スマートフォン、ゲーム機、自動車、家電の中には、黒くて小さな板のような部品が入っている。よく「チップ」と呼ばれる部品だ。その中では、電気の流れを細かく切り替えることで、計算したり、情報を覚えたり、外の機器と通信したりしている。
この働きを支える材料や部品を「半導体」という。半導体は、電気を通しやすい状態と通しにくい状態を作り分けられる。とても小さなスイッチを大量に並べることで、写真を表示したり、ゲームを動かしたり、AIの計算をしたりできる。
高性能なチップを一枚の大きな回路として作ることは、だんだん難しくなっている。そこで、一つの大きなチップを役割ごとの小さな半導体部品に分け、あとから一つの箱の中で組み合わせる方法が広がっている。この記事では、この方法で何が良くなり、どんな問題が残るのかを見ていく。
大きな一枚を作るのは、なぜ難しいのか
半導体の回路は、シリコンという材料でできた丸い板の上に、同じ図案をたくさん並べて作る。そのあと、一個ずつ四角く切り分ける。丸い板は「ウェハー」と呼ばれる。
回路を作る途中で、小さな傷やごみが入ることがある。回路が大きいほど、どこかに問題が入る可能性が高くなる。一か所の問題で大きな回路全部が使えなくなれば、作れる良品の数が減り、値段も上がりやすい。
回路の模様を板へ焼き付ける機械にも、一度に描ける広さの限界がある。高性能にするため回路をどんどん大きくすると、設計も製造も難しくなる。
そこで、計算を担当する部分、情報を覚える部分、外部と通信する部分を小さく分ける。それぞれを作って検査し、合格した部品を一つの入れ物に載せる。この小さく分けた半導体部品を「チップレット」という。
チップレットにすると、すべてを同じ最新工場で作らなくてもよい。高速な計算が必要な部分には細かな回路を使う。通信を担当する部分には、長く使われてきた作り方を使う。このように、役割に合う作り方を選べる。すべてを作り直さず、一部だけ新しくできる可能性もある。
小さな部品どうしにも会話のルールがいる
部品を分けるだけでは、一つのコンピューターとして動かない。どの場所から信号を送るのか。どの速さで送るのか。間違いが起きたとき、どうやり直すのか。電源を入れたとき、どの順番で動き始めるのか。こうした約束が必要だ。
会社ごとに約束がまったく違えば、別の会社が作った部品をつなぎにくい。そこで作られたのが、半導体部品どうしをつなぐ共通ルール「Universal Chiplet Interconnect Express」だ。名前の頭文字からUCIeと呼ばれる。
UCIeは、一つの製品の箱の中で、チップレットどうしが信号やデータを送る方法を決める。電気信号の送り方だけではない。データを運ぶ順番や、正しくつながるかを確かめる試験も対象になる。
共通の接続ルールが決まっても、別々の会社が作った小さな半導体を、すぐ自由に組み合わせられるとは限らない。大きさ、使う電力、熱の逃がし方、品質の確かめ方など、ほかにも合わせる条件が残っているためである。
UCIe 3.0で速さはどう変わったのか
UCIeの3回目の大きな仕様であるUCIe 3.0は、2025年8月に公開された。新たに48 GT/sと64 GT/sという転送速度へ対応した。
GT/sは、一秒間に信号の状態を何回送れるかを表す単位だ。64 GT/sなら、一秒間に640億回の転送を行う。この数字は、そのまま一秒間に64ギガバイトのデータを送れるという意味ではない。実際のデータ量は、信号をどのように記録するか、接続を何本使うか、間違いを直す情報をどれだけ加えるかで変わる。
一つ前のUCIe 2.0の最高速度は32 GT/sだった。UCIe 3.0では、信号を送る最高の回数が2倍になった。
AI向けのチップでは、計算する部分だけ速くても十分ではない。計算に使うデータが届くまで待っていれば、その時間は仕事が進まない。たくさんのチップレットの間で、より多くの情報を速く運ぶ道が必要になる。
ただし、速く信号を送るほど、電気を多く使ったり、熱が増えたり、信号が乱れたりしやすい。UCIe 3.0には、動いている途中で接続を調整し、余分な電気を減らす仕組みも加えられた。速度だけを上げるのではなく、電気の使い方も整えようとしている。
部品の状態を知り、問題を伝える
多くのチップレットを一つにすると、どの部品が正しく動いているかを調べる必要がある。部品の状態を知り、起動や検査、問題への対応を行いやすくすることを「管理しやすくする」と考えればよい。
UCIe 3.0では、コンピューターが完全に動き始める前に、部品を動かすための基本的なプログラムを送る方法が決められた。この基本プログラムをファームウェアという。
急いで伝える必要がある管理信号を、ほかの信号より先に送る仕組みもある。危険な状態で緊急停止を知らせる方法や、遅れてはいけない信号をすばやく届ける方法も決められた。
管理用の補助信号を届けられる距離は、最大100ミリメートルになった。10センチメートルは身近には短いが、小さな半導体を入れる箱の中では長い。部品を置く場所の自由を増やすための変更である。
UCIe 3.0は、以前のUCIeの決まりも理解できるように作られている。新しい世代が古い世代の決まりでも動ける性質を、後方互換という。ただし、これもすべての部品が必ずつながるという保証ではない。使う速度や選んだ機能が合うかを確かめる必要がある。
共通ルールのほかに何を合わせるのか
実際の製品では、チップレットの大きさを合わせなければならない。必要な電気をどう渡すかも決める。熱がたまらないよう、冷やす方法も考える。部品どうしを載せる土台や配線も必要だ。
品質を確かめる試験も欠かせない。故障した場合、どの部品に原因があるのかを調べなければならない。会社が違えば、設計の秘密や、故障したときの責任をどう扱うかという約束も必要になる。UCIeは接続の大切な部分をそろえるが、これら全部を一度に解決するものではない。
それでも、共通ルールがある意味は大きい。AIの計算、情報の記憶、通信を一枚の巨大な回路へ全部入れず、必要に応じて組み合わせやすくなる可能性がある。目的に合うチップを作りやすくなり、一部分だけを新しい世代へ交換できるかもしれない。
これから見るべきなのは、最高速度の数字だけではない。別々の会社が作った部品が同じ試験に合格し、本当の製品で安定して動くか。冷却に使う電気まで含めて利点があるか。組み合わせられる部品の種類が増えるか。UCIe 3.0は完成した部品市場ではなく、多くの会社が一緒に使える部品を作るための、共通の出発点なのである。