Das Jahr 2022 markiert einen Meilenstein in der Geschichte der Digitalisierung: Erstmals werden knapp zwei Drittel des weltweiten Bruttoinlandsprodukts digital generiert, wie eine IDC-Studie prognostiziert. Die unverzichtbare Basis dafür sind sichere, hochleistungs­fähige IT-Systeme und -Infrastrukturen. ­Quantencomputer sind extrem leistungsstark und damit perfekt geeignet, um die wachsenden Datenmengen von Wirtschaft und Gesellschaft zu verarbeiten. 

Vielfache Leistung

Quantencomputer sollen die Leistung herkömmlicher Computer um ein Vielfaches übertreffen, weil sie vollkommen anders funktionieren. Statt klassischen Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können, benutzen sie sogenannte Quantenbits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können. „Dadurch haben sie ein immenses Potenzial, ­Probleme anzugehen, die für klassische Computer unlösbar sind. Insbesondere versprechen sie, wichtige ­Probleme der Logistik und der Medikamentenentwicklung lösen zu können. Sie sind eine zentrale Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts“, sagt Prof. Dr. Klaus Sengstock, Gruppenleiter am Institut für Laserphysik der Universität Hamburg – im Rahmen eines Forschungsprojekts soll in den nächsten fünf Jahren an der Universität Hamburg ein funktionsfähiger Quantenoptimierer entstehen. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, Qubits zu konstruieren. Zum Beispiel können Photonen, Ionen oder supraleitende Schaltkreise als physikalische Grundlage solcher Konstruktionen dienen. 

Längst läuft der globale Wettbewerb um die leistungs­fähigsten Quantencomputer auf Hochtouren. Es geht um die Märkte der Zukunft. Fördermittel, Forschungsgruppen und führende Unternehmen gestalten den Aufbruch ins Quantenzeitalter. „Wir sind im Quantencomputing bei ­einem ­Reifegrad angelangt, bei dem diese Technologie nicht länger nur ins Labor gehört“, erklärt Dr. Walter Riess, Leiter der mit zwei Nobelpreisen ausgezeichneten Abteilung Wissenschaft und Technologie von IBM ­Research in Zürich. 

Quantenprozessoren werden ­praxistauglich

Erste Quantenprozessoren sind bereits auf dem Markt: So hat IBM 2021 einen Quantenprozessor vorgestellt, der über 127 Qubits verfügt. Bis 2023 will der Konzern einen ­Quantenprozessor mit über 1.000 Qubits bauen. Über 256 Qubits verfügt ein Prozessor von QuEra ­Computing, der bald für Kunden zugänglich sein soll. QuEra nutzt ­Forschungsergebnisse über neutrale Atome, die an der Harvard University und dem Massachusetts Institute of Technology entwickelt wurden, als Grundlage für seine skalierbare, programmierbare Quantencomputerlösung. Die Hardware verwendet Arrays aus neutralen Atomen, bei denen Hunderte von Atomen gekühlt und dann durch Laserfelder in einer kleinen Vakuumkammer angeordnet werden. Während die Glaswände der Kammer Raumtemperatur ­haben, werden die Atome nur wenige ­Millimeter entfernt per ­Laser auf ein millionstel Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Das ist mehr als eine Million Mal kälter als der Weltraum und mehr als tausend Mal kälter als die supraleitenden Qubits anderer Branchenvertreter wie IBM und ­Google. „Es besteht eine enorme Chance, Fortschritte bei einigen der kritischsten – und derzeit unlösbaren – Probleme unserer Zeit zu erzielen, die fast jeden von uns betreffen“, sagte Alex Keesling, CEO von QuEra und Miterfinder der QuEra-Technologie. „Wir freuen uns darauf, mit unserer ersten Maschine zu demonstrieren, was Quantencomputer für die Menschheit leisten können.“ 

