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コンピューターチップの設計を生業としている人なら誰でもそうだろうが、ジェームス・マイヤーズは根っからのシリコン信奉者だ。マイヤーズは「シリコンは非常に優れている」と言う。
シリコンは、条件次第で電気を通すことも絶縁体として機能することも可能な天然の半導体であり、細かい加工が可能だ。また、地球上で2番目に多く存在する元素であり、いまあなたの足の裏にも付着しているかもしれない。そして砂を加熱することで簡単につくることができる。
このような優れた特性をもつシリコンは、いま使われているほぼすべてのテクノロジーの基盤となっている。半導体大手のアームのエンジニアであるマイヤーズのような人々は、より小さなスペースにできるだけ多くのシリコンを詰め込む方法を考えることに大半の時間を費やしているのだ。
1970年代にはひとつのチップに数千個だったトランジスターの数が、現在は数十億個と指数関数的に増加している。半導体の集積率が18カ月で2倍になるという「ムーアの法則」を考えると、わたしたちは「シリコンの海の中にいる」と、マイヤーズは表現する。
だが、マイヤーズはここ数年、シリコンのみならずプラスティックのようなほかの材料にも目を向けてきた。つまり、ゼロベースで検討しなおすということである。
マイヤーズの研究チームは数年前、数十個のトランジスターを搭載したプラスティック製のコンピューターチップの設計を始めた。組み込むトランジスターの数は数百個に増え、今では数万個となった。そのプラスティック製のチップが、7月21日付の『Nature』誌で発表された。
この32ビットのマイクロプロセッサーには、18,000個の論理ゲート（トランジスターの組み合わせから得られる電気スイッチ）が含まれており、プロセッサー、メモリー、コントローラー、入出力装置など、コンピューターの頭脳の基本的な部分が備わっている。
それによって何ができるのか？ 1980年代初頭のデスクトップPCを思い浮かべてもらえばいい。
進歩に逆行する理由
なぜ技術の進歩に逆行するのか。現代のシリコンチップは、電子部品が搭載されたもろくて柔軟性に欠ける薄い板だからだ。力を加えるとシリコンチップは砕けてしまう。
また、シリコンは安価でどんどん安くなっているとはいえ、それでも用途によっては高すぎることもある。例えば、パッケージに印刷された賞味期限表示の代わりに、牛乳パックの中にコンピューターチップを入れて、化学的に腐敗の兆候を検知するセンサーとして使うとしよう。ある程度は便利だろうが、数十億個の牛乳パックにそのチップを加える価値があるのは、コストが最小限の場合のみだ。
アームがテストしている用途のひとつに、患者の不整脈（脈のリズムが一定ではない状態）を監視する胸部装着型チップがある。数時間だけ使用する使い捨てチップだ。
これを実現するには安価なコンピューターが必要だが、それ以上に重要なのは曲げられるコンピューターである。「外れないように装着者の動きに合わせて曲がる必要があるのです」と、マイヤーズは言う。
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理論的には、こうしたニーズを満たす材料はたくさんある。これまでにも研究者たちは、有機物質からトランジスターをつくったり、金属箔や紙などから基板（トランジスターを組み込むウエハー）を設計したりしてきた。
マイヤーズの研究チームが21日に発表したプラスティックチップには、インジウム、ガリウム、亜鉛を混ぜた金属酸化物からつくられた薄膜トランジスターが組み込まれており、同等のシリコンチップよりも薄いチップをつくることができる。
基板にはシリコンウエハーではなく、プラスティックの一種であるポリイミドが使われている。ポリイミドは安価で薄くて柔軟性に優れているが、加工は少し厄介だ。プラスティックはシリコンよりも低い温度で溶けることから、熱を利用した製造手法が使えなくなる。
また、この薄膜トランジスターは不完全なので、チップメーカーが期待するような回路内でのエネルギー移動を実現できないこともある。さらに、最新のチップと比べると消費電力も大きい。これらの問題は、1970年代から80年代にチップメーカーを悩ませた問題と同じなのだとマイヤーズは指摘する。彼は先人たちの苦労がわかるようになったという。
鍵を握るシリコンチップとの整合性
最近のシリコンチップを実装した64ビットプロセッサーに詰め込まれている数十億個のゲートに比べれば、18,000個のゲートはそれほど多くないように思えるかもしれない。だが、マイヤーズは彼のチームが開発したチップについて誇らしげに語る。
確かに、このマイクロプロセッサーには大した機能はない。5年前にマイヤーズが書いたテストコードを実行し、すべてのコンポーネントが動作していることを確認できるだけだ。それでもこのプラスティックチップは、アームの一般的なシリコンプロセッサーと同じ種類のコードを実行できる。
