チップアーキテクチャがモノリシック設計から脱却しつつある理由

半導体業界

15 分間の読書

SDKI によって発行されました : Mar 2026

半導体なしでは現代技術は成り立たないことは明らかであり、半導体は世界経済にとって依然として不可欠な要素であります。数十年にわたり、半導体の性能向上は、トランジスタ密度の向上と、より多くの機能を単一のモノリシックチップに集積することに大きく依存してきました。このアプローチにより、製造プロセスの進歩に伴い、プロセッサの性能は向上してきました。

高性能化への需要は尽きることがないのが現状です。世界的に、性能向上とエネルギー効率の改善に向けた継続的な取り組みが常に行われています。半導体製造が5ナノメートル以下のより複雑なノードへと移行するにつれ、非常に大きなチップを製造する際のコストと技術的な難易度は当然ながら上昇しています。さらに、これらは業界がモノリシックなスケーリングに完全に依存することなく性能向上を維持できる代替的なアーキテクチャアプローチを模索するきっかけとなる重要な課題です。

解決策は何か？代替案は何か？これらは重要な問いであり、その答えとして、チップレットベースのアーキテクチャが、この課題に対する最も重要な対応策の一つとして浮上しています。

チップレットアーキテクチャがパフォーマンス向上に不可欠な理由とは何ですか？

チップレットアーキテクチャはモジュール式のアプローチであり、メーカーは生産歩留まりを向上させることができます。さらに、メーカーは異なるプロセス技術を用いて製造されたコンポーネントを組み合わせることで、イノベーションサイクルを生み出すことができます。有望で持続的なイノベーションサイクルは、半導体業界全体の発展を支え続ける可能性があります。

では、チップレットアーキテクチャは、世界的に高まるコンピューティングインフラへの需要にどのように貢献するのでしょうか？それは、今後10年間における半導体性能の向上を持続させるための実用的な道筋として位置づけられることによって実現されます。

チップレットとは何ですか？

チップレットとは、小型の半導体ダイであり、より大きなプロセッサシステム内で特定の機能を実行するように設計されています。チップ設計者は、すべての演算コンポーネントを1つの大きなシリコンチップに集積する代わりに、処理コア、メモリインターフェース、入出力コントローラ、アクセラレータなどの機能を、より小さなモジュール型ダイに分割することができます。これらの個々のチップレットは、高速相互接続技術を使用して単一のパッケージ内で接続され、統合されたプロセッサとして動作します。

しかし、なぜメーカーはこのモジュール設計アプローチを採用すべきなのでしょうか？それは、このアプローチが半導体製造における重要な課題を解決するからです。例えば、次のような点が挙げられます。

チップサイズが大きくなるにつれて、製造工程における欠陥発生確率は相対的に高くなります。これは、製造コストと歩留まりに直接的な影響を与えます。モジュール型チップレットアーキテクチャは、1つの大きなチップではなく、複数の小さなダイを製造することで、この問題を軽減できます。チップレットアーキテクチャプロセスは、歩留まりの向上と製造時のシリコン廃棄物の削減につながります。
柔軟性は、メーカーが求める重要な特性です。チップレットは、半導体企業が異なるプロセスノードで製造されたコンポーネントを単一のプロセッサ内に組み合わせることを可能にすることで、この特性を実現します。例えば、演算コアは最先端の製造ノードで製造し、入出力機能はより成熟したコスト効率の高いノードで製造することができます。このプロセスはヘテロジニアスインテグレーションと呼ばれ、半導体メーカーの製造コスト削減に役立ちます。

チップレットの市場の見通しは何ですか？

当社が分析したこの10年間の半導体業界の動向から、チップレット市場は今後も拡大を続けると予測されます。SDKI Analyticsによると、チップレット市場は年平均成長率（CAGR）29.1%で成長し、市場規模は1,454億米ドルに達する見込みです。

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「 AIコンピューティングのスケーリングにより、2026年にはモノリシックダイからマルチダイアーキテクチャへの移行が加速し、高度なパッケージングへの投資によってチップレットの商用化における最大のボトルネックが解消されるだろう」 – SDKIアナリスト