Qubits und Halbleiter Hand in Hand

Quantensysteme werden laut Dell Technologies künftig allerdings nicht für sich stehen, sondern eng mit klassischen IT-Systemen zusammenarbeiten. So werden QPUs (Quantum Processing Units) bald Einzug in ­konventionelle ­Systeme halten und dort ausgewählte Berechnungen durchführen. Die klassischen CPUs übernehmen Standardaufgaben und unterstützen die QPUs durch die ­Vorbereitung der Daten und die Auswertung der ­Ergebnisse. Q.ant hat zum Beispiel ein Verfahren entwickelt, dass es ermöglicht, heute etablierte elektronische Großrechner um Prozessoren zu erweitern, die mit modernster Quanten­technologie arbeiten. Durch das Aufbringen ­hochspezieller Lichtkanäle auf Silizium-Chips lassen sich mit diesem sogenannten Photonik-Chip-Verfahren Quanten auch bei Raumtemperatur nahezu verlustfrei führen, steuern und kontrollieren. 

Quanteneffekte können aber auch direkt die Halbleiterelektronik verbessern und hier zu einem Durchbruch bei der Bandbreite der Datenübertragung, der ­Energieeffizienz und der Informationssicherheit führen. Sogenannte ­Heterostrukturen, also Schichtsysteme aus ­supraleitenden und halbleitenden Materialien, sind ­vielversprechende Nachfolger für die heutige Halbleiterelektronik. Zwei in dieser Hinsicht passende Materialien sind der Supraleiter Niobnitrid (NbN) sowie der ­Halbleiter Galliumnitrid (GaN). Bislang war aller­dings unklar, wie genau sich die Elektronen an der Kontaktfläche dieser beiden Materialien verhalten – und ob womöglich die Elektronen aus dem Halbleiter die Supraleitung stören und damit die Quanteneffekte auslöschen. Forscher des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) untersuchten genau diese Wechselwirkungen, fanden in ihren Experimenten aber schließlich heraus, dass die Elektronen in beiden Materialien „für sich“ bleiben. Vladimir Strocov, Forscher an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI: „Dieses Schichtsystem könnte tatsächlich eine neue Form der Halbleiterelektronik hervorbringen, welche die Quanteneffekte in Supraleitern einbindet und nutzt.“ Das könnte der Halbleitertechnologie eine neue Wendung ­geben und elektronische Bauteile in Zukunft noch einmal deutlich leistungsstärker machen. 

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1 Das Moore’sche Gesetz gilt weiter

Die CMOS-Transistordichte wird in den nächsten Jahren weiterhin dem Moore’schen Gesetz folgen. Ermöglicht wird dies vor allem durch Fortschritte bei der EUV-Strukturierung und durch die Einführung neuartiger Chip-Architekturen. So stößt die FinFET-Technologie bei einer Skalierung über fünf Nanometer hinaus an ihre Grenzen. Eine Lösung werden Nanosheet- oder Gate-all-around-Transistoren bieten: Dabei handelt es sich um eine ­modifizierte Transistorstruktur, bei der das Gate den Kanal von allen Seiten kontaktiert und eine kontinuierliche ­Skalierung ermöglicht. Sie versprechen Leistungssteigerungen von mehr als 25 Prozent und eine Senkung des Stromverbrauchs um mehr als 50 Prozent.

2 Neue Chip-Architekturen drängen auf den Markt

Über 50 Jahre hat die x86-Architektur die Mikro­prozessorindustrie dominiert. Mittlerweile ändert sich das ­jedoch: Die ARM-Architektur punktet zunehmend mit ­ihrer Leistung und ihrem geringen Stromverbrauch. ARM stellt seine IP-Chip-Hersteller zur Verfügung, die darauf basierend ihre eigenen Chips entwickeln und in Foundries fertigen lassen können. Darüber hinaus hat die RISC-V-Architektur in IoT-Geräten und anderen ­Anwendungen aufgrund ihres Open-Source-Vorteils und des besseren Stromverbrauchs an Bedeutung gewonnen.

