NVIDIA、半導体材料工学と製造におけるイノベーションを推進
NVIDIA は、半導体の材料工学および製造プロセスにおける技術的進歩を加速させる取り組みを発表した。
AI深層分析を開く2026年7月27日 13:04
AI深層分析
キーポイント
エンドツーエンドのデジタル開発モデルの構築
Applied Materials の材料工学・製造リーダーシップと NVIDIA CUDA-X ライブラリを組み合わせた、原子レベルから工場最適化までをカバーする統合アプローチを採用する。
GPU 加速シミュレーションによる設計空間の拡大
フロントエンドにおいて GPU 加速シミュレーションを活用し、材料エンジニアが次世代デバイスの開発において強力な優位性を獲得できる環境を提供する。
物理ベースモデリングと AI ドリブンデジタルツインの活用
ミドルエンドでは物理ベースのモデリングでチャンバーおよびレシピ開発を高速化し、バックエンドでは AI 駆動のデジタルツインが生産ライン変更前にファブ性能を予測する。
原子から工場までの継続的な洞察フロー
これらの技術を統合することで、原子レベルの発見から製造プロセス開発、そして工場最適化に至るまで、一貫した洞察の流れを生み出し進捗を加速させる。
3段階の協力体制
NVIDIAとApplied Materialsは、原子規模でのシミュレーション、チャンバーおよびプロセス開発、AIを活用したファブのデジタルツインという3つの段階にわたって連携している。
重要な引用
This collaboration accelerates the entire innovation pipeline—from atomic-scale discovery and engineering through process development to factory optimization.
At the front end, GPU-accelerated simulations expand the design space, giving materials engineers a powerful advantage in developing next-generation devices.
The end-to-end digital model developed by NVIDIA and Applied Materials connects atomic-scale discovery, process engineering, and factory optimization.
Identifying these effects through physical experimentation alone is too slow and costly.
AI のワークロード増加に伴い、計算需要が爆発的に拡大し、半導体業界はかつてない性能目標の達成を迫られています。急速に進化する AI ハードウェアのサイクルにおいて、わずかな遅れさえも巨額の財務的損失をもたらす可能性があります。同時に、チップ単位の最適化からシステム全体のエンジニアリングへとシフトする動きが、熱や電力に関する課題をさらに複雑にしています。
これらの要求に応えるには、デバイススタックの奥深くにある材料におけるブレークスルーが必要です。これを実現するには、従来の手法では到底届かない高度なモデリングとシミュレーションが不可欠です。
本稿では、Applied Materials と NVIDIA が、この課題にどのように取り組んでいるかを紹介します。両社は、Applied Materials の材料工学および半導体製造におけるリーダーシップを、NVIDIA CUDA-X ライブラリと組み合わせたエンドツーエンドのデジタル開発モデルによって解決を図っています。この協業により、原子レベルでの発見やエンジニアリングからプロセス開発、さらには工場最適化に至るまで、イノベーション全体のパイプラインが加速されます。
NVIDIA と Applied Materials はどのように半導体イノベーションを加速しているのか
前端では GPU 加速シミュレーションが設計領域を拡大し、次世代デバイスの開発において材料エンジニアに強力な優位性をもたらします。中盤では物理ベースのモデリングによりチャンバーとレシピの開発が加速されます。後端では AI ドライブ型のデジタルツインが、生産ラインに変更を加える前にファブのパフォーマンスを予測します。これらを組み合わせることで、原子レベルからファブまでを繋ぐ継続的な洞察の流れが生まれ、より迅速な進歩を促します。
image*図 1. NVIDIA と Applied Materials が開発したエンドツーエンドのデジタルモデルは、原子レベルでの発見、プロセス工学、ファブ最適化を結びつけます。画像提供:Applied Materials*
原子スケールにおける材料モデリングの進展
幾何学的な微細化が鈍化する中、先進半導体の進歩は誘電体や導体、その他の薄膜における材料革新にますます依存するようになっています。原子レベルでは、材料構造や界面のわずかな変動でさえも、性能、信頼性、歩留まりに大きな影響を及ぼします。物理的な実験だけでこれらの影響を特定するのは、時間とコストの面で現実的ではありません。
Applied Materials は、この課題に対して「Ginestra」という物理ベースの欠陥中心シミュレーションプラットフォームで対応しています。これは材料特性や欠陥と予測されるデバイス性能を結びつけるものです。
主要な応用例の一つが、ゲート・オール・アラウンド(GAA)トランジスタやその他の先進的な 3D デバイスにおける高誘電率金属ゲート(HKMG)スタックです。これらは人間の髪の毛の幅の約 10,000 分の 1 の空間に、5 つの異なる材料を詰め込んでいます。
計測データと第一原理シミュレーションを組み合わせて、Ginestra は原子レベルの材料特性から直接、デバイスのばらつきや信頼性を予測します。
image*Figure 2. Gate-all-around transistor and gate stack layer breakdown*
