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ものづくりメーカーの職種図鑑

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半導体設計

半導体設計とは、半導体集積回路を設計する仕事です。集積回路はあらゆる電気電子機器に組み込まれている、なくてはならないものです。さらに昨今では、使用される機器も増加していることから、エンジニアは不足しているといわれています。

専門性が求められる仕事で、経験があれば就職に有利ですが、充実した研修制度で育成する企業も見受けられます。また、半導体設計には様々なプロセスがあるため、一見ハードルが高そうに思えても、実は得意なスキルが活きる業務があるかもしれません。

半導体設計の仕事とは?

まず、半導体について説明します。物質には、金属など電気をよく通す「導体」、ガラスなど電気を通さない「絶縁体」、シリコンなど中間の性質をもつ「半導体」があります。このように、元々はある物質を示す言葉でしたが、半導体物質を利用した電子部品を略して半導体と呼ぶようになりました。その中でも、半導体を用いた集積回路の設計を半導体設計という場合があります。

半導体集積回路(以下、半導体とします)は、機器の中でも中心的な役割を担い、あらゆる製品開発で必要とされています。半導体にもデジタル信号やアナログ信号を処理するものがありますが、ここではデジタル処理を行う半導体設計について解説します。半導体設計のエンジニアは家電製品メーカーや半導体メーカーの他、自動車業界などにも活躍の場があります。半導体設計に必要な仕事は複数に分かれており、個人ではなく専門性を持ち寄ったチームで開発を進めていきます。

企画から図面作成まで幅広くチームで開発

半導体の設計は、よくコンピューターの「頭脳」にたとえられるCPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)やMPU(Micro Processing Unit:超小型演算処理装置)、メモリーといったコンピューターを構成する製品の開発を担当します。また、汎用的な製品のみならず、カスタマイズした開発を行う企業もあります。

いずれにせよ、共通する大まかなプロセスとしては、まずはどのような処理を行う製品なのか仕様を検討することから始まり、それを実現するための処理ロジックに落とし込み、実際にチップに素子を組み込むレイアウトを設計する流れです。

それぞれ専門的なスキルや経験を要するだけでなく、CADで設計した図面を紙に展開したとすると、運動場や街ほどの広さになるため、一人ではなくプロジェクトによっては数十人が携わってひとつの半導体を設計します。顧客からの受注生産であれば、仕様を決めるために対外的なコミュニケーションもありますが、ほとんどがプロジェクト内のエンジニアだけで仕事を進めます。

最先端の技術で社会を支える

半導体技術の進展は目覚ましく、まさに日進月歩の世界です。限界だといわれていた課題も、次々と克服されてきています。高性能化や小型化、省電力化を実現してきた歴史があり、それは現在も続いています。

近年、AIが目覚ましい進歩を見せていますが、これは以前からあった処理のアイディアを、実用的に処理できるだけのコンピューターが登場したことが要因のひとつです。身の回りにある多くの機器を高度化することで、社会の期待に応える仕事だといえます。

半導体設計に必要なスキル

電気や電子の高度な専門スキルが求められるため、そもそも電気工学や電子工学を学んできた人が多く、大学院まで進んだ人も活躍しています。必ずしも半導体を専門的に学んでいなくても、数学や物理など理系の知識さえあれば、研修によって実践的なスキルを身に付けられる企業もあります。専門的に学んだ経歴は基礎にはなるものの、技術は常に新しくなっていくため、専門性よりも継続してキャッチアップする姿勢が求められるのではないでしょうか。

最新情報は米国など英語圏発のケースが多いため、英語のニュースやドキュメントを読み解ける能力があることが望ましいといえます。日本語ではアクセスできる情報量が少なく、翻訳されたころには最新とはいえなくなっている可能性が高い分野です。

また、EMC(Electromagnetic Compatibility:電磁両立性)の知識も持ち合わせていれば、エンジニアとしての価値は高まります。EMCとは、機器が発する電磁波が他の機器に悪影響を与えず、同時に周囲の電磁波によって機器の動作に不具合が起きない性質を指し、そのように対策することをEMC対策と呼びます。試作機の試験で問題を見つけるよりも、あらかじめ設計段階で対策することができれば、開発スピードを速めることにもつながります。

通常、設計はCADやCAMなどの設計支援ソフトウェアで行うことから、仕事ではこうしたソフトウェアの操作スキルを身に付ける必要があります。また、論理回路をプログラムで表現するVHDLなどのハードウェア記述言語も、半導体設計においては必須のスキルとなっています。

半導体設計のフロー

半導体設計は、概ね次のようなフローで進められます。

1. 仕様検討

顧客や製品開発部門が必要としている仕様を把握し、それを実現するために半導体をどう作るのか検討します。機能や性能はもちろん、コストや技術など多面的な検討を行い、最終的に仕様書を作成します。仕様はハードウェアのみならず、ソフトウェアも組み合わせて、どのように目的を果たすか考えます。

2. 論理設計

仕様書を基に、VHDLやVerilog-HDLといったハードウェア記述言語で処理を記述します。記述したら、プログラムに誤りがないか動作確認を行います。

3. 論理合成

論理設計した内容を実現するため、実際に半導体で使う部品に変換します。これには、EDAツールと呼ばれる専用の自動化ツールを使用します。半導体によりますが、部品の数は数千万個にも及びます。

4. レイアウト設計

論理合成して使用する部品が導き出されると、これをどのように配置し配線するかを設計します。これも基本的にはEDAツールで行われますが、エンジニアの腕が試される場でもあります。

半導体設計エンジニアにおすすめの資格

「ディジタル技術検定」では、半導体の仕組みから回路理論、通信まで、幅広い知識を証明するのに役立ちます。中学生レベルの4級から、実務指導レベルの1級まであるので、目標を持ってレベルを上げていきやすいでしょう。また、「CAD利用技術者試験」は、CADを扱える能力を示すことができます。

半導体設計のキャリアパス

半導体設計を志す時点では、必ずしも半導体を熟知している必要はありませんが、理系の素養は必要です。研修制度などを通して、スキルと知識を身に付けていきます。中途入社の場合は、実務経験者の求人が中心となりますが、ケースによります。

半導体設計は、デジタル、アナログ、ソフトウェア、テストなど、多岐にわたる要素で成り立っています。チームで挑む仕事なので、マネジメントに長けていればマネージャーとして活躍することもできます。EDAツールなど、半導体設計に必要な環境を整える仕事もあります。

半導体はハードウェアのイメージが強いかもしれませんが、組み込むファームウェアも必要ですし、最近ではFPGA(Field Programmable Gate Array)と呼ばれる、ソフトウェアで書き換え可能な半導体の利用も盛んになっており、ソフトウェア技術者の需要も高まっている業界です。すでにご紹介したように、仕様検討ではソフトウェアの知識も必須ですし、論理設計ではハードウェア記述言語を使って必要な機能を記述するスキルが必要です。

一括りに半導体といっても、様々な分野のエンジニアを必要としています。自分には関係ないと思っていても、具体的に検討してみると意外にスキルを活かせる場面は多いかもしれません。

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