3 Neue Materialien ergänzen Silizium

Silizium als Basismaterial von Mikrochips stößt ­zunehmend an seine Grenzen. Die Nachfrage nach immer ­kleineren und schnelleren integrierten ­Schaltkreisen hat die Effizienz des Materials bis an die ­Grenze des Machbaren getrieben. Die Erforschung neuer ­Materialien ist im Gange, wobei einige Materialien für die Zukunft sehr vielversprechend sind: So ­könnte Hochleistungs-­Galliumnitrid aufgrund seines hohen kritischen Energie­feldes für effizientere und schnellere ­Stromumwandlungen in Stromnetzen eingesetzt werden. Halbleiter auf ­Antimonid- und Bismuthid-Basis werden in verbesserten Infra­rotsensoren für den medizinischen und militärischen Bereich eingesetzt. Graphen hat das Potenzial, Silizium als Allzweck-Halbleitermaterial zu übertreffen, aber eine breite Kommerzialisierung könnte noch bis zu fünfundzwanzig Jahre entfernt sein. Pyrit könnte als Ersatz für das Seltenerd-Element Cadmiumtellurid verwendet werden, das in ­Solarzellen weit verbreitet ist, aber nur ­begrenzt zur Verfügung steht. Pyrit ist reichlich vorhanden, kostengünstig und nicht giftig.

4 Künstliche Intelligenz erobert die Edge

Mit einem erwarteten Wachstum von deutlich über 100 Prozent in den nächsten fünf Jahren ist die Edge-KI einer der größten Trends in der Chipindustrie. Bei der Edge-KI ist die Anwendung des erlernten „Wissens“ (die Inferenz) in die Endpunkte des Internets der Dinge eingebettet. Heute bieten handelsübliche Edge-KI-Chips eine Effizienz in der Größenordnung von 1 bis 100 Tera-­Operationen pro Sekunde pro Watt (Tops/W), wobei ­s­chnelle GPUs oder ASICs für die Berechnungen verwendet werden. Für IoT-Implementierungen werden wesent­lich ­höhere Wirkungsgrade benötigt. Die Forschung arbeitet an Lösungen, die eine Effizienz für Inferenzen in der ­Größenordnung von 10.000 Tops/W erreichen.

5 Neue 3D-Technologien ­ermöglichen ­heterogene Integration

Die heterogene Integration, also die Integration verschiedenartiger elektronischer Komponenten auf einem Chip, wird in Zukunft immer wichtiger, um die ­Speichergrenze zu überwinden oder die Funktionalität in ­Systemen mit eingeschränktem Formfaktor zu erhöhen. Basis ­dafür sind 3D-Integrationstechnologien. Aktuell können ­dabei in der Produktion Abstände zwischen den Verbindungspunkten, den Lötkugeln oder Microbumps, von etwa 30­ ­Mikrometern realisiert werden. Ziel ist es, diese ­Abstände weiter zu verringern. Das IMEC hat zum ­Beispiel bereits Verbindungsabstände von sieben Mikro­metern realisiert. Solche hochdichten Verbindungen ermög­lichen eine mehr als 16-fach höhere 3D-Verbindungsdichte ­zwischen den Chips bei der heterogenen Integration und damit einen stark reduzierten Flächenbedarf.

6 Nichtflüchtige Speicher auf dem ­Vormarsch

Bei nichtflüchtigen Speichern verringert sich zusehends die Geschwindigkeit der Skalierung. Zwar bieten Verfahren wie das Wafer-to-Wafer-Bonding bei NAND-Speichern oder die EUV-Lithografie bei DRAMs noch Potenzial zur Verbesserung der Strukturierung, doch die Grenzen sind absehbar. Neue Ansätze versprechen dagegen eine ­weitere Steigerung der Speicherkapazität. Dazu ­gehören unter ­anderem magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAM), die einen wesentlich schnelleren Speicherzugriff bei gleichzeitig geringerem Energieverbrauch als elektronische Speicher wie DRAMs erlauben. Zudem benötigen MRAM-­Speicherzellen auf einem Chip nur einen Bruchteil des Platzes, den etwa DRAM- oder SRAM-Zellen belegen. 