従来、必要なシミュレーションの忠実度を達成するには膨大な計算時間が必要で、エンジニアが材料の選択肢を広く探索することを制限していました。
Ginestra に NVIDIA cuDSS(CUDA-X Direct Sparse Solver)を組み込むことで、Applied Materials はこれらのシミュレーションの中核となる疎行列代数の計算を加速し、精度を犠牲にすることなく、CPU のみのアプローチと比較して最大 10 倍の高速化を実現しました。これによりエンジニアは、材料の組み合わせや反応経路にわたって数千もの仮想実験を実行できるようになり、有望な候補のプールが劇的に拡大しています。
このように探索範囲は広がりますが、原子レベルでの正確な予測には、電子構造をモデル化する業界標準手法である密度汎関数理論(DFT)も不可欠です。DFT は予測精度が高い一方で、計算コストが非常に大きくなります。従来の CPU ベースのシミュレーションでは数日乃至数週間かかることもあり、産業規模での DFT 利用に大きな制限が生じていました。
NVIDIA cuEST(CUDA Electronic Structure Theory)は、DFT ワークフローの中で最も負荷の高い処理を加速します。これは NVIDIA が提供する CUDA-X ライブラリの最新作の一つで、GPU 上で量子化学アプリケーションを高速化するために設計されています。モジュール式 API を採用することで、ガウス基底関数に基づく密度汎関数理論の計算集約型の主要コンポーネントを加速しつつ、既存の量子化学ワークフローとの統合も実現しています。
NVIDIA B200 システム上では、かつて 64 コアの CPU で 5 日かかっていたシミュレーションが、単一の GPU で約 2 時間で完了するようになり、速度は約 55 倍に向上しました。以前は数百コアの CPU を数週間必要としていた複雑な反応探索タスクでさえも、現在は数時間で実行可能になっています。
Ginestra ワークフローと CUDA-X の組み合わせにより、材料工学におけるシミュレーションの比重が高まっています。これによりエンジニアは探索範囲を広げられ、高コストな実験への依存を減らしながら、最適な材料の発見を加速できます。
大量生産に向けた材料革新の実現
有望な材料を見つけた後、次なる課題は、それらの知見を反復可能で高収率の製造プロセスへと転換することです。このプロセスには、流体の流れや熱伝達、プラズマダイナミクス、表面反応、電磁気効果など、密接に結合した物理法則が厳格に適用されます。
image*図 3. Applied Materials ACE+ プラットフォームは、チャンバー設計、ハードウェア構成、プロセスパラメータがどのように相互作用するかをシミュレーションします。NVIDIA PhysicsNeMo を使用することで、流体の流れや熱伝達、プラズマダイナミクス、表面反応といった複合的なチャンバー物理の計算速度を最大 35 倍に向上させています。画像提供:Applied Materials*
Applied Materials の ACE+ プラットフォームは、これらの多物理モデルを統合し、チャンバー設計やハードウェア構成、プロセスパラメータが相互にどう影響し合うかをシミュレーションします。その後、NVIDIA PhysicsNeMo がシミュレーション結果を変換し、プロセス挙動のリアルタイムなデジタルツインを生成します。
GPU による加速により、ACE+ の地形シミュレーションは最大 35 倍高速化され、かつて数日かかったワークフローを当日中に完了させることが可能になりました。エンジニアはパラメータの変更を動的に探索し、その影響を即座に確認できます。これにより、バッチベースの反復から、最適条件へより早く収束する継続的でインタラクティブなワークフローへと移行することが実現します。
検証済みのプロセス革新は、Applied Materials の統合材料ソリューションプラットフォームを通じて生産現場に展開されます。その一例が Endura です。これは半導体業界で最も成功した金属化システムであり、真空下で複数の工程を統合することで、先進的なチップ製造に必要な精度を実現しています。
ここから焦点はフルファブ環境へと広がり、装置間の相互作用やワークフローのダイナミクスが生産性、コスト、歩留まりを最終的に決定します。
image*図 4. NVIDIA Omniverse で構築されたフォトリアリスティックなファブのデジタルツイン。材料の流れをシミュレーションし、ボトルネックを特定し、展開前に運用戦略を検証するために使用されます。画像提供:Applied Materials*
工場スケールでは、Applied Materials は NVIDIA Omniverse のライブラリを活用して、ファブ全体にわたる物理的に正確なデジタルツインを構築しています。これらの環境により、チームはレイアウトの最適化、材料フローのシミュレーションと効率化、ボトルネックの特定、展開前の運用戦略検証が可能となり、量産への移行を加速します。
image*図 5:Applied Materials と NVIDIA のデジタルスレッドは、原子レベルでの材料発見からプロセス工学、そして大量生産までを一つの継続的な半導体イノベーション・パイプラインに統合しています。画像提供:Applied Materials*
さらに詳しく知る
AI エラにおける計算需要の増大に対応するため、半導体業界は、原子レベルの材料工学、プロセス開発、製造最適化を横断する連携モデルを採用する必要があります。Applied Materials の半導体製造に関する専門知識と NVIDIA CUDA-X による高速シミュレーションを組み合わせることで、エンジニアは重要なボトルネックに迅速に対処し、次世代技術への道筋を加速させることができます。
より広範な視点では、これは業界がクロス・エコシステム型イノベーションへと移行していることを示しています。Applied の EPIC プラットフォームなどがその好例であり、半導体バリューチェーン全体における緊密な協力が、さらなる進展をもたらす時代となっています。