このシリコン製デヴァイスとの整合性がまさに重要なのだと、PragmatICの技術担当ヴァイスプレジデントで今回の研究論文の共著者でもあるキャサリン・ラムズデイルは説明する。PragmatICはアームと協力し、柔軟性のあるプラスティックチップの設計と製造を手がけている。
プラスティックチップの開発にあたっては、材料は新しいものを使うが、シリコンチップの製造プロセスをできる限り取り入れる方針という。そうすればチップの大量生産とコストダウンが容易になる。
ラムズデイルによると、プラスティックは安価で加工に必要な設備が少ない。このためプラスティックチップの製造コストは、同等のシリコンチップの約10分の1になるかもしれないという。これは実に実用的な方法なのだと、彼女は説明する。
スタンフォード大学の電気工学教授であるエリック・ポップ（今回の研究には参加していない）は、このプラスティックチップの複雑さと、組み込まれているトランジスターの数の多さに感心したという。「このテクノロジーを前進させるものです」と、ポップは語る。
消費電力という課題
だが、そこまで実用的とはいえない部分もある。その最たるものが、プラスティックチップの消費電力の大きさだ。プラスティックチップの電力消費量は21ミリワットで、そのうち計算処理に使われるのはわずか1％にすぎない。残り99％はアイドル状態で浪費されてしまう。
ポップによると、切手1枚分の大きさの太陽電池を屋外に設置すれば、この電力を得ることができる。つまり、大した電力消費量ではない。だが、柔軟性のあるチップが複雑化していくなか、効率性を考えると先が思いやられるという。「どうするつもりなのでしょうか？ 巨大なバッテリーに接続するのでしょうか？」と、ポップは問いかける。
マイヤーズによると、このプラスティック製の小型チップには、スマートフォンでの支払いで使われているものと同様のテクノロジーを使ったワイヤレス充電を採用する計画だ。とはいえマイヤーズは、プラスティックチップのエネルギー効率を高める必要があることを認識しており、それがある程度までは可能だと考えている。
現在の設計は、おそらく10万個のゲートに拡張できるくらいには小型化・効率化できるとマイヤーズは言う。しかし、おそらくそれが限界だろう。
理由は、そのかなりシンプルな設計にある。トランジスターには「N型」と「P型」の2種類がある。このふたつは互いに補完し合っている。一方は電圧がかかるとオン、かからないとオフになり、もうひとつはその逆になる。「本当はこの両方が必要なのです」とポップは言う。
アームのプラスティックチップが大量のエネルギーを放出するのは、N型トランジスターしかないことが一因だ。アームとPragmatICが選択した材料では、P型トランジスターをつくることが難しいのである。
規模を拡大するには、カーボンナノチューブのような両方の型を製造しやすい柔軟な素材を使う選択肢もある。ポップの研究室が検討している別の選択肢は、硬質基板上につくられた2次元材料を柔軟な材料に転写することによって、トランジスターのサイズと消費電力量を削減するというものだ。とはいえ、いずれの場合も製造コストが高くなる可能性は避けられない。
スタンフォード大学のコンピューター科学者で、2013年にカーボンナノチューブを用いた最初のコンピューターの開発を主導したスブハシシュ・ミトラは、アームの設計には理論的なブレイクスルーは何もなさそうだと指摘する。一方で、比較的容易に製造でき実用的なデヴァイスを生み出すことに成功したようだとも言う。
「アプリケーション開発者がこれをどのように利用するかは、時間が経てばばわかるでしょう」と、ミトラは言う。「そこが、この研究の楽しみな部分だと思います」
シリコンとは異なる用途に期待
最終的に柔軟性のある材料のどれが妥当とみなされるかは、チップの使用目的によるとポップは説明する。例えばシリコンは、常にデヴァイスの最も重要な材料と考えられていたわけではなかった。一時期はシリコンより優れた半導体元素であるゲルマニウムが中心になると考えられていたのである。
しかし、世界の半導体メーカが集まる地域は「ゲルマニウム・ヴァレー」とは呼ばれていない。シリコンのほうが入手しやすく、いくつかの点で加工しやすいことがわかったからだ。
安価で柔軟性のあるチップの開発は、まだ初期段階にある。紙製の電子機器のようなリサイクル性が求められるようになるのだろうか。カーボンナノチューブの潜在的なパワーとスケールが求められるのか。もしかすると、必要なのはプラスティックの使いやすさだけかもしれない。
おそらく、プラスティックチップにムーアの法則が当てはまる可能性は低いだろう。「わたしたちはシリコンが見事に役割を果たしている市場に目を向けているわけではありません」と、PragmatICのラムズデイルは言う。PragmatICは主に、「シリコンが実質的にオーヴァーエンジニアリングされている」ような用途に注目している。
シリコンチップに関しては、より高性能なデヴァイスへの需要によってスケールとパワーが指数関数的に増加してきた。しかし、牛乳パックに加えるコンピューターチップの場合は、そこまでの性能が必要だろうか。80年代の技術だけで十分なのかもしれない。
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