市場が成長軌道に乗っている理由を理解するには、AIシステムのスケーリングという厳しい現実を分析する必要があります。AIシステムのスケーリングに関する最近の事例をいくつか見てみましょう。

• アドバンストマイクロデバイセズ（AMD）は、年次報告書（Form 10-K）の中で、2025年のデータセンター事業の売上高が166億米ドルに達すると報告しました。これは2024年の126億米ドルから増加する見込みです。この成長は、EPYCプロセッサとInstinctアクセラレータの需要増によって牽引されています。

• 公共部門では、米国エネルギー省が2025年10月に、オークリッジ国立研究所がAMD Instinct MI355X GPU、AMD EPYC CPU、およびAMD Pensandoネットワークを使用して、2026年初頭にLux AIクラスターを導入すると発表しました。

• ヨーロッパでは、ヨーロッパ高性能コンピューティング共同事業体（European High Performance Computing Joint Undertaking）が既に9台のスーパーコンピュータを調達済みであり、2024年12月に選定された最初のAIファクトリーが2025年にフィンランド、ドイツ、ギリシャ、イタリア、ルクセンブルク、スペイン、スウェーデンに展開される予定であると発表しました。AIおよびHPCシステムの計算能力は、パッケージサイズ、メモリ帯域幅、電力供給の限界を、単一の大型ダイで経済的に解決できる範囲を超えてますます押し上げています。

• 一方、台湾積体電路製造（TSMC）は投資家向け説明会で、2ナノメートルまたはA16プロセスに移行する顧客は「おそらく」チップレット方式を必要とし、チップレットを使用するようになると、高度なパッケージングも必要になると述べています。

モジュール設計の利点を説明したところで、チップレットの商用化という課題を解決できる半導体業界のより広範な傾向を理解することも不可欠です。さらに、高度なパッケージングへの投資の増加は、チップレットの商用化におけるボトルネックを緩和する上で重要な役割を果たす可能性があります。しかし、チップレットが規模拡大のために高度なパッケージングの成長に依存する理由を理解するには、いくつかの例を理解する必要があります。

TSMCは2025年に発表した設備投資予算で、予算は380億米ドルから420億米ドルになると示しました。 10－20％割り当てられた高度な包装、検査、マスク製造などです。
CoWoSが順調に成長していると述べました。2024年には、3.5レチクルサイズのCoWoS -Lが量産開始され、より大型の設計に対応するため、5.5レチクルの開発プログラムが開始されました。
一方、Intelのパッケージングロードマップは、コンセプトから実用化可能なアーキテクチャへの移行を強調しています。Intelは、 Foveros Direct 3Dが超高帯域幅かつ低消費電力のインターコネクトを提供すると述べています。

これらの例に基づくと、高度なパッケージングのスケーリングにより、チップレットは大規模システム統合の主要な実現技術となる一方で、より高いパフォーマンスが損なわれることもなくなります。さらに、高度なパッケージングは、ムーアの法則の減速と同時に物理的なレチクル限界を克服し、特殊なチップレットを1つの大規模な高帯域幅システムとして機能させることを可能にします。次のセクションでは、チップレットに標準規格が必要な理由を分析します。

相互接続の問題：なぜチップレット規格が今求められているのか？

これまで、チップレットアーキテクチャがモジュール型半導体設計の解決策となることを明らかにしてきました。しかし、チップレットアーキテクチャが大規模に採用されるにつれ、業界リーダーが取り組むべき新たな技術的課題が生じます。それは、プロセッサパッケージ内で個々のチップレットがいかに効率的に通信するかという課題であります。

半導体メーカーによってチップレットの設計に互換性のないインターフェースが用いられているため、異なるベンダーの部品を統合することが困難です。さらに、効率的なチップレット間通信には、電力効率を維持しながら極めて高い帯域幅と低遅延の接続が必要となるため、ダイ間相互接続の設計は重要なエンジニアリング課題となっています。

相互接続の問題はどのように解決できるのか？

業界リーダーたちは、チップレットが共通のエコシステム内で動作できるようにする標準化された相互接続技術を開発しています。その主要な取り組みの一つがUCIe （Universal Chiplet Interconnect Express）であり、これは異なるサプライヤーのチップレット間で高速通信を可能にするために導入された業界標準であります。

