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低消費電力/高効率AI半導体の世界市場 2026-2036年

低消費電力/高効率AI半導体の世界市場 2026-2036年


The Global Market for Low Power/High Efficiency AI Semiconductors 2026-2036

低消費電力/高効率AI半導体市場は、幅広い半導体業界の中で最もダイナミックで戦略的に重要なセグメントの1つである。10 TFLOPS/W (Trillion Floating Point Operations per Second per Watt)を超える電... もっと見る

 

 

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Future Markets, inc.
フューチャーマーケッツインク
2025年11月10日 GBP1,200
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サマリー

低消費電力/高効率AI半導体市場は、幅広い半導体業界の中で最もダイナミックで戦略的に重要なセグメントの1つである。10 TFLOPS/W (Trillion Floating Point Operations per Second per Watt)を超える電力効率を達成するデバイスによって定義されるこの市場には、ニューロモーフィック・コンピューティング・システム、インメモリ・コンピューティング・アーキテクチャ、エッジAIプロセッサ、およびエネルギー消費を最小限に抑えながら最大の計算性能を実現するように設計された特殊なニューラル・プロセッシング・ユニットが含まれる。この市場は、ミリワットを消費する超低消費電力IoTセンサーやウェアラブルデバイスから、ワットからキロワットの電力を必要とする車載AIシステムやエッジデータセンターまで、複数のアプリケーションセグメントにまたがっている。この多様性は、モバイル機器におけるバッテリー寿命の制約、コンパクトなフォームファクターにおける熱の制限、データセンターにおける運用コストへの懸念、環境規制への圧力の高まりによって、AIコンピューティングの全領域にわたってエネルギー効率が普遍的に求められていることを反映しています。
 
人間の脳のエネルギー効率に優れたアーキテクチャに着想を得たニューロモーフィック・コンピューティングは、2036年まで大幅な成長が見込まれる特に有望な分野である。これらの脳に着想を得たプロセッサは、メモリと処理ユニット間のエネルギー集約的なデータ移動を排除するインメモリ・コンピューティング・ソリューションとともに、従来のフォン・ノイマン・アーキテクチャを根本から覆す新しいパラダイムを開拓している。競争環境には、NVIDIA、Intel、AMD、Qualcomm、ARMといった大手半導体メーカーと、画期的なアーキテクチャを追求する数多くの革新的新興企業が存在する。地理的な競争の中心は米国、中国、台湾、欧州で、各地域が設計、製造、エコシステム開発において独自の戦略的優位性を確立している。グーグル、アマゾン、マイクロソフト、メタ、テスラなどのハイパースケーラーによる垂直統合戦略は、従来の市場ダイナミクスを再構築している。
 
主な市場促進要因としては、ローカルAI処理を必要とするエッジコンピューティングの爆発的成長、動作寿命の延長を要求するバッテリー駆動デバイスの急増、新たな効率要件を生み出す自動車の電動化と自律性、重要なインフラ限界に達するデータセンターの電力制約などが挙げられる。データセンターが20~30%の効率格差と前例のない熱管理上の課題に直面しているAIエネルギー危機は、電力効率に優れたソリューションへの投資を加速させている。
 
技術ロードマップでは、短期的(2025~2027年)にプロセス・ノードの進歩、精度の低減と量子化技術、スパース性の活用、高度なパッケージング・イノベーションを通じて進化を続け、中期的(2028~2030年)にはポスト・ムーアの法則コンピューティング・パラダイム、ヘテロジニアス・インテグレーション、アナログ・コンピューティング・ルネッサンスに移行し、長期的(2031~2036年)にはCMOSを超える技術、量子エンハンスド・クラシック・コンピューティング、AI設計のAIチップで革命的なブレークスルーを起こす可能性があると予測しています。
 
人工知能革命は前例のないエネルギー危機を引き起こしている。AIモデルが指数関数的に複雑化し、あらゆる産業への導入が加速する中、AIインフラの電力消費は電力網を圧迫し、デバイスのバッテリーを数時間以内に消耗させ、持続不可能な二酸化炭素排出を発生させる恐れがある。低消費電力/高効率AI半導体の世界市場 2026-2036」は、ワットあたり最大の計算性能を実現する画期的な半導体アーキテクチャを通じて、この重大な課題に取り組む技術、企業、イノベーションを包括的に分析しています。
 
この権威あるマーケットインテリジェンスレポートは、脳の驚くべき効率を模倣するニューロモーフィックコンピューティングシステム、エネルギー集約的なデータ移動を排除するインメモリコンピューティングアーキテクチャ、バッテリー駆動デバイス用に最適化されたエッジAIプロセッサ、10TFLOPS/Wを超える性能レベルを達成する特殊なニューラルプロセッシングユニットなど、エネルギー効率の高いAI半導体技術の全体像を調査しています。本レポートでは、2036年までの詳細な市場規模と成長予測、半導体大手から革新的な新興企業まで155社に及ぶ競合環境分析、デジタルとアナログのアプローチを比較した包括的な技術評価、北米、アジア太平洋、欧州の地理的ダイナミクスに関する戦略的洞察をお届けします。
 
BrainChipやIntelなどの脳から着想を得たニューロモーフィック・プロセッサ、MythicやEnCharge AIなどの計算パラダイムの先駆けとなるプロセッシング・イン・メモリー・ソリューション、QualcommやMediaTekなどのモバイル・ニューラル・プロセッシング・ユニット、NVIDIAやHorizon Roboticsなどの車載AIアクセラレータ、GoogleのTPUやAmazonのTPUなどハイパースケーラのデータセンター効率化イノベーションなど、技術アーキテクチャの詳細な分析が含まれています。のTPU、アマゾンのInferentia、マイクロソフトのMaia、メタのMTIAを含むハイパースケーラのデータセンター効率化イノベーションがある。本レポートでは、量子化と精度の低減、ネットワークの刈り込みとスパース性の利用、動的な電力管理戦略、熱を考慮したワークロード最適化など、重要な電力効率最適化技術について検証しています。
 
市場分析では、需要を加速させる強力な推進要因として、何十億ものデバイスにローカライズされたAI処理を要求するエッジコンピューティングの普及、バッテリ寿命の延長を要求するモバイルデバイスのAI統合、厳しい効率要件を生み出す自動車の電動化と自律性、大都市圏のインフラ限界点に近づくデータセンターの電力制約が明らかになりました。地域別分析では、アーキテクチャ革新でリードする米国、国内エコシステム開発で急速に前進する中国、TSMCを通じて製造優位性を維持する台湾、エネルギー効率の高い自動車および産業用アプリケーションに注力する欧州など、地域ごとの競争力学を詳述する。
 
技術ロードマップは、3つの異なるフェーズで市場の進化を予測している:短期最適化(2025-2027年):先進プロセス・ノード、INT4量子化標準化、インメモリ・コンピューティングの量産展開、中期変革(2028-2030年):ゲート・オール・アラウンド・トランジスタ、主要スケーリング・ベクトルとしての3D集積、アナログ・コンピューティング・ルネッサンス、長期変革(2031-2036年):スピントロニクス・コンピューティング、カーボン・ナノチューブ回路、量子強化古典システム、AI設計AIチップなど、CMOSを超えるブレークスルーをもたらす可能性。本レポートでは、室温超伝導体、可逆コンピューティング、光ニューラルネットワーク、バイオエレクトロニクス・ハイブリッドシステムなど、破壊的技術の詳細な評価を行っている。
 
環境持続可能性分析では、製造・運用段階におけるカーボンフットプリント、環境に配慮した製造方法、水のリサイクルシステム、再生可能エネルギーの統合、EUのエネルギー効率指令から潜在的な炭素税制まで、新たな規制の枠組みを検証しています。技術的な深堀りでは、エネルギー効率のベンチマーク手法、MLPerf Power 測定基準、TOPS/W 対 GFLOPS/W の測定基準、理論的な仕様を超えた実世界の性能評価、アナログコンピューティング、スピントロニクス、フォトニックコンピューティング、ソフトウェア最適化アプローチの包括的な比較などを取り上げています。
 
