【半導体とは】半導体不足はなぜ起きた?半導体業界を分かりやすく解説!

※本記事は2022年9月20日に更新しました。

半導体とは

・そもそも半導体って何?
・半導体不足ってよく聞くけど、なぜ起きたの?

このようなお悩みを解決します。


この記事の結論

  • 半導体は7種類に分類でき、大きくICと非IC半導体が存在する
  • ファウンドリ企業は重要な役割を担っている
  • 半導体不足は需給のバランスが崩れたことで発生した

半導体はPCやスマートフォン、自動車、家電など様々なものに搭載されています。

私たちの生活には必要不可欠になってきていますが、具体的にどのようなものか知っていますか?

半導体不足ってのも最近よく聞くよね…

今回は、そもそも半導体とはどういうものか、半導体が不足している理由と今後の見通しについて解説していきます。

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半導体とは

半導体とは

半導体とは、ある時には電気を通したり、あるときは電気を通さなかったりする物質のことです。

物質には電気を通す「導体」と電気を通さない「絶縁体」が存在していて、半導体はその二つの中間の性質を持っているため、電流を制御することができます。

圧力や温度の環境、不純物の有無などの条件により「導体」に変化したり、「絶縁体」に変化する特徴があるのです。

スイッチのような役割をしているんだね!

半導体は直径数cmと、とても小さくて薄く、指先でなんとか掴める大きさなんだワン!

しかも近年では、半導体上の線の幅を微細化する動きが活発になっており、競争も激化しています。

小さくなると、どんなメリットがあるのかな?

使用する材料が減少して、製造コストが下がります。

また、機能の観点からも半導体内の配線が短くなることで省電力化・高速化に繋がります

半導体は何から作られているのか

代表的な半導体の材料としては「シリコン(Si)」が挙げられます。

他にも、ゲルマニウムや複数の元素を組合わせた「化合物半導体」などもあります。

なぜシリコンがよく使われるの?

シリコンがよく使用される理由は、以下の通りです。

  1. 地球上で2番目に多い元素で、資源に余裕がある
  2. 他の元素よりも加工がしやすい
  3. 欠陥が少なく割れにくい

シリコンは資源に余裕があり加工に優れているため、よく使用されています。

このシリコンを加工して半導体の土台となるシリコンウェハが誕生します。

半導体の種類

種類

半導体と言っても、どんな種類があるんだろう?

半導体とは、大きく IC(集積回路)非ICに分けることができます。

ICとは、シリコンチップの上に従来別々だったディスクリート(トランジスタやコンデンサなど)の機能をまとめたものです。

ディスクリートとは

  • トランジスタ:電気の流れをコントロールする部品
  • コンデンサ:電気を貯めることができ、必要な時に放出できる部品

非ICとは、ICのように1つにまとめられておらず、単体として存在するものです。

非ICは個別部品のことで、それを1つにまとめたのがICってことね!

非IC製品はICが誕生してからは集積化が進み、数量は大きく減少しました。

しかし、多くの電力を伴うパワートランジスタなどは集積化するのが難しく、単体のままで使用されることが多いです。

現在の半導体部品の内訳は以下の通りです。

半導体製品の種類
世界半導体市場統計(WSTS)が発表した 「世界製品別市場予測」をもとに作成

WSTSとは、World Semiconductor Trade Statisticsの略で、世界半導体市場統計のことを指します。

この組織では1年間に2回、半導体市場の市場動向と国別、及び製品別での予測を開示しています。

半導体市場の現状と将来について知りたければ、WSTSは非常に参考になるワン!

上記では7つに分類されていますが、ICと非ICは以下のようなに分類できます。

特徴代表例
ICメモリデータの一時的・長期的な保存DRAM, NAND, 3D-Xpoint
ロジックマイクロより専門的な処理を実施GPU, FPGA
マイクロ演算や制御などの命令MPU, MCU
アナログ信号を増幅し、変換D/A・A/Dコンバータ
非IC
個別半導体大きな電気の流れを制御パワートランジスタ
オプトエレクトロニクス光を発したり、それによって認証や変換を実施発光ダイオード(LED)、レーザー
センサ 圧力や速度など検知・検出加速度センサ、圧力センサ

ICは全半導体部品の8割以上を占めていて、「半導体」という言葉がICだけを指すこともあるワン!

それぞれ詳しく見ていきましょう。

メモリ(IC)

メモリとは、半導体の回路を電気を用いて制御することで、データを記憶する役割を持つ装置です。

従来のフロッピーやDVD/CDなどと比べて何が違うの?

