産業技術総合研究所でコンピューティングを革新する研究が進んでいる。先端半導体や量子分野で国から大型投資を受け、製造ラインなどの整備が進む。産業界は産総研をテストベッドとして使うことで開発のボトルネックを解消できる。これにより産総研は事業化を見据えた研究ができるようになる。国の投資でアカデミアから本気で社会実装を目指せる時代が始まろうとしている。（小寺貴之）

技術開発、学理構築を両立

「いい論文を書けば仕事は終わりだと思っている研究者はいないと思う。少なくとも半導体分野では見ない」と、産総研の安田哲二執行役員エレクトロニクス・製造領域長は振り返る。「みな自分の仕事が社会実装につながるか。企業からどう評価されるか常に考えている」と続ける。

安田領域長は２ナノメートル（ナノは１０億分の１）世代以降の先端半導体を作るための研究開発ラインの立ち上げに奔走している。フッ化アルゴン（ＡｒＦ）液浸露光装置やシリコンゲルマニウム化学気相成長装置、マルチチャンバー洗浄装置など最先端装置１６台を導入した。既存の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ラインに組み込み、個々の装置は稼働した。

現在はゲートオールアラウンド電界効果トランジスタ（ＧＡＡＦＥＴ）を実際に作り、ライン全体での最適化を進めている。このトランジスタ層を作るだけでも約３００工程かかる。工程間の干渉など、プロセスを通して検証しないと現れない課題に挑戦している。

日本の研究者にとって最先端半導体の製造ラインは雲の上の存在だった。研究用の小片の基板と量産用の３００ミリメートルウエハーは別世界とされる。さらに研究開発用の製造ラインであっても最初から最後まで一連の工程を整えると３００億円以上かかる。２０年前なら量産ラインを構築できた額になる。産総研は１６台に１００億円単位の予算を投じた。ベルギーの国際半導体研究機関「imec」などに続いて一貫製造が可能になる。

半導体材料や装置メーカーは産総研のラインを使って自社技術を検証できる。自社の装置や材料を産総研のラインに組み込み、製造工程全体への影響を検証可能だ。企業で最適化できる範囲は自社技術の前後程度に限られていた。安田領域長は「特定の半導体メーカーの特許に依存せず、知的財産の面からも中立なラインを構築している」と説明する。

半導体製造ラインの運営などは、研究者からは論文につながらないと考えられてきた。工程間の干渉対策などは企業がノウハウとして蓄え、通常は公表しない。産総研先端半導体研究センターの昌原明植センター長は「企業の技術者は応用研究や製品開発に忙しく、科学的に現象を理解するところまで手が回らない」と指摘する。不具合を解析していくと、新しい物理現象が見えてくることがある。昌原センター長は「原理を押さえていけば新しい学理が開ける。そして、その問題を解消できれば次の世代の半導体のコア技術になる」と説明する。

産業界と一緒に社会実装を進めつつ、研究者としては学理の構築に挑む。国の技術戦略を実行する国研ならではの研究スタイルが日本でも可能になってきた。これは産総研に限らず、国研が長年追い求めてきたスタイルだ。半導体分野ではベルギーのimecや台湾の工業技術研究院（ＩＴＲＩ）、産業技術全般ではドイツのフラウンホーファー研究機構が実践している。日本は大学にこうした役割を求めてきた。ただ投資が分散してしまうと、民間企業を引きつけるほどの研究環境を半導体分野で実現するのは難しかった。

産総研は国の戦略投資を受け研究環境整備を実現した。半導体は経済安全保障上欠かせないため、投資額も大型化した。この半導体と同様に投資を受けているのが量子分野だ。

量子分野にも大型投資　基礎研究・アプリ開発を並走

産総研の量子・ＡＩ融合技術ビジネス開発グローバル研究センター（Ｇ－ＱｕＡＴ）は、２０２２年度と２３年度に補正予算で合わせて６２０億円が措置され、拠点整備を進めてきた。さらに２４年度の補正予算で確保された１００９億円の中から追加措置することが決まっている。

特徴は基礎研究やアプリケーション開発を同時並行で進める点だ。Ｇ－ＱｕＡＴの益一哉センター長は「物理現象の基礎研究からアプリケーション開発まで一気に立ち上げることが求められている」と説明する。

そこでＧ－ＱｕＡＴにはデバイス開発や量子制御回路、計測、スパコン、量子アプリケーションなど、一連の開発チームを集めた。量子ビットを作り、制御するのは量子物理の研究者だ。この量子物理系をデバイスとして実現するのは半導体研究者。量子コンピューターのコンポーネントを評価するためには先端計測、アプリケーション開発には量子情報科学の研究者がチームを作る必要があった。

益センター長は「アプリケーションに合わせてデバイスを開発することが重要」と強調する。アプリケーションや事業化を先行させることで実用化に向けた課題を抽出できる利点もある。量子コンピューターは超電導方式や半導体方式、光量子方式などの、複数方式が開発されている。実用化に向けた共通課題を各方式の開発に反映させ、共通化できる領域を探して開発コストを抑制する。堀部雅弘副センター長は「研究から事業化まで一つのセンターに集まっている効果は大きい。毎日のように侃々諤々の議論になっている」と苦笑いする。

Ｇ－ＱｕＡＴもテストベッドとしての役割を担う。各方式の量子コンピューターをそろえ、ユーザーが各方式を比べながら使い倒す環境を整える。これを量子物理や量子情報科学の研究者が支える。

社会実装を通して新しい研究課題を抽出して学理を開く。これは国研本来の姿とも言える。産学でイノベーションを体現できるかが注目される。