レポート内容
 
  • エグゼクティブサマリー:市場規模予測、競合状況、技術動向、2036年までの戦略的展望の包括的概要
  • 市場定義とスコープ:低消費電力/高効率AI半導体のカテゴリー、電力効率指標と標準、TFLOPS/W性能ベンチマーク、市場セグメンテーションの枠組みを詳細に検証
  • 技術背景:ハイパワーから高効率AI処理への進化、ムーアの法則対ハイパームーアの法則のダイナミクス、IoTセンサーからトレーニングデータセンターまでのアプリケーションセグメントにわたるエネルギー効率要件、デナード・スケーリングの限界、AIインフラにおけるエネルギー需要危機の増大
  • 技術アーキテクチャとアプローチ:ニューロモーフィック・コンピューティング(脳に着想を得たアーキテクチャ、デジタル・プロセッサ、ハイブリッド・アプローチ)、インメモリ・コンピューティングとプロセッシング・イン・メモリの実装、エッジAIプロセッサ・アーキテクチャ、電力効率最適化技術、シリコンを超える先進半導体材料、3D集積やチップレット・アーキテクチャを含む先進パッケージング
  • 技術の詳細分析:2036年までの総アドレス可能市場規模および成長予測、北米、アジア太平洋、欧州、その他地域の地理的市場分布、技術セグメント予測、主要市場ドライバー、包括的な競合環境分析、市場の障壁と課題
  • 技術ロードマップと将来展望:プロセス・ノードの進歩と量子化の標準化を伴う短期的進化(2025~2027年)、ポスト・ムーアの法則パラダイムとヘテロジニアス・コンピューティングを特徴とする中期的変革(2028~2030年)、CMOSの代替品と量子拡張システムを模索する長期的ビジョン(2031~2036年)、将来的な破壊的技術の評価
  • 技術分析:エネルギー効率測定基準とベンチマーク基準、AIアプリケーションのためのアナログコンピューティング、AI加速のためのスピントロニクス、フォトニックコンピューティングアプローチ、ソフトウェアとアルゴリズムの最適化戦略
  • 持続可能性と環境への影響:製造および運用段階にわたるカーボンフットプリント分析、グリーン製造慣行、環境コンプライアンスおよび規制フレームワーク
  • 企業プロファイル:ニューロモルフィック・コンピューティング、インメモリ処理、エッジAI、特殊アクセラレータの各分野における半導体大手、革新的新興企業、ハイパースケーラ・カスタムシリコンプログラム、新興企業など155社の詳細なプロフィール
  • :専門用語集、技術比較表、性能ベンチマーク、市場データ、統計データ
  • プロファイル対象企業:Advanced Micro Devices(AMD)、AiM Future、Aistorm、Alibaba、Alpha IC、Amazon Web Services(AWS)、Ambarella、Anaflash、Analog Inference、Andes Technology、Apple Inc、Applied Brain Research(ABR)、Arm、Aspinity、Axelera AI、Axera Semiconductor、Baidu、BirenTech、Black Sesame Technologies、Blaize、Blumind Inc、BrainChip Holdings, Cambricon Technologies, Ccvui (Xinsheng Intelligence), Celestial AI, Cerebras Systems, Ceremorphic, ChipIntelli, CIX Technology, Cognifiber, Corerain Technologies, Crossbar, DeepX, DeGirum, Denglin Technology, d-Matrix, Eeasy Technology, EdgeCortix, Efinix, EnCharge AI, Enerzai, Enfabrica, Enflame, Esperanto Technologies, Etched.ai、Evomotion、Expedera、Flex Logix、Fractile、FuriosaAI、Gemesys、Google、GrAI Matter Labs、Graphcore、GreenWaves Technologies、Groq、Gwanak Analog、Hailo、Horizon Robotics、Houmo.ai, Huawei (HiSilicon), HyperAccel, IBM Corporation, Iluvatar CoreX, Infineon Technologies AG, Innatera Nanosystems, Intel Corporation, Intellifusion, Intelligent Hardware Korea (IHWK), Inuitive, Jeejio, Kalray SA, Kinara, KIST (Korea Institute of Science and Technology), Kneron, Kumrah AI, Kunlunxin Technology, Lattice Semiconductor、Lightmatter、Lightstandard Technology、Lightelligence、Lumai、Luminous Computing、MatX、MediaTek、MemryX、Meta、Microchip Technology、Microsoft、Mobilint、Modular、Moffett AI、Moore Threads、Mythic、Nanjing SemiDrive Technology、Nano-Core Chip、National Chip、Neuchips、NeuReality、NeuroBlade、NeuronBasic、Nextchip Co.,Ltd.、NextVPU、Numenta、NVIDIA Corporation、NXP Semiconductors、ON Semiconductor、Panmnesia、Pebble Square Inc.、Pingxin Technology、Preferred Networks, Inc.など。

 



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目次

  1      EXECUTIVE SUMMARY     

1.1       市場規模と成長予測      
1.2       Neuromorphic Computing Market   
1.3       Edge AI Market Expansion     
1.4       テクノロジーアーキテクチャランドスケープ       
1.4.1   電力効率パフォーマンスティア         
1.5       リーディングテクノロジーアプローチ      
1.6       Key Technology Enablers       
1.6.1   Advanced Materials Beyond Silicon         
1.6.2   精密最適化技術 
1.7       Critical Power Efficiency Challenges      
1.7.1   The AI Energy Crisis   
1.7.2   The 20-30% Efficiency Gap   
1.7.3   Thermal Management Crisis        
1.8       競争環境と市場リーダー    
1.8.1   老舗半導体大手 
1.8.2   ニューロモーフィック・コンピューティングのパイオニア        
1.8.  3    アナログAIとインメモリ・コンピューティング     
1.8.4   エッジAIアクセラレータのスペシャリスト         
1.8.5   新興のイノベーター 
1.9     主要市場ドライバー      
1.9.1   Edge Computing Imperative 
1.9.2   Battery-Powered Device Proliferation     
1.9.3   Environmental and Regulatory Pressure      
1.9.4   自動車の安全性と信頼性     
1.9.5   経済的スケーリング要件     
1.10     技術ロードマップと将来展望 
1.10.1近未来(2025~2027年):最適化と統合       
1.10.2中期(2028-2030年):アーキテクチャーの革新    
1.10.3長期的(2031-2035年):革命的アプローチ     
1.11     課題とリスク        
1.11.1技術的課題      
1.11.2市場リスク  
1.11.3経済的逆風          
 

2      はじめに          

2.1       市場の定義と範囲        
2.1.1   低消費電力/高効率AI半導体の概要 
2.1.2   電力効率の指標と基準     
2.1.3   TFLOPS/W性能ベンチマーク          
2.1.3.1パフォーマンス層分析    
2.1.3.2テクノロジーの軌跡       
2.1.4   市場セグメンテーションの枠組み    
2.2       テクノロジーの背景         
2.2.1   ハイパワーから効率的なAI処理への進化          
2.2.2   AIにおけるムーアの法則 vs. ハイパームーアの法則 
2.2.2.1 AIにおけるハイパームーアの法則          
2.2.2.2業界の対応:Multiple Parallel Paths         
2.2.2.3The Fork in the Road 
2.2.3   Energy Efficiency Requirements by Application      
2.2.3.1Ultra-Low Power IoT and Sensors     
2.2.3.2 ウェアラブルおよびヒアラブル     
2.2.3.3モバイル機器      
2.2.3.4車載システム 
2.2.3.5産業用およびロボット    
2.2.3.6エッジデータセンター      
2.2.3.7トレーニングデータセンター      
2.2.3.8効率要件スペクトラム   
2.2.4   デナード・スケーリングの限界        
2.2.4.1コンピューティングへの影響    
2.2.4.2AIワークロードへの具体的影響     
2.2.4.  3 Dennard Breakdownが可能にするソリューション         
2.2.4.4AI効率化の必要性 
2.2.5   市場促進要因と課題          
2.2.6   AIデータセンターにおけるエネルギー需要の増大     
2.2.6.1現状:データセンターのエネルギー危機    
2.2.6.2世界のAIエネルギー予測         
2.2.6.3地理的集中とインフラのひずみ          
2.2.6.4 ハイパースケーラの対応             
 
