
4.4 CMOS ── 双子をペアで使う発明
ここからが本章のクライマックスだ。 論理ゲートを MOSFET で作る方法はいくつかあるが、勝者は決まっている ── CMOS だ。
CMOS は Complementary MOS の略。「相補的な MOS」── つまり前章で出てきた双子、nMOS と pMOS をペアで使う 回路スタイル。
最も簡単な例として、NOT ゲート（入力を反転する）を CMOS で作ってみよう。
電源と接地の間に、pMOS と nMOS を縦に並べる。両方のゲートに同じ入力を入れる：
- 入力 = 0 → pMOS が ON、nMOS が OFF → 出力は電源に繋がる → 出力 = 1
- 入力 = 1 → pMOS が OFF、nMOS が ON → 出力は接地に繋がる → 出力 = 0
入力が反転されて出力に出る ── NOT ゲートの完成だ。
4.5 なぜ CMOS は「待機中は電気を食わない」のか
CMOS の真の偉大さは、消費電力の小ささ にある。
上の図をもう一度見てほしい。どの状態でも、pMOS と nMOS のどちらか一方は必ず OFF。 ということは、電源から接地まで電流が流れる経路が常に切れている。
CMOS は静止状態で電気をほとんど消費しない。
電気を食うのは、入力が切り替わる瞬間だけ（信号線を充放電するエネルギー）。
これが「スイッチを高速で何億回も叩いても、待機中は超省電力」というスマホ時代の前提条件である。
CMOS 以前は nMOS のみの回路 が主流で、これは常に電流が流れ続けて熱かった。 1980 年代後半に CMOS の量産技術が成熟すると、世界は一気に CMOS に切り替わった。
それ以来、世界のほぼすべてのデジタル集積回路は CMOS で作られている。 インテル CPU、Apple Silicon、NVIDIA GPU、DRAM、NAND、イメージセンサー ── すべて CMOS。 （イメージセンサーの CIS という呼び名は「CMOS Image Sensor」の略。第9章で再会する。）
4.6 ムーアの法則 ── 18ヶ月で 2 倍
1965 年、インテル共同創業者の ゴードン・ムーア が短いコラムを書いた。
「1 枚のチップに集積できるトランジスタの数は、毎年 2 倍のペースで増えていくだろう」
これが後に ムーアの法則 (Moore’s Law) と呼ばれる予測になる（1975 年に「2 年で 2 倍」に修正）。 驚くべきは、この 法則というよりは目標 が、60 年にわたってだいたい守られてきたことだ。
| 年 | 代表的チップ | トランジスタ数 |
|---|---|---|
| 1971 | Intel 4004 | 2,300 |
| 1989 | Intel 80486 | 約 120 万 |
| 2000 | Pentium 4 | 約 4,200 万 |
| 2010 | Core i7 | 約 11 億 |
| 2024 | Apple M4 | 約 280 億 |
| 2024 | NVIDIA B200 | 約 2,080 億（2 ダイ合計） |
50 年で 1 億倍。人類史上、ほぼ唯一の指数関数的進歩である。
ただし、現代の ムーアの法則は微妙に陰り が見える。純粋なトランジスタ密度の伸びは鈍ってきており、業界は「1 枚のチップを小さく」から「複数のチップを巧く束ねる」方向に進路を変えつつある。詳しくは第 12 章（先端パッケージング）と第 16 章（これから）で。
4.7 1 個のチップに数百億個 ── 想像できない規模
最後に、現代チップの規模感だけ。
Apple M4 (2024): 約 280 億トランジスタ / 約 165 mm²
切手 1 枚 (約 500 mm²) のサイズに換算すると、約 850 億個 のスイッチが並んでいる計算。 地球の人口の 10 倍 以上のスイッチが、あなたの MacBook の中で、秒間数十億回 ON/OFF を繰り返している。
人類が作ったもののうち、1 個のオブジェクトに最も多くの構造が詰まっている のはおそらく最先端の半導体チップだ。 万里の長城の煉瓦数 (約 4 億個) や、人類最大の図書館の総文字数（約 1 兆文字）すら、足元にも及ばない。
4.8 この章の振り返り
- 1958〜59 年、キルビー（TI）と ノイス（フェアチャイルド）が独立に 集積回路 (IC) を発明
- IC の中身は 論理ゲートの組み合わせ。NAND ひとつで コンピュータ全体が作れる
- 現代のデジタル集積回路は ほぼすべて CMOS で作られている
- CMOS は nMOS と pMOS をペアで使う構造 → 待機時の消費電力が極小
- ムーアの法則（集積度が 2 年で 2 倍）が 60 年続いてきたが、いまは陰りも
- 現代のチップは 1 個に 数百億個 の MOSFET を載せている
この章で読めるようになるニュース
- 「ムーアの法則は終わった、いやまだ続いている」 → 純粋なトランジスタ密度の伸びは鈍ったが、パッケージング技術で延命中、と読める
- 「N3、N3E、N3B、N3P、N3X ── TSMC のプロセス世代」 → CMOS の延長線上で何度も微改良された世代名、と認識できる
- 「Apple M4、280 億トランジスタ搭載」 → 切手サイズに 850 億スイッチ、と即イメージできる
ここまでで 仕組み編 は終わりだ。 半導体・ダイオード・トランジスタ・集積回路 ── 4 段の階段を上ってきた。
ここから先、第 5 章では一気にカメラを引いて、「半導体製品の地図」を描く。 ニュースで聞く半導体ワードを、初めて一枚の地図の上に置くことになる。