「NVIDIAの時代」の到来 売上高1000億ドル企業の誕生か：湯之上隆のナノフォーカス（73）（2/3 ページ）

[湯之上隆（微細加工研究所），EE Times Japan]

NVIDIAのGPUの2つのボトルネック

　筆者は、前回のコラム「NVIDIAのGPU不足は今後も続く　ボトルネックはHBMとTSMCの中工程か」で、NVIDIAのGPU不足の背景には、2つのボトルネックがあることを詳述した。

　その2つとは、TSMCがNVIDIAのGPU用のCoWoSパッケージを形成するための中工程（の中のシリコンインターポーザ）と広帯域メモリ（HBM）である（図5）。これらがボトルネックとなる理由は、CoWoSが世代を進めるとともに、HBMの搭載数が増える上に、インターポーザの面積が巨大化するからだ。

図5　（既出）NVIDIAのGPUなどAI半導体のCoWoSの構造と二つのボトルネック［クリックで拡大］ 出所：WikiChip

　特にインターポーザの巨大化は深刻である。というのは、インターポーザは、12インチシリコンウエハーから角形に切り出したものを使用しているが、インターポーザが大きくなるほど、12インチウエハーからの取得数が減少するからである。

　実際に、2023年の第6世代では、インターポーザの面積が3400mm²となり、これで12インチウエハーの面積を割り算すると21個しかインターポーザが取得できない。しかし、現実には、12インチウエハーのエッジかかったインターポーザは全て不良品となるため、面積が3400mm²（58mm^□）のインターポーザは最大9個しか取得できない（図6）。

　加えて、12インチウエハー上には配線層とTSVを形成しなければならないため、その歩留り（60〜75％）を考慮すると、12インチウエハーから取得できる良品のインターポーザはわずか6個程度になってしまう。

図6　（既出）12インチウエハからインターポーザが何個取得できるか［クリックで拡大］ 出所：亀和田忠司、『次世代半導体パッケージング・実装技術動向と市場展望』、サイエンス＆テクノロジー主催のセミナー、2024年2月6日

インターポーザは今後も巨大化を続ける

　さらに、今後もシリコンインターポーザが巨大化する計画であることが分かった（図7）。それによると、2026年にインターポーザの面積はレチクルサイズの5.5倍以上になると書かれている。レチクルサイズは最大33×26mm＝858mm²であるから、その5.5倍は4719mm²（69mm^□）になる。58mm□のインターポーザが最大9個であったことから、69mm□のインターポーザは、12インチウエハーから最大5〜6個程度しか取れないのではないか。

図7　インターポーザは今後も巨大化を続ける［クリックで拡大］ 出所：Anton Shilov , “TSMC's System-on-Wafer Platform Goes 3D: CoW-SoW Stacks Up the Chips”,ANANDTECH, April 26, 2024, https://www.anandtech.com/show/21372/tsmcs-system-on-wafer-platform-goes-3d-cow-sow

　そして、2027年のインターポーザのサイズを見て、筆者は絶望的な気持ちになった。2027年には二通りの計画があり、その一つ（図7の下図）においては、インターポーザ面積はレチクルの8倍以上となっていて、その面積は6864mm²（83mm^□）である。恐らく、12インチウエハーから取得できるインターポーザ数は4個以下になるだろう。

　さらにもう一つ（図7の上段）では、インターポーザ面積は、何とレチクルの40倍以上となり、その面積は34320mm²（185mm^□）である。185mm□のインターポーザは、12インチウエハーから、たった1個しか取得できない。もし、配線層やTSVに不良箇所があれば、取得数はゼロになる！

　このように、今後もインターポーザの巨大化が続くとなると、いくらTSMCが毎年、そのCapacityを倍増させたとしても、インターポーザが足りない事態は解消できないだろう。そして、この問題を根本的に解決するには、12インチウエハーからインターポーザを取得するのは止めて、515×510mmの角型有機基板またはガラス基板を使うしかない。しかし、角型基板に配線層とTSVを形成するための製造装置や搬送系を準備するには、年単位の時間がかかる。

　以上から、NVIDIAのGPU不足は、今後数年程度では解消できないと思われる。