 
3      技術アーキテクチャとアプローチ       
3.1     ニューロモーフィック・コンピューティング   
3.1.1   脳から着想を得たアーキテクチャ         
3.1.1.1物学的着想      
3.1.1.2Spiking Neural Networks (SNNs)      
3.1.1.3Commercial Implementations    
3.1.2   Digital Neuromorphic Processors    
3.1.3   Hybrid Neuromorphic Approaches 
3.1.3.1Hybrid Architecture Strategies     
3.2        インメモリ・コンピューティングとプロセッシング・イン・メモリ(PIM) 
3.2.1   コンピュート・イン・メモリ・アーキテクチャ         
3.2.1.1基本問題   
3.2.1.2インメモリ・ソリューション       
3.2.2    実装技術     
3.2.2.1代表的な実装     
3.2.3   新興メモリ技術      
3.2.3.1AI用抵抗変化型RAM(ReRAM)       
3.2.3.2相変化メモリ(PCM)     
3.2.3.3MRAM(Magnetoresistive RAM)          
3.2.4   不揮発性メモリの集積      
3.2.4.1Instant-On AI Systems      
3.2.4.2Energy Efficient On-Chip Learning   
3.2.4.3 Commercial Implementations    
3.3       Edge AI Processor Architectures       
3.3.1   Neural Processing Units (NPUs)      
3.3.1.1The NPU Advantage   
3.3.1.2Mobile NPUs  
3.3.2   System-on-Chip Integration 
3.3.2.1The Heterogeneous Computing Model         
3.3.2.2Power Management  
3.3.3   Automotive AI Processors     
3.3.3.1Safety First, Performance Second    
3.3.3.2NVIDIA Orin:  Powering Autonomous Vehicles          
3.3.3.3The Electric Vehicle Efficiency Challenge   
3.3.4   Vision Processing and Specialized Accelerators     
3.3.4.1Vision Processing Units        
3.3.4.2Ultra-Low-Power Audio AI      
3.3.4.3専用アクセラレータ        
3.4       電力効率の最適化技術 
3.4.1   精度の低減と量子化         
3.4.1.1低精度が機能する理由 
3.4.1.2量子化を考慮したトレーニング        
3.4.2    Network Pruning and Sparsity     
3.4.2.1The Surprising Effectiveness of Pruning       
3.4.2.2Structured vs. Unstructured Sparsity     
3.4.3   Dynamic Power Management    
3.4.3.1Voltage and Frequency Scaling        
3.4.3.2 インテリジェントシャットダウンとウェイクアップ 
3.4.4   熱管理と性能維持      
3.4.4.1熱スロットリング問題         
3.4.4.2熱を考慮したワークロード管理      
3.5     先端半導体材料    
3.5.1   シリコンを超えて:窒化ガリウムと炭化ケイ素    
3.5.1.1窒化ガリウム:スピードと効率    
3.5.1.2炭化ケイ素:極限の信頼性         
3.5.2   二次元材料とカーボンナノチューブ          
3.5.2.1グラフェンと遷移金属ジカルコゲナイド  
3.5.2.2カーボンナノチューブ:Dense and Efficient     
3.5.3   Emerging Materials for Ultra-Low Power      
3.5.3.1Transition Metal Oxides          
3.5.3.2有機半導体       
3.6       先進パッケージング技術 
3.6.1   3次元集積とダイ・スタッキング        
3.6.    1.1相互接続エネルギー問題    
3.6.1.2異種集積の利点        
3.6.1.3高帯域幅メモリ(HBM)        
3.6.2   チップレットアーキテクチャ    
3.6.2.1経済的および技術的利点     
3.6.2.2業界の採用       
3.6.3   高度な冷却統合      
3.6.3.1熱密度の課題 
3.6.3.2液冷の進化        
3.6.3.3熱を考慮したパッケージ設計       
 
4      市場分析      
4.1       市場規模および成長予測        
4.1.1   総アドレス可能市場      
4.1.2   地理的市場分布        
4.1.3   技術セグメント予測     
4.1.3.1モバイルNPUの優位性         
4.1.3.2Neuromorphic and In-Memory Computing         
4.1.3.3Data Center AI Efficiency Focus        
4.1.4   ニューロモーフィック・コンピューティング市場   
4.1.4.1市場成長促進要因      
4.1.4.2市場制約要因       
4.2       主要市場促進要因      
4.2.1    エッジコンピューティングの普及      
4.2.1.1エッジコンピューティングの重要性        
4.2.    モバイルデバイスのAI統合 
4.2.2.1モバイル採用を促進するAI機能        
4.2.2.2パフォーマンスと効率の進化        
4.2.3   自動車の電動化とオートノミー  
4.2.3.1ADASの普及が当面の需要を牽引      
4.2.3.2電気自動車の効率性の課題   
4.2.3.3安全性と信頼性の要件        
4.2.4   データセンターの電力と冷却の制約     
4.2.4.1データセンターのエネルギー問題の規模      
4.2.4.2ローカルインフラの限界点       
4.2.4.3冷却エネルギー税     
4.2.4.4経済的要請      
4.2.4.5ハイパースケーラの対応戦略    
4.2.5   環境の持続可能性と規制圧力      
4.2.5.1AIのカーボンフットプリント       
4.2.5.2新たな規制       
4.3       Competitive Landscape         
4.3.1   Established Semiconductor Leaders      
4.3.1.1NVIDIA Corporation   
4.3.1.2Intel Corporation         
4.3.1.3AMD     
4.3.1.4Qualcomm      
4.3.1.5Apple   
4.3.2   Emerging Players and Startups        
4.3.2.1アーキテクチャーの革新者         
4.3.2.2インメモリーコンピューティングの先駆者       
4.3.2.3ニューロモーフィックの専門家    
4.3.3   垂直統合戦略      
4.3.3.1カスタムシリコンの経済学   
4.3.4   地理的競争力学 
4.3.4.1米国 
4.3.4.2中国  
4.3.4.3台湾 
4.3.4.4 欧州         
4.4       市場の障壁と課題        
4.4.1   技術的課題      
4.4.1.1製造の複雑さと歩留まり      
4.4.1.2アルゴリズムとハードウェアのミスマッチ         
4.4.2   ソフトウェアとエコシステムの課題     
4.4.2.1開発者の採用障壁        
4.4.2.2フラグメンテーションのリスク 
4.4.3   経済・ビジネスの障壁      
4.4.3.1高い開発コスト       
4.4.3.2収益までの長い時間      
4.4.3.3顧客獲得の課題   
4.4.4   規制および地政学的リスク   
4.4.4.1輸出規制および技術制限    
4.4.4.2知的財産と技術移転の懸念     
4.4.4.3サプライチェーンの弾力性             
 
5      技術ロードマップと将来の展望          
5.1       近未来進化(2025-2027年)    
5.1.1   プロセスノードの進歩        
5.1.1.1FinFET技術の最終世代       
5.1.5.1.2プロセス微細化の遅れを補う異種集積 
5.1.2   量子化と精度低減         
5.1.5.1.2.2新興のサブ4ビット量子化     
5.1.3   スパース性の利用 
5.1.3.1標準になりつつあるハードウェアスパース性サポート    
5.1.3.2スパース性のためのソフトウェアツールチェーン      
5.1.4   生産に到達するアーキテクチャ革新      
5.1.4.1生産に移行するインメモリーコンピューティング    
5.1.4.2ニッチ展開するニューロモーフィックコンピューティング        
5.1.4.3トランスフォーマー最適化アーキテクチャ    
5.1.5   ソフトウェアエコシステムの成熟       
5.1.5.1フレームワークの収束と抽象化 
5.1.5.2モデルズーの拡大        
5.1.5.3開発ツールの高度化    
5.2       中期的変革(2028~2030年)         
5.2.1 ポスト・ムーアの法則コンピューティング・パラダイム   
5.2.5.2.1.23次元集積が主要なスケーリング・ベクターになる    
5.2.2   ヘテロジニアス・コンピューティングの進化    
5.2.2.1極端な特殊化     
5.2.2.2階層的メモリ・システム  
5.2.5.2.3   アナログ・コンピューティング・ルネッサンス      
5.2.3.1ハイブリッド・アナログ・デジタル・システム          
5.2.        
5.2.4   AI専用シリコンフォトニクス       
5.2.4.1 Optical Interconnect Advantages    
5.2.4.2Integration Challenges     
5.3       Long-Term Vision (2031-2036)    
5.3.1   Beyond CMOS: Alternative Computing Substrates      
5.3.1.1Spintronic Computing Commercialization 
5.3.1.  2 カーボンナノチューブ回路    
5.3.1.3二次元材料集積        
5.3.2   量子拡張古典コンピューティング         
5.3.2.1AIにとっての量子コンピューティングの限界      
5.3.2.2量子-古典ハイブリッドの機会  
5.3.2.3現実的な2031-2036年の展望       
5.3.3   生物学的コンピューティングの統合     
5.3.3.1ウェットウェアとハードウェアのハイブリッドシステム       
5.3.3.2合成生物学的アプローチ    
5.3.4   AI設計AIチップ         
5.3.4.1AI支援設計の現状         
5.3.4.2自律設計システム      
5.3.4.32036年までの潜在的成果        
5.4       目前に迫る破壊的技術       
5.4.1   室温超伝導体    
5.4.1.1潜在的影響力          
5.4.1.2現状と障害     
5.4.2    可逆コンピューティング      
5.4.2.1原理と課題    
5.4.2.2AIへの可能性        
5.4.3   光ニューラルネットワーク      
5.4.3.1動作原理  
5.4.3.2限界と課題 
5.4.3.3 2031-2036年の展望     
5.4.4   バイオエレクトロニクス・ハイブリッド・システム     
5.4.4.1ブレイン・コンピュータ・インターフェイスの進歩       
5.4.4.2潜在的なAIの影響        
5.4.  4.3現実的なタイムライン           
 
 