このように、標準化された相互接続技術の登場は、チップレットがパーソナルコンピュータ業界と同様のエコシステムモデルへと移行することを可能にし、チップレットのエンジニアリング上の課題解決に役立つと期待されています。このようなシステムでは、異なる企業が、単一のプロセッサパッケージ内に統合できる専用チップレットを設計することが可能になります。さらに、これらの標準規格が成熟すれば、チップレットアーキテクチャは、複数の企業間でモジュール設計を可能にすることで、半導体におけるイノベーションを加速させる可能性があります。次のセクションでは、チップレットがどのようにムーアの法則を拡張できるかを探ります。

「Moore the Merrier」：レチクル限界はいかにして克服されるのか？

1965年、Intelの共同創業者であるGordon Mooreは、高密度集積回路上のトランジスタ数が2年ごとに倍増する傾向があることを指摘しました。数十年にわたり、この指摘は半導体業界のロードマップを形作り、メーカーはより高い演算性能を実現するためにトランジスタ密度を継続的に高めてきました。しかし、チップ設計が大型化し、製造上の制約が現れるにつれて、このスケーリングのペースを維持することはますます困難になってきています。

チップレットアーキテクチャは、半導体企業がチップ製造における重要な物理的制約であるレチクル限界を解決するのに役立っています。

レティクルリミットとは何ですか？

半導体製造工程において、フォトリソグラフィ装置はレチクルマスクを通してシリコンウェハ上に回路パターンを投影します。このレチクルのサイズは、単一の半導体ダイ上に印刷できる最大面積を決定します。プロセッサの複雑化に伴い、すべての機能コンポーネントを1つの大型チップに集積することで、設計はこの物理的な限界に近づいています。レチクルの限界に達すると、メーカーはチップサイズを拡大することが困難になります。

チップレットはレティクルの限界を克服するのにどのように役立つのか？

チップレットは、チップサイズとレチクルサイズの制限に対する解決策を提供します。チップレットアーキテクチャでは、プロセッサを複数の小型ダイに分割し、単一のパッケージ内に統合します。各チップレットはリソグラフィの限界内に収まりながら、システム全体の性能と複雑さを拡張できます。

このアプローチにより、半導体メーカーは、従来のトランジスタのスケーリングが鈍化しても、コンピューティング性能を向上させ続けることが可能になります。したがって、チップレットアーキテクチャは、単一のモノリシックチップの限界を超えたシステムレベルのスケーリングを可能にすることで、ムーアの法則の実質的な進歩を延長する手法の一つとして台頭してくる可能性があります。

チップレットのエコシステムにおける機会とは？

SDKI Analyticsのアナリストは、半導体分野全体の過去の動向を注視しており、チップレットは今後数年間、主流となる技術であると考えています。さらに、チップレットアーキテクチャは半導体性能のスケーリングにおいて最も有望なアプローチの一つですが、長期的に成功裏にスケーリングするためには、以前のブログ記事で述べたように、業界は技術的な課題とエコシステム上の課題の両方を解決する必要があります。

企業が機会を逃さないよう、チップレットエコシステムにおける機会に注目することが重要です。機会を強調する前に、人工知能インフラストラクチャ、データセンタープロセッサ、高性能コンピューティングシステムなどの急速な拡張が、モジュール型チップアーキテクチャの拡大に不可欠であることを認識する必要があります。この移行が進むにつれて、半導体バリューチェーンのさまざまな部分が恩恵を受けると予想されます。

どの企業がこの機会から恩恵を受けるだろうか？

モジュール型チップ設計と高度なパッケージングおよびシステムレベルのエンジニアリング能力をうまく組み合わせることができる企業は、次世代半導体イノベーションにおいて、より大きなシェアを獲得する可能性が高いです。こうした企業には、特殊なチップレットを開発する半導体設計企業、異種統合を可能にする高度なパッケージングプロバイダー、そして複雑なチップレットベースのシステムを検証するために必要なツールを構築する電子設計自動化企業などが含まれる可能性があります。

最も重要なビジネスチャンスはどこに生まれているのか？

最も有望な分野の一つは、チップレットの知的財産（IP）開発だと考えています。例えば、チップレットの標準規格が成熟するにつれて、半導体企業はより特殊なチップレットを設計するようになる可能性があります。こうしたチップレットには、AIアクセラレータ、ネットワークダイ、メモリコントローラなどがあり、これらはより大規模なプロセッサシステムに統合することができます。