7 Logik-Leistung steigern

Transistoren werden in Zukunft weiter schrumpfen – doch die Performanceverbesserung bei gleicher Leistungsaufnahme hat sich deutlich verlangsamt. Ein Grund dafür ist unter anderem die notwendige Skalierung der Strom- und Spannungsversorgung, denn mit den Strukturen werden auch die elektrischen Verbindungen minimiert – damit steigen deren Widerstände. Eine Lösung können im Substrat „vergrabene“ Stromschienen (Buried Power Rails, BPR) sein: Sie sollen durch die optimierte Stromverteilung eine Leistungssteigerung auf System­ebene ermöglichen. Weiterhin wird an neuen Materialien geforscht, die den Durchgangswiderstand reduzieren: Dazu gehören Hybridmetallisierungen mit Ruthenium oder ­Molybdän. Interconnects auf den Chips könnten in Zukunft statt aus Kupfer aus binären Legierungen und kobaltbasierten Werkstoffen bestehen, mit denen der Leitungswiderstand sinken soll.

8 CMOS und MEMS wachsen zusammen

Etablierte CMOS-Technologien werden in Zukunft ­zunehmend durch MEMS (Micro-Electro-Mechanical ­Systems) ergänzt. Die CMOS-Wafer dienen dabei als ­„intelligentes“ Substrat, da sie bereits Ansteuer- und Ausleseschaltungen, Signalverarbeitung und Schnitt­stellen zur Energie­übertragung enthalten. Durch die Kombination von CMOS und MEMS entstehen kostengünstige und extrem ­kompakte Mikrosysteme für den Einsatz in Medizin, ­Industrie, Mobilität bis hin zur ­­Luft- und Raumfahrt. 

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Die technologische Entwicklung in der Halbleiterindustrie führte zu einer immensen Reduzierung der Kosten pro Transistor: Lagen Sie in den 1960er-Jahren noch bei rund 1.000 Cent, so rutschten sie zum Jahrtausendwechsel unter 0,000020 Cent. Die Gründe dafür sind vielfältig: Zum einen konnte dank immer weiterentwickelter Fertigungsverfahren die Größe der integrierten Schaltungen reduziert werden, wodurch aus einem Wafer ­immer mehr Chips hergestellt werden konnten. Gleichzeitig stieg die Größe der Wafer selbst an, wodurch zusätzlich noch einmal mehr Chips pro Wafer gefertigt werden konnten. Zum anderen führte die steigende Nachfrage nach Mikrochips automatisch zu einer Reduzierung der Stückkosten: So sanken laut einem Beitrag im Journal „Proceedings of the IEEE“ die Kosten pro Transistor bei jeder Verdoppelung des produzierten Transistorvolumens um etwa den Faktor zwei – oder, anders ausgedrückt, die durchschnittliche jährliche Kostensenkungsrate für Transistoren lag bisher in der Größenordnung von 35 Prozent pro Jahr. 

Komplexität in der Fertigung steigt

Doch inzwischen zeichnet sich ein Wandel in diesen ­Gesetzmäßigkeiten ab. Denn die immer weitergehende Miniaturisierung hin zu 7-, 5- oder 2-­Nanometer-Strukturen hebelt die bisherigen Gesetzmäßigkeiten aus. Zwar kann ­dadurch die Transistordichte weiter verbessert und damit das ­Moore’sche Gesetz wohl noch viele Jahre am Leben ­gehalten werden, doch dies wird nur mit einem hohen technischen Aufwand möglich sein – der entsprechend die Fertigungskosten steigen lässt. Marvell, ein Fabless-Hersteller von Speicher-, ­Telekommunikations- und Halbleiter­produkten, präsentierte bereits in 2020 auf seiner Investorenkonferenz eine Grafik, nach der der Preis pro 100 Millionen Gates bis zur Einführung des 28-­Nanometer-Knotens tatsächlich immer weiter ­gesunken ist (auf 1,30 US-Dollar). Doch seitdem steigt er ­wieder an – beim 7-­Nanometer-Knoten liegt er schon wieder bei 1,52 US-Dollar. Diese Trendumkehr ist beim Wechsel vom 28- zum 20-Nanometer-Knoten zu beobach­ten. Dies ist ­darauf zurückzuführen, dass der 28-­Nanometer-Knoten einer der letzten „planaren“ Knoten war, also eine zweidimen­sionale Oberfläche aufwies. Danach wurde die FinFET-Technologie mit ihren dreidimensionalen Strukturen eingeführt, die deutlich komplexer ist und zusätzliche Schritte in der Fertigung erfordert. „Die durchschnittlichen Kosten für die Entwicklung eines 28-Nanometer-Chips betragen 40 Millionen ­US-Dollar“, erläutert Handel Jones, CEO der strategischen Unternehmensberatung International Business Strategy ­Corporation (IBS). „Im ­Vergleich dazu belaufen sich die Kosten für die Entwicklung eines 7-­Nanometer-Chips auf 217 ­Millionen US-Dollar und die Kosten für die Entwicklung eines 5-Nanometer-Bauteils auf 416 ­Millionen ­US-Dollar. Ein 3-Nanometer-Design wird bis zu 590 ­Millionen US-Dollar kosten.“