フロッピーなどの磁気ディスクよりも振動や衝撃に強く、記録が物理的に無くなるリスクは低いです。

また、DVD/CDなどの光学ディスクよりも、読み書きの動作が高速です。

ずっと記憶してくれているの?

メモリには、電源を切ると記憶内容が失われる揮発性メモリと電源を切っても保存されている不揮発性メモリの二つがあります。

揮発性メモリの代表例としては「DRAM」が挙げられ、 PCのメインメモリ(主記憶装置)などに用いられます。

一方で、不揮発性メモリの代表例としては、「NANDフラッシュ」が挙げられます。

電源を切っても記憶が保存される分、動作がDRAMよりも遅く、何度も書き換えると劣化してしまうリスクもあります。

最近では高速の不揮発性メモリである「3D Xpoint」の開発が進んでいて、Intelから発売されてるワン!

ロジック(IC)

ロジックとは、デジタル信号をメモリから読み取り、何らかの処理を実行した上でメモリに書き込む専門性の高いICです。 

つまり、どれかの機能に特化したICってことだね!

情報を制御するための論理回路で構築されていて、内部回路の種類で分類されています。

例えば、ロジックの一つで3Dグラフィックスなどの画像描写を行うGPUの場合、CPUの数倍~100倍以上の計算速度で処理することもあります。

GPUの高い演算性能を活かして、3Dグラフィックス以外の計算処理も行うGPGPUが開発されているワン!

マイクロ(IC)

マイクロはCPUを搭載していて、複数の機能・装置をまとめてチップ化したもので、パソコンの心臓部を構成しています。

マイクロはロジックと類似していて、ロジックに含まれて分類されていることもあるので確認が必要です。

マイクロはマイクロコントローラ(MCU/マイコン)マイクロプロセッサ(MPU)の二つに大きく分けられます。

マイクロコントローラ(マイコン)マイクロプロセッサ(MPU)
演算ビット数8〜32ビット32, 64ビット
消費電力少ない多い
価格安い高い
具体例家電や玩具などの電気機器スマートフォンやPC

プロセッサの方が性能は良いけど、高コストで高消費電力なんだね!

プロセッサは高性能のため、PCやスマートフォンのCPUとして心臓部分を担っています。

一方でマイコンは小さいため、制御回路の部品を少なくすることができ、電子機器の小型化を実現することができます。

そのため、電気ポッドなどの家電製品から、安価な玩具まで、ほとんどの電気機器で使用されています。

アナログ(IC)

アナログとは、アナログ信号の処理や電源・動力制御などの機能を持つICです。

アナログ信号って?

アナログ信号は電気や音声、圧力、温度など、連続していて数値化されていない情報のことです。

そうした情報をコンピューターが処理できるデジタルの0と1の信号へ変換する役割を持っています。

また、電圧をオン/オフだけではなく「少し高め、少し低め」など、細かく制御できるのもアナログ半導体の特徴です。

個別半導体(非IC)

個別半導体とは、一つの機能だけ備えている単純な半導体のことです。

ディスクリート半導体とも呼ばれています。

でも、「ディスクリートはIC上にまとめられている」って説明があったよね?

従来別々だったディスクリート(トランジスタやコンデンサなど)の機能をシリコンチップの上にまとめたものがICです。

時代とともにどんどん集積化が進んでいますが、集積化しにくい大電力のパワートランジスタは単体が多いです。

個別半導体の70%以上はパワートランジスタだワン!

また、個別半導体は大量生産が行われるため、仕様が決められており、同じ製品が多くのメーカーによって製造されています。

オプトエレクトロニクス(非IC)

オプトエレクトロニクスとは、光工学と電子工学の技術を合わせてできた半導体です。

「オプト」の部分が光工学、「エレクトロニクス」の部分が電子工学を意味しています。

代表的な例としては、LED(発光ダイオード)が挙げられます。

LEDって半導体と関係していたのね!

LEDは電気エネルギーを光エネルギーに変換することで発光していて、従来の白熱電球のように物質を熱していないのです。

LED以外にも、マウスやレーザープリンターで使用されているレーザーも代表例の一つです。

スマートフォンの顔認証で使用されている技術は面発光レーザーと呼ばれるレーザーの一種だワン!

センサ(非IC)

センサとは、物理的・化学的な現象を電気信号やデータに変換して出力するデバイスや装置です。

具体的には光や音、温度・湿度などの物理的現象と大気中のガスなどの化学的現象が挙げられます。

人間の知覚を定量化してくれているんだね!