cuEST は高精度な電子構造モデリングを推進し、cuDSS は大規模な工学シミュレーションを加速します。また、NVIDIA PhysicsNeMo はシミュレーションデータをリアルタイムのデジタルツインへと変換し、NVIDIA Omniverse は物理ベースのデジタルツインを通じてデータ、モデル、ワークフローを接続します。
これらの技術は、半導体イノベーションのライフサイクル全体にわたって連続したデジタルスレッドを形成し、AI の未来を支える基盤技術の開発を加速します。
半導体の設計と製造を加速する取り組みについては、こちらをご覧ください。
原文を表示
As AI workloads increase, explosive compute demand is pushing the semiconductor industry to meet unprecedented performance targets. Even small delays can have outsized financial impact in fast-moving AI hardware cycles. Simultaneously, the shift from chip-level optimization to system-level engineering is compounding thermal and power challenges.
Meeting these demands requires breakthroughs in materials deep within the device stack. This calls for advanced modeling and simulation beyond what conventional approaches can deliver.
This post explores how Applied Materials and NVIDIA are tackling this challenge with an end-to-end digital development model that combines Applied Materials leadership in materials engineering and semiconductor manufacturing with NVIDIA CUDA-X libraries. This collaboration accelerates the entire innovation pipeline—from atomic-scale discovery and engineering through process development to factory optimization.
How are NVIDIA and Applied Materials accelerating semiconductor innovation?
At the front end, GPU-accelerated simulations expand the design space, giving materials engineers a powerful advantage in developing next-generation devices. In the middle, physics-based modeling speeds up chamber and recipe development. At the back end, AI-driven digital twins predict fab performance before changes hit the production floor. Putting these together creates a continuous flow of insights that drives faster progress from atoms to fabs.

Advancing atomic-scale materials modeling
As geometric scaling slows, progress in advanced semiconductors increasingly hinges on materials innovation in dielectrics, conductors, and other thin films. At atomic levels, even minor variations in material structure and interfaces can significantly impact performance, reliability, and yield. Identifying these effects through physical experimentation alone is too slow and costly.
Applied Materials addresses this constraint with Ginestra, a physics-based, defect-centric simulation platform that connects material properties and defects to predicted device performance. One key application is the high-k metal gate (HKMG) stacks in gate-all-around (GAA) transistors and other advanced 3D devices, which pack five distinct materials into a space barely 1/10,000th the width of a human hair. By combining metrology data with first-principles simulation, Ginestra projects device variability and reliability directly from atomic-scale material characteristics.