6      技術分析       

6.1       エネルギー効率の指標とベンチマーキング        
6.1.1   MLPerf 電力ベンチマーク     
6.1.1.1方法論および規格        
6.1.1.2業界の結果および比較   
6.1.1.3 ワット当たり性能分析         
6.1.2   TOPS/W vs. GFLOPS/W メトリクス         
6.1.3 実世界性能評価       
6.1.4   熱設計電力(TDP)の考察    
6.1.5   推論ごとのエネルギー指標        
6.2       AI用アナログコンピューティング         
6.2.1   Analog Matrix Multiplication 
6.2.2   Analog In-Memory Computing    
6.2.3   Continuous-Time Processing       
6.2.4   ハイブリッドアナログ-デジタルシステム          
6.2.5   ノイズと精度のトレードオフ          
6.3       Spintronics for AI Acceleration    
6.3.1   Spin-Based Computing Principles   
6.3.2   Magnetic Tunnel Junctions (MTJs)    
6.3.3   Spin-Transfer Torque (STT) Devices  
6.3.4   Energy Efficiency Benefits     
6.3.5   Commercial Readiness          
6.4       フォトニックコンピューティング 
6.4.1   AI用シリコンフォトニクス    
6.4.2   光ニューラルネットワーク        
6.4.3   エネルギー効率の利点      
6.4.4   インテグレーションの課題     
6.4.5   将来展望      
6.5       ソフトウェアとアルゴリズムの最適化    
6.5.1   Hardware-Software Co-Design          
6.5.2   Compiler Optimization for Low Power    
6.5.3   Framework Support   
6.5.3.1TensorFlow Lite Micro       
6.5.3.2ONNX Runtime      
6.5.3.3Specialized AI Frameworks   
6.5.4   Model Optimization Tools      
6.5.5   自動アーキテクチャ検索        
6.6       Beyond-Silicon Materials       
6.6.1   二次元材料:Computing at Atomic Thickness      
6.6.1.1グラフェン         
6.6.1.2六方晶窒化ホウ素        
6.6.1.3遷移金属ジカルコゲナイド    
6.6.1.4実用的実装の課題    
6.6.2   強誘電体     
6.6.2.1メモリボトルネック問題     
6.6.2.2強誘電体RAM(FeRAM)の基礎 
6.6.2.3酸化ハフニウム       
6.6.2.4強誘電体シナプスを用いたニューロモーフィックコンピューティング   
6.6.2.5商業的進展と課題          
6.6.3   超電導材料:ゼロ抵抗コンピューティング        
6.6.3.1超電導の基礎と極低温要件  
6.6.3.2コンピューティング用超電導エレクトロニクス    
6.6.3.3量子コンピューティングとAI         
6.6.3.4 室温超伝導体    
6.6.4   先端誘電体         
6.6.4.1クロストーク低減のための低-κ誘電体    
6.6.4.2トランジスタゲート用高-κ誘電体        
6.6.4.3先端パッケージングにおける誘電体 
6.6.5   統合における課題とハイブリッドアプローチ     
6.6.5.1製造のスケーラビリティ     
6.6.5.2シリコンインフラとの統合    
6.6.5.3信頼性と適格性 
6.6.5.4経済的実現可能性     
6.6.6   近未来の現実と長期的ビジョン     
6.6.6.12025-2027: ハイブリッド統合の開始    
6.6.6.22028-2032:Specialized Novel-Material Systems   
6.6.6.32033-2040: Towards Multi-Material Computing          
 
 

7      SUSTAINABILITY AND ENVIRONMENTAL IMPACT  

7.1       カーボンフットプリント分析    
7.1.1   製造排出量     
7.1.2   運用エネルギー消費量   
7.1.  3    ライフサイクルの炭素影響        
7.1.4   データセンターのエネルギー効率     
7.2     グリーン製造規範         
7.2.1   Sustainable Fabrication Processes 
7.2.2   Water Recycling Systems       
7.2.3   Renewable Energy in Fabs    
7.2.4   廃棄物削減戦略 
7.2.5   業界基準    
7.2.6   政府規制       
7.2.7   環境コンプライアンス 
7.2.8   今後の規制動向           
 

8      COMPANY PROFILES  (152社のプロファイル)    

 

9      APPENDICES  

9.1       Appendix A: Glossary of Terms    
9.1.1   Technical Terminology      
9.1.2   Acronyms and Abbreviations        
9.1.3   Performance Metrics Definitions      
9.  2        付録B:技術比較表     
9.3       付録C:市場データおよび統計        
 

 10    参考資料 

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図表リスト

表の一覧

 
表1 主要市場セグメント(2024―2036年)            
表2 2036年までのニューロモーフィック・コンピューティング市場(百万米ドル)
表3 電力効率性能階層
表4 現在の業界性能ベンチマーク(2024―2025年)         
表5 セグメンテーションの次元1:消費電力階層   
表6 トレーニング対推論のエネルギー分割
表7 AIチップタイプ別の消費電力カテゴリ
表8 設計トレードオフ
表9 デジタル対アナログのニューロモーフィック・プロセッサの比較     
表10 抵抗変化型不揮発性メモリ(NVM)技術
表11 AIアプリケーション向け半導体材料の比較
表12 AIシステムにおけるワイドバンドギャップ半導体の応用
表13 次世代半導体材料開発タイムライン
表14 データ移動と計算におけるエネルギーコストの比較
表15 AIプロセッサ向け先進パッケージング技術   
表16 AIシステム向けチップレットアーキテクチャの利点     
表17 高性能AIプロセッサ向け冷却技術      
表18 AI半導体の世界市場:アプリケーションセグメント別 (2024-)2036)
表19 地域別市場分布と成長率(2024-2036)          
表20 AI半導体技術セグメント成長予測   
表21 ニューロモーフィック・コンピューティングとセンシング市場予測(2024-2036)]を参照。          
表22 エッジコンピューティングの推進要因とAI半導体要件への影響
表23 モバイルAIの性能進化(2017-)2024) 
表24 オートノミー・レベル別の自動車 AI 要件            
表25 データセンターの消費電力動向と予測】       
表26 データセンターの電力使用効率(PUE(PUE by Configuration)]         
表27 AI カーボンフットプリントの事例と緩和戦略
表28 NVIDIA AI 製品ポートフォリオと競合ポジショニング          
表29 No表AI半導体スタートアップとイノベーション・フォーカス      
表30 主要テクノロジー企業によるカスタムAIシリコン・プログラム]         
表31 地域別AI半導体能力と戦略的ポジショニング
表32 プロセス・ノードおよびテクノロジー別製造課題 
表33 AIハードウェア・プラットフォーム別ソフトウェア・エコシステム成熟度
表34 半導体プロセス・ノード・ロードマップ(2024―2030年)
表35 AI効率へのスパース性の影響(2025―2027年予測)         
表36 ポストCMOS技術の比較(2031―2036年展望)     
表37 AI支援チップ設計の進化(2024―2036年)
表38 破壊的技術評価(2031~2036年)
表39 MLPerf電力ベンチマークのカテゴリーと測定基準
表40 チップカテゴリー別のTOPS/W性能
表41 アナログとデジタルのAI処理の比較    
表42 スピントロニクスデバイス特性
表43 フォトニックとエレクトロニック・コンピューティングの比較            
表44 エッジAI用ソフトウェア・フレームワークの比較
表45 二次元材料の特性と応用
表46 コンピューティング用途の超電導材料
表47 チップタイプ別カーボンフットプリント(ライフサイクル排出量)  
表48 主要半導体メーカーのグリーン製造イニシアティブ
表49 Appleニューラルエンジンの進化
表50 包括的技術アーキテクチャの比較
表51 アプリケーションカテゴリー別電力効率ランキング
表52 アプリケーションタイプ別性能ベンチマーク/               
表53 製造プロセスノード比較
表54 過去の市場データ(2020―2024年)
表55 詳細地域別市場内訳(2024年推定)
 
 

図一覧

図1 2036 年までのニューロモーフィック・コンピューティング市場
図2 ニューロモーフィック・コンピューティング・アーキテクチャ概要          
図3 IBM TrueNorth プロセッサ・アーキテクチャ
図4 インメモリ・コンピューティング・アーキテクチャ図
図5 チップレット SoC 設計              
図6 技術移行年表(2025―2030年)
図7 量子古典ハイブリッド AI システムのタイムライン              
図8 センターのエネルギー消費傾向と予測
図9 セレバスWSE-2
図10 DeepX NPU DX-GEN1
図11 InferX X1
図12 "Warboy"(AI推論チップ)
図13 Google TPU
図14 GrAI VIP
図15 Colossus™MK2 GC200 IPU
図16 GreenWave の GAP8 および GAP9 プロセッサ
図17  ストリーミング プロセッサ (TSP)
図18 Journey 5
図19 Spiking Neural Processor              
図20 第11世代インテル® Core™ シリーズS シリーズ
図21  Intel Loihi 2 チップ
図22 想像する
図23 ペントニック2000
図24 メタ​​トレーニングおよび推論アクセラレーター (MTIA)
図25 Azure Maia 100 および Cobalt 100 チップ
図26 Mythic MP10304 クアッドAMP PCIeカード
図27 Nvidia H200 AIチップ
図28 グレースホッパースーパーチップ
図29 Panmnesia メモリ・エクスパンダ・モジュール(上)とスイッチおよびエクスパンダ・モジュールを搭載したシャーシ(下)
図30Prophesee Metavisionスターターキット – AMD Kria KV260およびアクティブマーカーLEDボード
図31 Cloud AI 100
図32 Peta Op チップ
図33 Cardinal SN10 RDU
図34 MLSoC™
図35 「SpiNNcloud」クラウド・システムとエッジ・システム用 SpiNNaker2 アーキテクチャの概要
図36 Grayskull
図37 Tesla D1 チップ