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半導体業界とは? 代表的な企業もご紹介

半導体業界

半導体って、どうやって作られるんだろう?

半導体の製造工程は大きく「設計工程」「前工程」「後工程」の3つに分けられます。

半導体製造工程

材料であるシリコンから最終製品である半導体チップまで400〜600の工程が必要だと言われていて、多くの企業が関わっているのです。

それだけ高付加価値な製品なんだね!

そうした半導体業界は大きく以下の4つに分類することができます。

概要代表的な企業
ファウンドリー前工程をデバイスメーカーから受託TSMC(台湾)、UMC(台湾)
デバイスメーカーメモリやロジック半導体を製造NVDA(米国)、ARM(英国)
半導体材料メーカー原料のシリコンウェハを製造信越化学工業(4063)
SUMCO(3436)
半導体製造装置半導体の製造に必要な機械を製造AMAT(米国)、ASML(オランダ)
括弧内に国名、または銘柄コードを表示。米国企業はティッカーで表示。

それぞれ、詳しく見ていきましょう。

ファウンドリ

ファウンドリとは、半導体の生産のみの機能に特化している企業のことです。

設計や販売は誰がするの?

ファウンドリは他社からの依頼による生産を専門に行なっている為、設計や販売は顧客企業が行います。

こうした企業は高い技術水準を誇っていて、様々な企業の製品をまとめて生産するため、比較的低コストで製造することができます。

顧客企業としても、設備投資を抑えることができ、半導体の設計や開発に注力することが可能になります。

ファウンドリを利用する企業は多く存在しそうだね!

近年では、より多くの企業がファウンドリを利用する傾向にあります。

これには「ムーアの法則」が大きく関わっています。

ムーアの法則とは、半導体の性能が18ヶ月で2倍になるという経験則のことです。

つまり、半導体の技術は短期間で進歩し続けることが想定されていて、その度に設備増強も行う必要があるということです。

そうした技術進歩に対応していくためにも、ファウンドリ企業を利用するメリットは大きいんだね!

ファウンドリについて詳しく知りたい方は

デバイスメーカー

デバイスメーカーとはロジックやメモリを問わず、半導体の設計や製造、販売を行っている企業の事を指します。

デバイスメーカーには以下の3種類があります。

概要代表例的な企業
ファブレス設計・開発は自社。
製造工程のみ外部委託
NVDA(米国) 、ARM(英国)
ファブライト設計・開発・生産は自社。
最先端プロセスのみ外部委託
Sony(6758)、ルネサス(6723)
IDM(垂直統合型)設計・開発・生産をすべて自社INTC(米国)、サムスン電子(韓国)
括弧内に国名、または銘柄コードを表示。米国企業はティッカーで表示。

以前まではIDMの企業が多く、設計から生産まで一貫して行っていました。

しかし、莫大な設備投資が必要な点・高い頻度で新たな半導体製造装置を買うことが必要な点に鑑みて、ファブレス業態に変換する企業が増えました。

近年では自前生産をしつつ、最先端プロセスのみ外部委託するファブライト企業も増えているワン!

半導体材料メーカー

半導体の材料となるシリコンウェハや加工に必要なフォトレジストなどを生産している企業です。

こうした企業は、シリコンサイクルに影響を受けやすい特徴があります。

シリコンサイクル

シリコンサイクルとは、半導体業界独自の約4年の周期を持つ景気循環の事です。

どうしてこのような周期があるの?

一般的に、シリコンサイクルの原因は、半導体が使用される製品の需給バランスが大きいからと言われています。

例えば、半導体を多く使用するスマートフォンやPCは、巨額な設備投資が必要な反面、自動車などと比べると製品寿命が短いです。

発売された当初は販売量が大きく増加しますが、その後販売不振となって過剰在庫になってしまい、需給バランスが崩れてしまうのです。

じゃあ、不況時に高い利益を得るのは難しそうだね、

このサイクルを考慮し、多くの半導体材料メーカーでは価格や数量などを固定し供給する、長期契約を主体にしています。

半導体材料業界は、日本メーカーの信越化学工業とSUMCOの2社で世界シェア6割を占めているワン!