Historically, achieving the required simulation fidelity needed significant compute time, restricting how broadly engineers could explore the materials landscape. By integrating NVIDIA cuDSS (CUDA-X Direct Sparse Solver) into Ginestra, Applied Materials accelerates the sparse linear algebra at the core of these simulations, delivering up to a 10x speedup over CPU-only approaches without sacrificing accuracy. Engineers can now run thousands of virtual experiments across material combinations and reaction pathways, dramatically expanding the pool of viable candidates.
While this broadens the search space, accurate atomic-level prediction also depends on density functional theory (DFT), the industry-standard method for modeling electronic structure. DFT is highly predictive but also highly compute-intensive. Traditional CPU-based simulations can take days or even weeks, limiting DFT industrial scalability.
NVIDIA cuEST (CUDA Electronic Structure Theory) accelerates the most demanding steps of the DFT workflow. cuEST is one of the most recent CUDA-X libraries offered by NVIDIA to accelerate quantum chemistry applications on GPUs. Its modular APIs accelerate the most computationally demanding building blocks of Gaussian-basis density functional theory while integrating with existing quantum chemistry workflows.
On NVIDIA B200 systems, simulations that once took five days on 64 CPU cores can now be completed in about two hours on a single GPU—an approximately 55x speedup. Even complex reaction-search tasks that previously required hundreds of CPU cores for over a week can now run in hours.
Together, Ginestra workflows and CUDA-X shift more materials engineering into simulation. This helps engineers expand exploration, reduce reliance on costly experiments, and accelerate discovery of optimal materials.
Bringing materials innovation to high-volume manufacturing
After identifying promising materials, the next challenge is translating those insights into repeatable, high-yield manufacturing processes governed by tightly coupled physics—fluid flow, heat transfer, plasma dynamics, surface reactions, and electromagnetic effects.

The Applied Materials ACE+ platform brings these multiphysics models together to simulate how chamber design, hardware configuration, and process parameters interact. NVIDIA PhysicsNeMo then converts simulation results into real-time digital twins of process behavior.
With GPU acceleration, ACE+ topography simulations run up to 35x faster—compressing workflows that once took days into same-day results. Engineers can dynamically explore parameter changes and see instant impact, shifting from batch-based iteration to a continuous, interactive workflow that converges on optimized conditions much earlier.
Validated process innovations are then deployed into production using Applied Materials Integrated Materials Solutions platforms. One example is Endura, the semiconductor industry’s most successful metallization system, combining multiple process steps under vacuum to deliver the precision required for advanced chipmaking. From there, the focus expands to the full fab environment, where tool interactions and workflow dynamics ultimately determine throughput, cost, and yield.

At the factory scale, Applied Materials leverages NVIDIA Omniverse libraries to build physically accurate digital twins of entire fabs. These environments allow teams to optimize layouts, simulate and streamline material flow, identify bottlenecks, and validate operational strategies before deployment—accelerating ramp to high-volume manufacturing.

Learn more
To meet the growing compute demands of the AI era, the semiconductor industry must embrace a connected model spanning atomic-scale materials engineering, process development, and manufacturing optimization. By combining Applied Materials’ semiconductor fabrication expertise with NVIDIA CUDA-X accelerated simulation, engineers can tackle critical bottlenecks faster and speed up the path to next-generation technologies.
More broadly, this reflects the industry’s shift toward cross-ecosystem innovation—exemplified by initiatives like Applied’s EPIC platform—where progress increasingly comes from closer collaboration across the semiconductor value chain.
cuEST advances high-accuracy electronic-structure modeling,cuDSS accelerates large-scale engineering simulations,NVIDIA PhysicsNeMo transforms simulation data into real-time digital twins, and NVIDIA Omniverse connects data, models, and workflows through physically based digital twins.
Together, these technologies create a continuous digital thread across the semiconductor innovation lifecycle—accelerating the development of the foundational technologies that will power the future of AI.
Learn more aboutaccelerating semiconductor design and manufacturing.
AI算出
導入事例ainew評価高い
AI が半導体設計・製造プロセスに深く関与し、具体的な数値効果を示しているが、これは特定の企業間の導入事例として分類される。新規性は具体的な技術的進歩と数値データにより高評価とする。
6つの評価軸を見る
- AI関連度
- 75
- 情報源の信頼性
- 100
- 新規性
- 75
- 調べる価値
- 75
- 重複の少なさ
- 100
- 日本での有用性
- 25
関連記事
今日のまとめ
AIデイリーブリーフで今日の重要ニュースをまとめ読み