 

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Summary

The market for low power/high efficiency AI semiconductors represents one of the most dynamic and strategically critical segments within the broader semiconductor industry. Defined by devices achieving power efficiency greater than 10 TFLOPS/W (Trillion Floating Point Operations per Second per Watt), this market encompasses neuromorphic computing systems, in-memory computing architectures, edge AI processors, and specialized neural processing units designed to deliver maximum computational performance while minimizing energy consumption. The market spans multiple application segments, from ultra-low power IoT sensors and wearable devices consuming milliwatts to automotive AI systems and edge data centers requiring watts to kilowatts of power. This diversity reflects the universal imperative for energy efficiency across the entire AI computing spectrum, driven by battery life constraints in mobile devices, thermal limitations in compact form factors, operational cost concerns in data centers, and growing environmental regulatory pressure.
 
Neuromorphic computing, inspired by the human brain's energy-efficient architecture, represents a particularly promising segment with substantial growth potential through 2036. These brain-inspired processors, along with in-memory computing solutions that eliminate the energy-intensive data movement between memory and processing units, are pioneering new paradigms that fundamentally challenge traditional von Neumann architectures. The competitive landscape features established semiconductor giants like NVIDIA, Intel, AMD, Qualcomm, and ARM alongside numerous innovative startups pursuing breakthrough architectures. Geographic competition centers on the United States, China, Taiwan, and Europe, with each region developing distinct strategic advantages in design, manufacturing, and ecosystem development. Vertical integration strategies by hyperscalers including Google, Amazon, Microsoft, Meta, and Tesla are reshaping traditional market dynamics, as these companies develop custom silicon optimized for their specific workloads.
 
Key market drivers include the explosive growth of edge computing requiring local AI processing, proliferation of battery-powered devices demanding extended operational life, automotive electrification and autonomy creating new efficiency requirements, and data center power constraints reaching critical infrastructure limits. The AI energy crisis, with data centers facing 20-30% efficiency gaps and unprecedented thermal management challenges, is accelerating investment in power-efficient solutions.
 
Technology roadmaps project continued evolution through process node advancement, precision reduction and quantization techniques, sparsity exploitation, and advanced packaging innovations in the near term (2025-2027), transitioning to post-Moore's Law computing paradigms, heterogeneous integration, and analog computing renaissance in the mid-term (2028-2030), with potential revolutionary breakthroughs in beyond-CMOS technologies, quantum-enhanced classical computing, and AI-designed AI chips emerging in the long term (2031-2036).
 
The artificial intelligence revolution is creating an unprecedented energy crisis. As AI models grow exponentially in complexity and deployment accelerates across every industry, the power consumption of AI infrastructure threatens to overwhelm electrical grids, drain device batteries within hours, and generate unsustainable carbon emissions. The Global Market for Low Power/High Efficiency AI Semiconductors 2026-2036 provides comprehensive analysis of the technologies, companies, and innovations addressing this critical challenge through breakthrough semiconductor architectures delivering maximum computational performance per watt.
 
This authoritative market intelligence report examines the complete landscape of energy-efficient AI semiconductor technologies, including neuromorphic computing systems that mimic the brain's remarkable efficiency, in-memory computing architectures that eliminate energy-intensive data movement, edge AI processors optimized for battery-powered devices, and specialized neural processing units achieving performance levels exceeding 10 TFLOPS/W. The report delivers detailed market sizing and growth projections through 2036, competitive landscape analysis spanning 155 companies from established semiconductor leaders to innovative startups, comprehensive technology assessments comparing digital versus analog approaches, and strategic insights into geographic dynamics across North America, Asia-Pacific, and Europe.
 
Key coverage includes in-depth analysis of technology architectures encompassing brain-inspired neuromorphic processors from companies like BrainChip and Intel, processing-in-memory solutions pioneering computational paradigms from Mythic and EnCharge AI, mobile neural processing units from Qualcomm and MediaTek, automotive AI accelerators from NVIDIA and Horizon Robotics, and data center efficiency innovations from hyperscalers including Google's TPUs, Amazon's Inferentia, Microsoft's Maia, and Meta's MTIA. The report examines critical power efficiency optimization techniques including quantization and precision reduction, network pruning and sparsity exploitation, dynamic power management strategies, and thermal-aware workload optimization.
 
Market analysis reveals powerful drivers accelerating demand: edge computing proliferation requiring localized AI processing across billions of devices, mobile device AI integration demanding extended battery life, automotive electrification and autonomy creating stringent efficiency requirements, and data center power constraints approaching infrastructure breaking points in major metropolitan areas. Geographic analysis details regional competitive dynamics, with the United States leading in architecture innovation, China advancing rapidly in domestic ecosystem development, Taiwan maintaining manufacturing dominance through TSMC, and Europe focusing on energy-efficient automotive and industrial applications.
 
Technology roadmaps project market evolution across three distinct phases: near-term optimization (2025-2027) featuring advanced process nodes, INT4 quantization standardization, and production deployment of in-memory computing; mid-term transformation (2028-2030) introducing gate-all-around transistors, 3D integration as the primary scaling vector, and analog computing renaissance; and long-term revolution (2031-2036) potentially delivering beyond-CMOS breakthroughs including spintronic computing, carbon nanotube circuits, quantum-enhanced classical systems, and AI-designed AI chips. The report provides detailed assessment of disruptive technologies including room-temperature superconductors, reversible computing, optical neural networks, and bioelectronic hybrid systems.
 
Environmental sustainability analysis examines carbon footprint across manufacturing and operational phases, green fabrication practices, water recycling systems, renewable energy integration, and emerging regulatory frameworks from the EU's energy efficiency directives to potential carbon taxation schemes. Technical deep-dives cover energy efficiency benchmarking methodologies, MLPerf Power measurement standards, TOPS/W versus GFLOPS/W metrics, real-world performance evaluation beyond theoretical specifications, and comprehensive comparison of analog computing, spintronics, photonic computing, and software optimization approaches.
 
Report Contents Include
 
  • Executive Summary: Comprehensive overview of market size projections, competitive landscape, technology trends, and strategic outlook through 2036
  • Market Definition and Scope: Detailed examination of low power/high efficiency AI semiconductor categories, power efficiency metrics and standards, TFLOPS/W performance benchmarks, and market segmentation framework
  • Technology Background: Evolution from high-power to efficient AI processing, Moore's Law versus Hyper Moore's Law dynamics, energy efficiency requirements across application segments from IoT sensors to training data centers, Dennard scaling limitations, and growing energy demand crisis in AI infrastructure
  • Technology Architectures and Approaches: In-depth analysis of neuromorphic computing (brain-inspired architectures, digital processors, hybrid approaches), in-memory computing and processing-in-memory implementations, edge AI processor architectures, power efficiency optimization techniques, advanced semiconductor materials beyond silicon, and advanced packaging technologies including 3D integration and chiplet architectures
  • Market Analysis: Total addressable market sizing and growth projections through 2036, geographic market distribution across North America, Asia-Pacific, Europe, and other regions, technology segment projections, key market drivers, comprehensive competitive landscape analysis, market barriers and challenges
  • Technology Roadmaps and Future Outlook: Near-term evolution (2025-2027) with process node advancement and quantization standardization, mid-term transformation (2028-2030) featuring post-Moore's Law paradigms and heterogeneous computing, long-term vision (2031-2036) exploring beyond-CMOS alternatives and quantum-enhanced systems, assessment of disruptive technologies on the horizon
  • Technology Analysis: Energy efficiency metrics and benchmarking standards, analog computing for AI applications, spintronics for AI acceleration, photonic computing approaches, software and algorithm optimization strategies
  • Sustainability and Environmental Impact: Carbon footprint analysis across manufacturing and operational phases, green manufacturing practices, environmental compliance and regulatory frameworks
  • Company Profiles: Detailed profiles of 155 companies spanning established semiconductor leaders, innovative startups, hyperscaler custom silicon programs, and emerging players across neuromorphic computing, in-memory processing, edge AI, and specialized accelerator segments
  • Appendices: Comprehensive glossary of technical terminology, technology comparison tables, performance benchmarks, market data and statistics
  • Companies Profiled include Advanced Micro Devices (AMD), AiM Future, Aistorm, Alibaba, Alpha ICs, Amazon Web Services (AWS), Ambarella, Anaflash, Analog Inference, Andes Technology, Apple Inc, Applied Brain Research (ABR), Arm, Aspinity, Axelera AI, Axera Semiconductor, Baidu, BirenTech, Black Sesame Technologies, Blaize, Blumind Inc., BrainChip Holdings, Cambricon Technologies, Ccvui (Xinsheng Intelligence), Celestial AI, Cerebras Systems, Ceremorphic, ChipIntelli, CIX Technology, Cognifiber, Corerain Technologies, Crossbar, DeepX, DeGirum, Denglin Technology, d-Matrix, Eeasy Technology, EdgeCortix, Efinix, EnCharge AI, Enerzai, Enfabrica, Enflame, Esperanto Technologies, Etched.ai, Evomotion, Expedera, Flex Logix, Fractile, FuriosaAI, Gemesys, Google, GrAI Matter Labs, Graphcore, GreenWaves Technologies, Groq, Gwanak Analog, Hailo, Horizon Robotics, Houmo.ai, Huawei (HiSilicon), HyperAccel, IBM Corporation, Iluvatar CoreX, Infineon Technologies AG, Innatera Nanosystems, Intel Corporation, Intellifusion, Intelligent Hardware Korea (IHWK), Inuitive, Jeejio, Kalray SA, Kinara, KIST (Korea Institute of Science and Technology), Kneron, Kumrah AI, Kunlunxin Technology, Lattice Semiconductor, Lightmatter, Lightstandard Technology, Lightelligence, Lumai, Luminous Computing, MatX, MediaTek, MemryX, Meta, Microchip Technology, Microsoft, Mobilint, Modular, Moffett AI, Moore Threads, Mythic, Nanjing SemiDrive Technology, Nano-Core Chip, National Chip, Neuchips, NeuReality, NeuroBlade, NeuronBasic, Nextchip Co., Ltd., NextVPU, Numenta, NVIDIA Corporation, NXP Semiconductors, ON Semiconductor, Panmnesia, Pebble Square Inc., Pingxin Technology, Preferred Networks, Inc. and more....

