モノリシック時代の終焉に挑む刺客──なぜTSMCは先進パッケージ技術に賭けたのか

TSMCは7ナノメートル以下の先端プロセス技術で世界をリードしており、その優位性の一つが「先進パッケージング」技術における革新にある。2009年から取り組んできたこの研究開発プロジェクトは、現在では技術面と量産面の両方で経済的スケールを実現しており、半導体業界がムーアの法則の限界に挑むうえで大きなブレークスルーとなっている。TSMCにとっても、ポスト・ムーア時代の技術的な行き詰まりを乗り越えるための最も戦略的な武器となっている。

従来、TSMCは主に半導体の前工程であるウエハー製造における先端プロセス技術の開発に注力してきた。後工程のパッケージング作業については、日月光のような専門業者に委託するのが一般的だった。しかし、プロセス技術の進展が限界に近づく中で、TSMCはパッケージング技術への本格的な参入を決断し、それを「先進パッケージ」と位置づけた。

「先進パッケージング」とは、従来の「一層構造」の封装を超える技術である。プロセス技術が7ナノ、5ナノ、さらには3ナノのノードに進むにつれ、ICの設計と製造はますます難しくなり、コストも急増している。この課題に対し、TSMCは早い段階からICを垂直方向に積層し、2.5Dまたは3Dのパッケージングによって、ビルのようにチップを上に重ねていくアプローチを模索してきた。

チップの垂直積層が進む中で、先進パッケージング技術の役割は、複数の小型チップを統合し、より高い性能を引き出すことにある。TSMCが先進的なパッケージング技術を開発した後、Apple、AMD、NVIDIAなどの顧客は、chiplet（チップレット）を活用した次世代の異種統合型チップ設計を本格採用し始めた。TSMCはこれらの異種チップレットを2.5Dおよび3Dパッケージ技術によって一体化し、AIや高性能コンピューティング（HPC）プロセッサの主流化を加速させている。

市場調査会社Yoleの予測によると、2020年から2026年までの先進パッケージ市場の年間平均成長率（CAGR）は15％に達するとされている。2026年には市場規模が480億ドルに拡大し、従来型パッケージ市場を上回る見通しだ。

TSMCが先進パッケージ技術の開発に乗り出すことになった背景には、あまり知られていないエピソードがある。2009年、張忠謀（モリス・チャン）氏がTSMCのCEOに復帰した際、すでに退職していた元R&D担当副社長の蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏を呼び戻し、技術開発を任せたのだ。

当時、蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏は張忠謀（モリス・チャン）氏に対して大胆な提案を行った。プロセス技術の進歩が鈍化し、ムーアの法則が限界に近づく一方で、システム全体の効率にはまだ大きな改善余地があると指摘。先進パッケージ技術を活用すれば、基板上でバラバラに機能していた各チップユニットを統合し、システム全体の性能を向上させることができると考えたのだ。

蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏は張忠謀（モリス・チャン）氏に対し、先進パッケージ技術の重要性を詳細に説明し、さらなる人材と資金の投入を提案した。約1時間にわたる議論の末、張氏はその場で決断を下し、研究開発要員400名と設備購入のための1億ドルを割り当て、蔣氏に迅速な開発開始を命じた。

当時、TSMCによるこの投資は外部からはほとんど注目されていなかった。先進パッケージ部門は解体寸前の状態にあり、蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏が復帰したことで、かつての技術者たちが再び呼び戻された。この技術分野は、彼がTSMCに二度目の復帰を果たして以降、最も力を注いだ研究開発の柱となった。

最終的に、TSMCは先進パッケージの道を切り開くことに成功し、多くの同業他社もその後に続いた。現在では、業界全体がポスト・ムーア時代においてこの方向性が不可欠であると認識している。

その後、TSMCはInFO（Integrated Fan-Out）技術を開発し、iPhoneのプロセッサー受託製造の注文をサムスンから奪取することに成功した。また、NVIDIAのディープラーニング用チップに用いられるCoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）技術も手がけ、これらの先進パッケージ技術が近年のTSMCの躍進を支える重要な柱となっている。

クアルコム幹部の一言が開発チームを変えた

先進パッケージ技術の開発において、蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏は長年のパートナーであり、現在TSMCの卓越技術フェローを務める副総経理・余振華（ユー・ジェンホア）氏とともに、数百人規模のエンジニアチームを率いて取り組んだ。2012年、TSMCは第一世代のパッケージ技術「CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）」を発表したが、当初の採用企業は非常に少なく、Xilinxと華為（ファーウェイ）傘下のHiSilicon（海思半導体）のみにとどまっていた。

蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏はこの技術を各顧客に熱心に紹介したものの、多くは関心を示さなかった。転機となったのは、米国クアルコムの副社長が彼にこう語った時だった。「我々が求めるパッケージングのコストは、1平方ミリあたり1セントです。」その後、蔣氏はCoWoSの実際コストをチームに試算させたところ、1平方ミリあたり7セントもかかっていることが判明。彼はこのとき初めて、技術がいくら先進的でも、コストが顧客の期待を大きく上回っていては受け入れられないという現実に直面した。