チップレットを単一パッケージ内に接続するために必要となる、高度な半導体基板とインターポーザーの分野に生まれる可能性があります。この分野では、需要の底値は、チップレットの設計がより大規模かつ複雑化するにつれて変動すると考えられます。

一方、ダイ間相互接続技術とそれを支える設計ツールには大きな可能性が秘められています。高速チップレット通信は、システムの信頼性を確保するために、特殊な相互接続アーキテクチャ、低遅延信号伝送技術、高度な検証フレームワークに対する大きな需要を生み出しています。

チップレットのエコシステムにおける最新の傾向は何ですか？

チップレットエコシステムにとって有望な成長の年となる可能性があります。2026年初頭、ケイデンスはIPプロバイダー、パッケージングスペシャリスト、半導体設計者をつなぐチップレット開発エコシステムを発表しました。このエコシステムは、 AIおよび高性能コンピューティングアプリケーション向けのチップレット統合を簡素化することを目的としています。

チップレットアーキテクチャがAI時代のプロセッサの複雑さを管理する上で重要なアプローチになると述べています。また、AMDは、自社のプロセッサはモジュール式の構成要素としてチップレットを使用しており、性能を拡張するために追加の演算チップレットを追加できると正式に説明しています。

結論として、高度なパッケージング技術が拡大し続け、AIシステムが飛躍的に成長するにつれて、チップレット分野におけるビジネスチャンスは今後も魅力的なものとなる可能性があります。

よくある質問

半導体設計におけるチップレットとは何ですか？

チップレットとは、より大きなプロセッサシステム内で特定の機能を実行するように設計された小型の半導体ダイのことです。メーカーは、単一のモノリシックチップを製造する代わりに、演算コア、メモリインターフェース、I/Oコントローラなどの複数のチップレットを高速相互接続を用いて1つのパッケージに統合します。このモジュール設計により、製造歩留まりが向上し、異種統合が可能になります。

現代のプロセッサにとってチップレットが重要なのはなぜですか？

チップレットの重要性が高まっているのは、人工知能や高性能コンピューティングといった現代のコンピューティングワークロードでは、より大型で複雑なプロセッサが必要とされるためです。非常に大きなモノリシックチップを製造すると、製造コストと欠陥リスクが増加します。チップレットアーキテクチャは、複数の小型ダイを単一のシステムパッケージに組み合わせることで、メーカーが性能を拡張できるようにし、この問題を解決します。

チップレットアーキテクチャにおいて、高度なパッケージングはどのような役割を果たしますか？

高度なパッケージング技術により、高帯域幅の相互接続と効率的な電力供給を実現することで、複数のチップレットを統合プロセッサとして機能させることができます。CoWoSやFoverosといったソリューションは、半導体企業がコンピューティング、メモリ、ネットワークコンポーネントを単一のパッケージに統合することを可能にします。チップレットの設計が複雑化するにつれて、高度なパッケージングはシステムレベルのパフォーマンス向上を実現する重要な要素となります。

UCIeのようなチップレット相互接続規格はなぜ重要なのですか？

チップレットアーキテクチャでは、プロセッサパッケージ内の複数のダイ間で効率的な通信が求められます。UCIe（Universal Chiplet Interconnect Express）などの規格は、異なるベンダーのチップレットが標準化されたインターフェースを介して通信できる共通のエコシステムを構築することを目的としています。このアプローチにより、パーソナルコンピュータのコンポーネントモデルと同様のモジュール型半導体エコシステムが実現する可能性があります。

チップレットのエコシステムにおいて、どのような機会が生まれていますか？

チップレットアーキテクチャの台頭は、半導体バリューチェーン全体にわたって新たな機会を生み出しています。チップレットの知的財産開発、高度な半導体基板、ダイ間相互接続技術、電子設計自動化ツールといった分野が恩恵を受けると予想されます。モジュール型チップ設計と高度なパッケージングおよびシステム統合能力を組み合わせられる企業は、次世代半導体イノベーションにおいて重要な役割を果たす可能性が高いです。

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