 



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Table of Contents

1      EXECUTIVE SUMMARY    

1.1        Market Size and Growth Projections       
1.2        Neuromorphic Computing Market  
1.3        Edge AI Market Expansion    
1.4        Technology Architecture Landscape      
1.4.1    Power Efficiency Performance Tiers        
1.5        Leading Technology Approaches     
1.6        Key Technology Enablers      
1.6.1    Advanced Materials Beyond Silicon        
1.6.2    Precision Optimization Techniques
1.7        Critical Power Efficiency Challenges     
1.7.1    The AI Energy Crisis  
1.7.2    The 20-30% Efficiency Gap  
1.7.3    Thermal Management Crisis       
1.8        Competitive Landscape and Market Leaders   
1.8.1    Established Semiconductor Giants
1.8.2    Neuromorphic Computing Pioneers       
1.8.3    Analog AI and In-Memory Computing    
1.8.4    Edge AI Accelerator Specialists        
1.8.5    Emerging Innovators
1.9        Key Market Drivers     
1.9.1    Edge Computing Imperative
1.9.2    Battery-Powered Device Proliferation    
1.9.3    Environmental and Regulatory Pressure     
1.9.4    Automotive Safety and Reliability    
1.9.5    Economic Scaling Requirements    
1.10     Technology Roadmap and Future Outlook
1.10.1 Near-Term (2025-2027): Optimization and Integration      
1.10.2 Mid-Term (2028-2030): Architectural Innovation   
1.10.3 Long-Term (2031-2035): Revolutionary Approaches    
1.11     Challenges and Risks       
1.11.1 Technical Challenges       
1.11.2 Market Risks 
1.11.3 Economic Headwinds     
 
 

2      INTRODUCTION         

2.1        Market Definition and Scope       
2.1.1    Low Power/High Efficiency AI Semiconductors Overview
2.1.2    Power Efficiency Metrics and Standards    
2.1.3    TFLOPS/W Performance Benchmarks         
2.1.3.1 Performance Tier Analysis   
2.1.3.2 Technology Trajectory      
2.1.4    Market Segmentation Framework   
2.2        Technology Background        
2.2.1    Evolution from High Power to Efficient AI Processing         
2.2.2    Moore's Law vs. Hyper Moore's Law in AI    
2.2.2.1 Hyper Moore's Law in AI         
2.2.2.2 Industry Response: Multiple Parallel Paths        
2.2.2.3 The Fork in the Road
2.2.3    Energy Efficiency Requirements by Application     
2.2.3.1 Ultra-Low Power IoT and Sensors    
2.2.3.2 Wearables and Hearables    
2.2.3.3 Mobile Devices     
2.2.3.4 Automotive Systems
2.2.3.5 Industrial and Robotics   
2.2.3.6 Edge Data Centers     
2.2.3.7 Training Data Centers       
2.2.3.8 Efficiency Requirement Spectrum  
2.2.4    Dennard Scaling Limitations       
2.2.4.1 Consequences for Computing   
2.2.4.2 Specific Impact on AI Workloads    
2.2.4.3 Solutions Enabled by Dennard Breakdown        
2.2.4.4 The AI Efficiency Imperative
2.2.5    Market Drivers and Challenges         
2.2.6    Growing Energy Demand in AI Data Centers      
2.2.6.1 Current State: The Data Center Energy Crisis   
2.2.6.2 Global AI Energy Projections        
2.2.6.3 Geographic Concentration and Infrastructure Strain         
2.2.6.4 Hyperscaler Responses        
 
 

3      TECHNOLOGY ARCHITECTURES AND APPROACHES        

3.1        Neuromorphic Computing  
3.1.1    Brain-Inspired Architectures        
3.1.1.1 The Biological Inspiration     
3.1.1.2 Spiking Neural Networks (SNNs)     
3.1.1.3 Commercial Implementations   
3.1.2    Digital Neuromorphic Processors   
3.1.3    Hybrid Neuromorphic Approaches
3.1.3.1 Hybrid Architecture Strategies    
3.2        In-Memory Computing and Processing-in-Memory (PIM)
3.2.1    Compute-in-Memory Architectures        
3.2.1.1 The Fundamental Problem  
3.2.1.2 The In-Memory Solution        
3.2.2    Implementation Technologies    
3.2.2.1 Representative Implementations    
3.2.3    Emerging Memory Technologies       
3.2.3.1 Resistive RAM (ReRAM) for AI      
3.2.3.2 Phase Change Memory (PCM)    
3.2.3.3 MRAM (Magnetoresistive RAM)         
3.2.4    Non-Volatile Memory Integration     
3.2.4.1 Instant-On AI Systems     
3.2.4.2 Energy Efficient On-Chip Learning  
3.2.4.3 Commercial Implementations   
3.3        Edge AI Processor Architectures      
3.3.1    Neural Processing Units (NPUs)       
3.3.1.1 The NPU Advantage  
3.3.1.2 Mobile NPUs 
3.3.2    System-on-Chip Integration
3.3.2.1 The Heterogeneous Computing Model        
3.3.2.2 Power Management 
3.3.3    Automotive AI Processors    
3.3.3.1 Safety First, Performance Second   
3.3.3.2 NVIDIA Orin: Powering Autonomous Vehicles         
3.3.3.3 The Electric Vehicle Efficiency Challenge  
3.3.4    Vision Processing and Specialized Accelerators    
3.3.4.1 Vision Processing Units         
3.3.4.2 Ultra-Low-Power Audio AI     
3.3.4.3 Specialized Accelerators       
3.4        Power Efficiency Optimization Techniques
3.4.1    Precision Reduction and Quantization        
3.4.1.1 Why Lower Precision Works
3.4.1.2 Quantization-Aware Training       
3.4.2    Network Pruning and Sparsity    
3.4.2.1 The Surprising Effectiveness of Pruning      
3.4.2.2 Structured vs. Unstructured Sparsity    
3.4.3    Dynamic Power Management     
3.4.3.1 Voltage and Frequency Scaling         
3.4.3.2 Intelligent Shutdown and Wake-Up
3.4.4    Thermal Management and Sustained Performance     
3.4.4.1 The Thermal Throttling Problem        
3.4.4.2 Thermal-Aware Workload Management     
3.5        Advanced Semiconductor Materials      
3.5.1    Beyond Silicon: Gallium Nitride and Silicon Carbide   
3.5.1.1 Gallium Nitride: Speed and Efficiency   
3.5.1.2 Silicon Carbide: Extreme Reliability        
3.5.2    Two-Dimensional Materials and Carbon Nanotubes         
3.5.2.1 Graphene and Transition Metal Dichalcogenides 
3.5.2.2 Carbon Nanotubes: Dense and Efficient    
3.5.3    Emerging Materials for Ultra-Low Power     
3.5.3.1 Transition Metal Oxides         
3.5.3.2 Organic Semiconductors      
3.6        Advanced Packaging Technologies
3.6.1    3D Integration and Die Stacking       
3.6.1.1 The Interconnect Energy Problem   
3.6.1.2 Heterogeneous Integration Benefits       
3.6.1.3 High Bandwidth Memory (HBM)       
3.6.2    Chiplet Architectures       
3.6.2.1 Economic and Technical Advantages    
3.6.2.2 Industry Adoption      
3.6.3    Advanced Cooling Integration     
3.6.3.1 The Heat Density Challenge
3.6.3.2 Liquid Cooling Evolution       
3.6.3.3 Thermal-Aware Packaging Design  
 