半導体製造装置メーカー

半導体製造装置メーカーはその名の通り、半導体を作るための装置を製造・販売している企業です。

装置メーカーは半導体の製造過程ごとに分類することができます。

概要代表的な企業
前工程装置ウェハのエッジングや洗浄などを行うための装置AMAT(米国)
後工程装置ウェハの切断や研磨などを行うための装置東京精密(7729)、ディスコ(6146)
露光装置ウェハに回路パターンを露光させ、チップを製造するための装置(前工程の一つ)ASML(オランダ)、ニコン(7731)
検査装置前・後工程において検査を行うための装置KLAC(米国)
括弧内に国名、または銘柄コードを表示。米国企業はティッカーで表示。

半導体製造装置メーカーは、半導体メーカーやファウンドリー企業の動向に大きく左右されます。

昨年、メーカーやファウンドリーが設備増強を発表し、製造装置メーカーに多くの注文が入りました。

過去最大の設備投資が続いており、今後も高い水準で成長することが見込まれます。

半導体業界の企業はお互いに密接に関わっているんだね!

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半導体不足の理由・見通しは?

半導体不足

半導体は新型コロナウイルスが拡大してきた2020年春頃から不足しはじめました。

最近よく半導体不足って聞くけど、なんで不足しているの?

以下で、詳しく説明します。

半導体不足の理由

半導体不足には、2つの理由があります。

  1. 新型コロナウイルス感染拡大による新たな需要拡大
  2. 需要の急拡大による供給体制のひっ迫

新型コロナウイルスの感染拡大で外出自粛を余儀なくされました。

それによって、テレワークの普及や巣ごもり需要が急拡大し、PCや家電に含まれている半導体が大きく不足しました。

個人だけではなく企業でもDX化を推進するなど、半導体不足に拍車をかけました。

DXとは

Digital Transformationの略で、デジタル技術を用いて、生活やビジネスが変容していくこと。

新たなデータを取得し、新規ビジネスの創出や業務効率化で生産性を向上させたりすることも可能。

似ている言葉でIT化があるけど、DX化は「目的」で、IT化はその「手段」になるんだね!

加えて、供給体制もひっ迫しました。

需要が高まった家電などに使用される半導体は最先端の半導体が製造されている工場ではなく、一世代前の工場で生産されていました

しかし、そうした工場は老朽化が進んでいたため、多くの半導体メーカーがコストカットのためにファウンドリに委託しました。

そんな中でコロナによって需要が拡大し、各ファウンドリは大量の注文に対応できなくなってしまったのです。

発注から納入までのリードタイムは半年程度になるから、供給能力を調節するには時間を要するんだワン!

また、米中貿易摩擦で米国が中国のファウンドリ企業に事実上の禁輸制裁を行い、台湾や韓国のファウンドリ企業に注文が殺到し、半導体不足が顕著になりました。

さらに、2020年秋頃には当面回復しないと思われていた自動車市場が回復。

半導体メーカーは家電やPCなどの生産ラインを増やし、車などの生産ラインは減らしていたため、自動車向けの半導体も大きく不足したのです。

日本を代表する自動車メーカーのToyotaやHondaも減産を余儀なくされたワン!

加えて、2021年以降は相次いで発生した自然災害や工場での水不足・火災によって、半導体不足が加速したのです

半導体不足の原因は、需要と供給のバランスが崩れたことなんだね!

半導体不足は今後どうなる?

半導体不足はいつまで続くの?

今後の見通しについては様々な見解が出されていますが2022年の夏ごろから徐々に解消し始めるという予想が出ています。

半導体不足を背景に20年末から21年初頭にかけ、多くの半導体メーカーが製造ラインの増強を発表しました。

その大半は最先端製品向けですが、不足している成熟プロセス製品の工場の投資も一部では行われています。

半導体工場は建屋をつくって、製造装置を購入・配置して稼働を始めるまで1年以上要するワン!

早期に投資した工場が稼働するのが22年夏で、そのころには製品が出回り不足状況は解消されるという見方が出ています。

【まとめ】半導体業界の成長性に期待

まとめ

半導体と半導体業界について理解が深まったよ!

最後にこの記事の重要なポイントをまとめます。

  • 半導体は7種類に分類でき、大きくICと非IC半導体が存在する
  • ファウンドリ企業は重要な役割を担っている
  • 半導体不足は需給のバランスが崩れたことで発生した

現在は半導体不足に見舞われていますが、昨年増強した設備が今年の下半期から稼働し始めるため、回復が期待されます。

半導体は今話題のAIやメタバースにも使われており、最先端の技術に欠かせない存在であることは間違いありません。

今後も半導体業界の動向に注目していきましょう!

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※本記事は2022年1月31日時点の情報を元に作成されています。
※本記事内で紹介されている意見は個人的なものであり、記事の作成者その他紹介企業等の意見を代表するものではありません。
※本記事は情報提供を目的としており、特定商品・ファンドへの投資を勧誘するものではございません。投資に関する意志決定はご自身の判断にてお願い致します。