Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
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 すごいものですよね それも回路の中にある 小さなスイッチ— コンピュータの中枢である トランジスタの 小型化で可能になったことで 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 何十億ドルもの投資により 成し遂げられたことです それにより膨大な計算能力と 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
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
でも悪い知らせがあります 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 それと同時に 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 容赦なく進み続けています 私たちのデジタル機器は 顔認識やARを普通に行い 危うい雑然とした道路で 車の自動運転をしさえします 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 ソフトウェアで 実現できるであろう事が 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've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
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 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 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 ちょっと前に買った時には 問題なく動作したのに 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 使い切ってしまうのです 半導体業界は この事態に気付いていて 独創的な解決方法に 取り組んでいます トランジスタを超えた 量子コンピュータや 更には異なる構造を持つ トランジスタ 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 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 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
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
トランジスタの微細化が 鈍化している理由は 製造工程が増々複雑に なっているからです 純粋シリコン結晶の ウェハーを使った 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 50年に及ぶ継続的な開発により トランジスタの寸法を 10ナノメートルまで 小さくできるようになりました 1ミリ四方のシリコンウェハーに 10億個以上のトランジスタを 埋め込めます 比較として言うと ヒトの毛髪の幅は100ミクロン 肉眼では見えない赤血球は 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 トランジスタは はるかに小さく 1ミクロンの 数十分の1しかありません 赤血球の直径に 260個のトランジスタを 並べる事ができますし 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 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 微細化する事で 数多くのトランジスタを 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 微細なトランジスタは より効率的なスイッチです
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
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 もたらされているのです
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
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 多層構造に作り上げます 非常に単純化して説明すると それぞれの回路の機構は シリコンウェハーの表面に投影されて 感光性材料に記録され その感光性材料を通して エッチングすることで 下側の層にパターンが残ります この製造プロセスは 長年にわたり劇的に改善され 現在のような性能を 電子機器に与えましたが
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
トランジスタの形状が より微細になるにつれ この製法の物理的な限界に 近づいています このパターニングを行う 最新のシステムは とても複雑になり 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 半導体工場にはそのような機材が 数十台もあります 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? しかし チップの製造を行う 根本的に異なった 費用効率のずっと 高い方法があると考えています 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
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
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 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— トランジスタの配列を 観察すると 同じような機構が 何百万回も繰り返されていて とても周期的な 構造になっています 私たちの代替製造技術では この周期性を利用したいのです トランジスタに必要とされる 周期的な構造を 自然に形作るために 自己組織化材料を利用したいのです 投影技術を限界まで あるいはそれ以上に 極めるのではなく 材料自身に高精細なパターニングを 行わせるのです 自己組織化は脂質膜から 細胞構造まで 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 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 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 半導体の製造技術に 利用したいのです
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
自己組織化材料の一種である 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 2つの高分子鎖は お互いを嫌います 相互に反発し 水と油 あるいは十代の 私の息子と娘のような関係です
(Laughter)
(笑)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, 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. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
しかし無情にそれらを結合させ 内在的なフラストレーションを 作り出します 高分子鎖は互いに 反発しようとします 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 類似の部分が結合しようとする力と 異なる部分が反発しようする力が 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 安定した形状になろうと もがきまわります 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 まさにトランジスタの配列に 求められるものです
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
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 デザインできます 例を挙げると 2本の高分子鎖がほぼ同長である 対称分子を使うと 自己組織化によって形成される 自然な構造は 長く婉曲した線状になり まるで指紋のようです 出来上がった指紋のような線の 幅と間隔は 高分子鎖の長さと 内在的なフラストレーションの 強さにより決まります
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
もっと手の込んだ構造を 作ることも可能です 高分子鎖の長さが 明らかに異なる 非対称の分子を 使用します ご覧の例では自己組織化による 形状形成において 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 自然に円柱を形成します この円柱の大きさと 円柱同士の間隔 周期性は 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 決定されます
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
言い換えれば 分子工学を活用することで 自己組織化する ナノスケールの構造を 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 化学を活用する化学工学を 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
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
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 そのような構造を配置する 必要があります でもそれは比較的容易にでき 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 自己組織化構造を固定し 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 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 40ナノメートル幅の 精密な線を作る場合は 従来の投影技術により 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 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 we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
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 自己組織化リソグラフィで難しいのは 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 そして集積回路には 数十億のトランジスタがあるので 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 化学物質の清浄度から 半導体工場内での材料に対する 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
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
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 まだ開発段階にあります 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 半導体業界に導入できるだろうと 自信を深めています もし実現でき 成功を収めれば 費用効率の良い トランジスタの微細化を継続でき 驚異的な計算能力の拡張と デジタル革命を 継続することができ 更には分子製造という 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
Thank you.
ありがとうございました
(Applause)
(拍手)