 

4      MARKET ANALYSIS     

4.1        Market Size and Growth Projections       
4.1.1    Total Addressable Market     
4.1.2    Geographic Market Distribution       
4.1.2.1 Regional Dynamics and Trends         
4.1.3    Technology Segment Projections    
4.1.3.1 Mobile NPU Dominance        
4.1.3.2 Neuromorphic and In-Memory Computing        
4.1.3.3 Data Center AI Efficiency Focus       
4.1.4    Neuromorphic Computing Market  
4.1.4.1 Market Growth Drivers     
4.1.4.2 Market Restraints      
4.2        Key Market Drivers     
4.2.1    Edge Computing Proliferation     
4.2.1.1 The Edge Computing Imperative       
4.2.2    Mobile Device AI Integration
4.2.2.1 AI Features Driving Mobile Adoption       
4.2.2.2 Performance and Efficiency Evolution         
4.2.3    Automotive Electrification and Autonomy 
4.2.3.1 ADAS Proliferation Driving Immediate Demand     
4.2.3.2 The Electric Vehicle Efficiency Challenge  
4.2.3.3 Safety and Reliability Requirements       
4.2.4    Data Center Power and Cooling Constraints    
4.2.4.1 The Scale of the Data Center Energy Challenge     
4.2.4.2 Local Infrastructure Breaking Points      
4.2.4.3 The Cooling Energy Tax    
4.2.4.4 Economic Imperatives     
4.2.4.5 Hyperscaler Response Strategies   
4.2.5    Environmental Sustainability and Regulatory Pressure     
4.2.5.1 Carbon Footprint of AI      
4.2.5.2 Emerging Regulations      
4.3        Competitive Landscape        
4.3.1    Established Semiconductor Leaders     
4.3.1.1 NVIDIA Corporation  
4.3.1.2 Intel Corporation        
4.3.1.3 AMD    
4.3.1.4 Qualcomm     
4.3.1.5 Apple  
4.3.2    Emerging Players and Startups         
4.3.2.1 Architectural Innovators        
4.3.2.2 In-Memory Computing Pioneers      
4.3.2.3 Neuromorphic Specialists   
4.3.2.4 Startup Challenges and Outlook     
4.3.3    Vertical Integration Strategies     
4.3.3.1 The Economics of Custom Silicon  
4.3.4    Geographic Competitive Dynamics
4.3.4.1 United States
4.3.4.2 China 
4.3.4.3 Taiwan
4.3.4.4 Europe        
4.4        Market Barriers and Challenges       
4.4.1    Technical Challenges       
4.4.1.1 Manufacturing Complexity and Yield     
4.4.1.2 Algorithm-Hardware Mismatch        
4.4.2    Software and Ecosystem Challenges    
4.4.2.1 Developer Adoption Barriers       
4.4.2.2 Fragmentation Risks
4.4.3    Economic and Business Barriers     
4.4.3.1 High Development Costs      
4.4.3.2 Long Time-to-Revenue     
4.4.3.3 Customer Acquisition Challenges  
4.4.4    Regulatory and Geopolitical Risks  
4.4.4.1 Export Controls and Technology Restrictions   
4.4.4.2 IP and Technology Transfer Concerns    
4.4.4.3 Supply Chain Resilience        
 
 

5      TECHNOLOGY ROADMAPS AND FUTURE OUTLOOK         

5.1        Near-Term Evolution (2025-2027)   
5.1.1    Process Node Advancement       
5.1.1.1 The Final Generations of FinFET Technology      
5.1.1.2 Heterogeneous Integration Compensating for Slowing Process Scaling
5.1.2    Quantization and Precision Reduction        
5.1.2.1 INT4 Becoming Standard for Inference        
5.1.2.2 Emerging Sub-4-Bit Quantization    
5.1.3    Sparsity Exploitation
5.1.3.1 Hardware Sparsity Support Becoming Standard   
5.1.3.2 Software Toolchains for Sparsity     
5.1.4    Architectural Innovations Reaching Production     
5.1.4.1 In-Memory Computing Moving to Production   
5.1.4.2 Neuromorphic Computing Niche Deployment       
5.1.4.3 Transformer-Optimized Architectures   
5.1.5    Software Ecosystem Maturation      
5.1.5.1 Framework Convergence and Abstraction
5.1.5.2 Model Zoo Expansion       
5.1.5.3 Development Tool Sophistication   
5.2        Mid-Term Transformation (2028-2030)        
5.2.1    Post-Moore's Law Computing Paradigms  
5.2.1.1 Gate-All-Around Transistors at Scale     
5.2.1.2 3D Integration Becomes Primary Scaling Vector   
5.2.2    Heterogeneous Computing Evolution   
5.2.2.1 Extreme Specialization    
5.2.2.2 Hierarchical Memory Systems   
5.2.2.3 Software Orchestration Challenges        
5.2.3    Analog Computing Renaissance     
5.2.3.1 Hybrid Analog-Digital Systems         
5.2.3.2 Analog In-Memory Computing at Scale       
5.2.4    AI-Specific Silicon Photonics      
5.2.4.1 Optical Interconnect Advantages   
5.2.4.2 Integration Challenges    
5.3        Long-Term Vision (2031-2036)   
5.3.1    Beyond CMOS: Alternative Computing Substrates       
5.3.1.1 Spintronic Computing Commercialization
5.3.1.2 Carbon Nanotube Circuits   
5.3.1.3 Two-Dimensional Materials Integration       
5.3.2    Quantum-Enhanced Classical Computing        
5.3.2.1 Quantum Computing Limitations for AI       
5.3.2.2 Quantum-Classical Hybrid Opportunities 
5.3.2.3 Realistic 2031-2036 Outlook      
5.3.3    Biological Computing Integration    
5.3.3.1 Wetware-Hardware Hybrid Systems      
5.3.3.2 Synthetic Biology Approaches   
5.3.4    AI-Designed AI Chips        
5.3.4.1 Current State of AI-Assisted Design        
5.3.4.2 Autonomous Design Systems     
5.3.4.3 Potential Outcomes by 2036       
5.4        Disruptive Technologies on the Horizon      
5.4.1    Room-Temperature Superconductors   
5.4.1.1 Potential Impact         
5.4.1.2 Current Status and Obstacles    
5.4.2    Reversible Computing     
5.4.2.1 Principles and Challenges   
5.4.2.2 Potential for AI       
5.4.3    Optical Neural Networks       
5.4.3.1 Operating Principles 
5.4.3.2 Limitations and Challenges
5.4.3.3 Outlook for 2031-2036    
5.4.4    Bioelectronic Hybrid Systems    
5.4.4.1 Brain-Computer Interface Advances      
5.4.4.2 Potential AI Implications       
5.4.4.3 Realistic Timeline      
 
 