その結果、TSMCが後に開発したInFO（Integrated Fan-Out）先進パッケージ技術は、コストを1平方ミリあたり1セント未満に抑えることに成功した。この技術は多くの顧客を引きつけ、中でもAppleはこのコスト競争力のある技術に魅力を感じ、従来サムスンに委託していたチップの製造をやめ、TSMCに大量の注文を出すようになった。

蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏とTSMCの開発チームにとって、クアルコム幹部の一言はまさに目を覚まさせるような衝撃だった。技術者として40年以上の経験を持つ彼は、それまで顧客の視点や市場ニーズを重視することは少なかった。しかし、この一言をきっかけに、コストの課題に正面から向き合い、顧客の期待する価格帯を実現することで、この新しいパッケージ技術の実用化が現実味を帯びてきた。

現在、TSMCは自社の先進パッケージ技術を「TSMC 3DFabric」と総称し、SoIC（System on Integrated Chips）、InFO、CoWoSなどの3DIC技術プラットフォームを含んでいる。これらの技術は、ロジック系チップレット、高帯域幅メモリ、特殊プロセスチップの統合を可能にし、業界に対して多用途かつ包括的なソリューションを提供し続けている。

ここで一つのエピソードを紹介したい。蔣尚義（ジャン・シャンイー）氏は中国のSMIC（中芯国際）の副董事長を務めていた時期、同社内部で先進パッケージ技術とチップレット技術を推進しようとしていた。当時の彼は依然としてこれらの技術に強い情熱を抱いており、当時の董事長である周子学（ジョウ・ズーシュエ）氏と何度も意見交換を重ね、自らの構想を実現しようとした。しかし、SMICは彼の提案を重視せず、後に蔣氏は「中芯入りは人生で最も大きな過ちの一つだった」と述懐している。

SMIC（中芯国際）は先端プロセス技術の開発を進める中で、EUV露光装置を入手できなかったことが大きな障害となった。加えて、先進パッケージ技術の重要性を早期に認識しなかったことも、同社にとって致命的な失策となった。

ムーアの法則の限界を乗り越えるために、TSMCは社内に「ポスト・ムーア戦略オフィス（Beyond Moore Office）」を設立した。一方ではプロセスの微細化を継続し、他方では先進パッケージングの開発にも本格的に取り組み、従来のICアーキテクチャの限界を打破しようとしている。この二本柱の戦略により、TSMCは競合他社との技術的な差をさらに広げている。

TSMCは技術面でのブレークスルーに加え、先進パッケージの生産能力拡大にも拍車をかけている。現在、苗栗県竹南に建設された最新の封装・テスト工場「AP6（先進封測六廠）」は、既存の4工場を合わせた生産能力の1.3倍の規模を誇り、2022年第3四半期に量産を開始した。

TSMCはこれまでに4つの先進パッケージング・テスト工場を運営しており、それぞれ新竹、台南、桃園龍潭、台中に位置している。ただし、華人文化において「4」という数字が忌避されることから、これらの工場は「先進封測一廠」「二廠」「三廠」「五廠」と命名されている。

竹南にあるTSMCの先進パッケージ工場は、他の封装工場とは異なる生産体制を採っており、主に前工程の3D領域におけるTSMC-SoIC（System on Integrated Chips）プロジェクトに特化している。ここでは、Wafer-on-Wafer（WoW）やChip-on-Wafer（CoW）などの先進的なパッケージ技術が導入されている。また、技術の自立性と設備部品の現地調達を強化するため、TSMCは地元サプライヤーの育成に力を入れており、材料の国産化、技術の内製化、外資系装置の現地製造化、そして先進パッケージ装置の国産化を積極的に推進している。

これまで、半導体前工程の先端製造装置分野は、アプライド・マテリアルズ（Applied Materials）、ラムリサーチ（Lam Research）、KLA、ASML、東京エレクトロン（TEL）の5大国際企業によって長らく支配されてきた。これらの企業の市場シェアは70％を超えている。一方で、後工程であるパッケージング装置市場は競争がそれほど激しくなく、技術的なハードルや装置コストも比較的低いため、国産装置メーカーにとって参入のチャンスが広がっている。

たとえば、万潤科技が製造するディスペンサー（点膠機）は、技術力、価格、納期のいずれも優れており、多くの受注を獲得している。そのほか、湿式装置を提供する辛耘（シンユン）、フォトマスクやウエハーの搬送ボックスを供給する家登（ジアデン）、半導体ターゲット材を扱う光洋科（グアンヤンコー）などが、台湾の先進パッケージ分野における主要なローカルサプライヤーとして台頭している。TSMCが先進パッケージ技術と生産能力の拡大を加速する中、台湾の装置・材料・検査分野もともに発展し、「TSMC大同盟」とも呼べる緊密な産業連携が形成されつつある。