Multi-Chip Module

マルチチップモジュール（MCM）

マルチチップモジュール（MCM）とは、複数の独立した半導体集積回路（IC）チップの本体（ダイ）や、あらかじめ小型のパッケージに収められたモジュールを、一つの共通基板やパッケージ上に集積し、あたかも単一の大型チップであるかのように扱うための特別なエレクトリックパッケージング技術です。

この技術の主な目的は、個別のチップを基板上に多数配置するよりも、より高い密度で集積度を高めること、チップ間の電気信号の経路を短縮することで高速化を実現すること、そして異なる種類のチップ（例えば、演算処理を行うプロセッサ、データを一時的に保持するメモリ、外部との信号を入出力するコントローラーなど）を一つの部品として組み合わせることを可能にすることです。MCMはその統合された性質から、設計や製造の文脈においては、全体を指して「チップ」と呼称されることもあります。

設計と形態の多様性

MCM技術によって実現されるパッケージは、その用途や搭載されるチップの種類、設計の複雑さ、製造プロセスによって多岐にわたる形態を持ちます。シンプルなものから極めて複雑な構造を持つものまで存在し、共通基板としてセラミックや積層配線基板などが用いられます。この多様性が、様々な種類の電子機器やシステムにおいてMCMの採用を可能にしています。

歴史と主な応用製品

MCM技術は、比較的高度な集積が求められる分野で古くから利用されてきました。初期の例としては、1970年代にIBMが開発した磁気バブルメモリにおいて、複数のメモリ素子を一つのパッケージに統合するためにMCMが使用されています。

コンピューターの分野では、高性能プロセッサの進化と共にMCMの採用が進みました。インテルは、初期のPentium Proから、複数のCPUダイを搭載したPentium D Presler、サーバー向けのXeonシリーズ（Dempsey, Clovertown）、そしてコンシューマー向けのCore 2 Quadシリーズ（Kentsfield, Yorkfield）といった製品でMCM技術を利用しました。さらに、比較的新しい世代であるBroadwellマイクロアーキテクチャや、異なる機能を持つ「チップレット」を組み合わせるMeteor Lakeマイクロプロセッサなどでも、MCM的な手法が活用されています。AMDも、Ryzenシリーズ、特に高性能なRyzen Threadripperやデータセンター向けのEPYCプロセッサにおいて、複数のCPUコアを持つチップレットを一つのパッケージに集積するためにMCM技術を積極的に導入しています。IBMの高性能プロセッサであるPOWERシリーズ（POWER2, POWER4, POWER5など）も、高性能化のためにMCM構造を採用しています。近年では、アップル社の高性能SoCであるM1 UltraやM2 Ultraが、同社の単体チップを二つ結合したMCM構造で設計されており、驚異的な演算能力を実現しています。

プロセッサ以外にもMCMの応用例は多く存在します。ソニーのメモリースティックの一部製品では、フラッシュメモリチップやコントローラーチップを小型かつ高密度にパッケージングするためにMCMが採用されました。また、マイクロソフトのゲーム機Xbox 360に搭載されたATI Technologies製のXenos GPUは、グラフィックス処理を行うGPU本体と、高速な埋め込みDRAM（eDRAM）を同一パッケージに集積したMCM構造を採用し、効率的なデータアクセスを可能にしました。

関連技術

MCMと関連性の深い技術として、SiP（System in Package）が挙げられます。SiPは、一つまたは複数のICチップに加え、抵抗やコンデンサといった受動部品、あるいは他の種類の部品（MEMSなど）をも含めて一つのパッケージに統合する技術であり、MCMよりも広範なシステム機能をパッケージ内に実現しようとする傾向があります。また、ハイブリッド集積回路も、異なるプロセスで製造された部品や、薄膜・厚膜技術を用いて基板上に形成された回路要素とICチップを組み合わせる点でMCMと共通する部分があります。チップパッケージングの進化の中で、MCMは高密度かつ高性能な集積を実現する重要な選択肢の一つであり続けています。

マルチチップモジュール技術は、半導体技術の進化と共にその重要性を増しており、今後も様々な電子システムの性能向上や小型化に貢献していくと考えられます。

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