6      TECHNOLOGY ANALYSIS      

6.1        Energy Efficiency Metrics and Benchmarking         
6.1.1    MLPerf Power Benchmark    
6.1.1.1 Methodology and Standards       
6.1.1.2 Industry Results and Comparison  
6.1.1.3 Performance per Watt Analysis        
6.1.2    TOPS/W vs. GFLOPS/W Metrics        
6.1.3    Real-World Performance Evaluation      
6.1.4    Thermal Design Power (TDP) Considerations   
6.1.5    Energy Per Inference Metrics       
6.2        Analog Computing for AI        
6.2.1    Analog Matrix Multiplication
6.2.2    Analog In-Memory Computing   
6.2.3    Continuous-Time Processing      
6.2.4    Hybrid Analog-Digital Systems         
6.2.5    Noise and Precision Trade-offs         
6.3        Spintronics for AI Acceleration   
6.3.1    Spin-Based Computing Principles  
6.3.2    Magnetic Tunnel Junctions (MTJs)   
6.3.3    Spin-Transfer Torque (STT) Devices 
6.3.4    Energy Efficiency Benefits    
6.3.5    Commercial Readiness         
6.4        Photonic Computing
6.4.1    Silicon Photonics for AI   
6.4.2    Optical Neural Networks       
6.4.3    Energy Efficiency Advantages     
6.4.4    Integration Challenges    
6.4.5    Future Outlook     
6.5        Software and Algorithm Optimization   
6.5.1    Hardware-Software Co-Design         
6.5.2    Compiler Optimization for Low Power   
6.5.3    Framework Support  
6.5.3.1 TensorFlow Lite Micro      
6.5.3.2 ONNX Runtime     
6.5.3.3 Specialized AI Frameworks  
6.5.4    Model Optimization Tools     
6.5.5    Automated Architecture Search       
6.6        Beyond-Silicon Materials      
6.6.1    Two-Dimensional Materials: Computing at Atomic Thickness     
6.6.1.1 Graphene        
6.6.1.2 Hexagonal Boron Nitride       
6.6.1.3 Transition Metal Dichalcogenides   
6.6.1.4 Practical Implementation Challenges   
6.6.2    Ferroelectric Materials    
6.6.2.1 The Memory Bottleneck Problem    
6.6.2.2 Ferroelectric RAM (FeRAM) Fundamentals
6.6.2.3 Hafnium Oxide      
6.6.2.4 Neuromorphic Computing with Ferroelectric Synapses  
6.6.2.5 Commercial Progress and Challenges         
6.6.3    Superconducting Materials: Zero-Resistance Computing       
6.6.3.1 Superconductivity Basics and Cryogenic Requirements 
6.6.3.2 Superconducting Electronics for Computing   
6.6.3.3 Quantum Computing and AI        
6.6.3.4 Room-Temperature Superconductors   
6.6.4    Advanced Dielectrics        
6.6.4.1 Low-κ Dielectrics for Reduced Crosstalk   
6.6.4.2 High-κ Dielectrics for Transistor Gates         
6.6.4.3 Dielectrics in Advanced Packaging
6.6.5    Integration Challenges and Hybrid Approaches    
6.6.5.1 Manufacturing Scalability    
6.6.5.2 Integration with Silicon Infrastructure   
6.6.5.3 Reliability and Qualification
6.6.5.4 Economic Viability    
6.6.6    Near-Term Reality and Long-Term Vision    
6.6.6.1 2025-2027: Hybrid Integration Begins   
6.6.6.2 2028-2032: Specialized Novel-Material Systems  
6.6.6.3 2033-2040: Towards Multi-Material Computing     
 
 

7      SUSTAINABILITY AND ENVIRONMENTAL IMPACT 

7.1        Carbon Footprint Analysis   
7.1.1    Manufacturing Emissions    
7.1.2    Operational Energy Consumption  
7.1.3    Lifecycle Carbon Impact       
7.1.4    Data Center Energy Efficiency    
7.2        Green Manufacturing Practices        
7.2.1    Sustainable Fabrication Processes
7.2.2    Water Recycling Systems      
7.2.3    Renewable Energy in Fabs   
7.2.4    Waste Reduction Strategies
7.2.5    Industry Standards   
7.2.6    Government Regulations      
7.2.7    Environmental Compliance
7.2.8    Future Regulatory Trends      
 
 

8      COMPANY PROFILES  (152 company profiles)

 
 

9      APPENDICES 

9.1        Appendix A: Glossary of Terms   
9.1.1    Technical Terminology     
9.1.2    Acronyms and Abbreviations       
9.1.3    Performance Metrics Definitions     
9.2        Appendix B: Technology Comparison Tables    
9.3        Appendix C: Market Data and Statistics      
 
 
10   REFERENCES
 

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List of Tables/Graphs

List of Tables

Table1 Key Market Segments (2024-2036):            
Table2 Neuromorphic Computing Market to 2036 (Millions USD)
Table3 Power Efficiency Performance Tiers
Table4 Current Industry Performance Benchmarks (2024-2025):           
Table5 Segmentation Dimension 1: Power Consumption Tier   
Table6 Training vs. Inference Energy Split
Table7 Power Consumption Categories by AI Chip Type
Table8 Design Trade-offs
Table9 Comparison of Digital vs. Analog Neuromorphic Processors     
Table10 Resistive Non-Volatile Memory (NVM) Technologies
Table11 Comparison of Semiconductor Materials for AI Applications 
Table12 Wide Bandgap Semiconductor Applications in AI Systems      
Table13 Next-Generation Semiconductor Materials Development Timeline    
Table14 Energy Cost Comparison - Data Movement vs. Computation 
Table15 Advanced Packaging Technologies for AI Processors   
Table16 Chiplet Architecture Benefits for AI Systems     
Table17 Cooling Technologies for High-Performance AI Processors      
Table18 Global AI Semiconductor Market by Application Segment (2024-2036)
Table19 Geographic Market Distribution and Growth Rates (2024-2036)          
Table20 AI Semiconductor Technology Segment Growth Projections   
Table21 Neuromorphic Computing and Sensing Market Forecast (2024-2036)]           
Table22 Edge Computing Drivers and Their Impact on AI Semiconductor Requirements
Table23 Mobile AI Performance Evolution (2017-2024) 
Table24 Automotive AI Requirements by Autonomy Level            
Table25 Data Center Power Consumption Trends and Projections]       
Table26 Data Center Power Usage Effectiveness (PUE) by Configuration]         
Table27 AI Carbon Footprint Examples and Mitigation Strategies
Table28 NVIDIA AI Product Portfolio and Competitive Positioning          
Table29 NoTableAI Semiconductor Startups and Innovation Focus      
Table30 Custom AI Silicon Programs by Major Technology Companies]            
Table31 Regional AI Semiconductor Capabilities and Strategic Positioning
Table32 Manufacturing Challenges by Process Node and Technology 
Table33 Software Ecosystem Maturity by AI Hardware Platform
Table34 Semiconductor Process Node Roadmap (2024-2030)
Table35 Sparsity Impact on AI Efficiency (2025-2027 Projections)         
Table36 Post-CMOS Technology Comparison (2031-2036 Outlook)     
Table37 AI-Assisted Chip Design Evolution (2024-2036)
Table38 Disruptive Technology Assessment (2031-2036)            
Table39 MLPerf Power Benchmark Categories and Measurement Standards
Table40 TOPS/W Performance by Chip Category
Table41 Analog vs. Digital AI Processing Comparison    
Table42 Spintronic Device Characteristics
Table43 Photonic vs. Electronic Computing Comparison            
Table44 Software Framework Comparison for Edge AI
Table45 Two-Dimensional Materials Properties and Applications
Table46 Superconducting Materials for Computing Applications
Table47 Carbon Footprint by Chip Type (Lifecycle Emissions)  
Table48 Green Manufacturing Initiatives by Major Semiconductor Manufacturers
Table49 Evolution of Apple Neural Engine
Table50 Comprehensive Technology Architecture Comparison
Table51 Power Efficiency Rankings by Application Category
Table52 Performance Benchmarks by Application Type/               
Table53 Manufacturing Process Node Comparison
Table54 Historical Market Data (2020-2024)
Table55 Detailed Regional Market Breakdown (2024 Estimated)
 

 

List of Figures

Figure1 Neuromorphic Computing Market to 2036
Figure2 Neuromorphic Computing Architecture Overview          
Figure3 IBM TrueNorth Processor Architecture
Figure4 In-Memory Computing Architecture Diagram
Figure5 Chiplet SoC Design              
Figure6 Technology Transition Timeline (2025-2030)
Figure7 Quantum-Classical Hybrid AI Systems Timeline              
Figure8 Center Energy Consumption Trends and Projections
Figure9 Cerebas WSE-2
Figure10 DeepX NPU DX-GEN1
Figure11 InferX X1
Figure12 “Warboy”(AI Inference Chip)
Figure13 Google TPU
Figure14 GrAI VIP
Figure15 Colossus™ MK2 GC200 IPU
Figure16 GreenWave’s GAP8 and GAP9 processors
Figure17 Groq Tensor Streaming Processor (TSP)
Figure18 Journey 5
Figure19 Spiking Neural Processor              
Figure20 11th Gen Intel® Core™ S-Series
Figure21  Intel Loihi 2 chip
Figure22 Envise
Figure23 Pentonic 2000
Figure24 Meta Training and Inference Accelerator (MTIA)
Figure25 Azure Maia 100 and Cobalt 100 chips
Figure26 Mythic MP10304 Quad-AMP PCIe Card
Figure27 Nvidia H200 AI chip
Figure28 Grace Hopper Superchip
Figure29 Panmnesia memory expander module (top) and chassis loaded with switch and expander modules (below)
Figure30 Prophesee Metavision starter kit – AMD Kria KV260 and active marker LED board
Figure31 Cloud AI 100
Figure32 Peta Op chip
Figure33 Cardinal SN10 RDU
Figure34 MLSoC™
Figure35 Overview of SpiNNaker2 architecture for the ”SpiNNcloud” cloud system and edge systems
Figure36 Grayskull
Figure37 Tesla D1 chip

 

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