Zahl der Fertigungsschritte verdoppelt sich

Zwar versprechen aktuelle Entwicklungen wie ­Chiplets oder auch Advanced-Packaging-Technologien eine Redu­zierung der Entwicklungs- und Herstellungskosten. Und auch die Kosten pro bearbeiteter Silizium-Wafer-­Fläche steigen im langjährigen Durchschnitt nur langsam an – auch dank der Einführung größerer Wafer-Durch­messer. Wer die zukünftigen High-End-Chips mit 5- oder 2-­Nanometer-Strukturen einsetzen will, wird dennoch mit höhe­ren Kosten rechnen müssen. Ein Grund dafür ist, dass sich die Zahl der Ferti­gungsschritte laut CMC ­Materials, ­einem ­Lieferanten von kritischen Materialien für Halbleiter­hersteller, bei einem ­5-Nanometer-Knoten im ­Vergleich zu ­einem 10-Nanometer-Knoten ­verdoppelt. Zum Beispiel ­wegen des höheren Reinigungsaufwands: Allein die Zahl der ­Reinigungsschritte ­beträgt bei 5-­Nanometer-Knoten schon rund 30 Prozent aller Fertigungsschritte – nur so können die hohen Qualitäts- und Reinheitsanforderungen erfüllt werden. 

Steigende Anlagenpreise

Zweiter großer Treiber für die steigenden Kosten sind die Werkzeuge und Fertigungsanlagen. „Die Chipherstellung mit EUV trägt dazu bei, die Anzahl kritischer Lithografie-Masken (-40 Prozent) und Prozessschritte (-30 ­Prozent) im Vergleich zur Nicht-EUV-Fertigung zu reduzieren. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung von Fehlern, Kosten und Zykluszeiten für unsere Kunden“, ­berichtet Martin van den Brink, President, Chief Technology ­Officer and Vice Chair im Management-Board bei ASML. Derartige EUV-Lithografieanlagen kosten heute bereits mehr als 100 Millionen US-Dollar. Doch die neuen 5- oder 2-­Nanometer-Knoten erfordern einen Technologiesprung: Die EUV-Plattform der nächsten Generation von ASML wird zum Beispiel noch einmal 60 Prozent kleinere Merkmale ermöglichen und die ­Mikrochipdichte um fast das ­Dreifache erhöhen. Doch laut verschiedenen ­Berichten in den Medien wird eine derartige Anlage wohl den Preis von 300 Millionen ­US-Dollar übersteigen.

Das bedeutet, dass die Chip-Hersteller das Volumen der produzierten Halbleiterprodukte deutlich ­erhöhen ­müssen, um die höheren Entwicklungs- und ­Anlagenkosten zu kompensieren. Gut, dass sich da ein Ende der Nachfrage nach Chips nicht abzeichnet und die Digitalisierung immer mehr ­Bereiche durchdringt. 

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Zuverlässigkeit bedeutet, dass der Mikrochip über seine gesamte Lebensdauer seine Aufgaben fehlerfrei erfüllt. Bisher hat sich die Halbleiterindustrie auf die Qualitätskontrolle während des Produktionsprozesses und einen abschließenden Test des fertigen Chips konzentriert – doch das stellt nur ein fehlerfrei gefertigtes Produkt sicher, nicht aber seine längerfristige Zuverlässigkeit im Feld. Dies ist im Consumer-Bereich, in dem die High-End-Chips mit Strukturgrößen von 10 Nanometer oder kleiner vor allem eingesetzt werden, noch kein größeres Problem. Denn hier war es bisher in der Regel zulässig, dass innerhalb einer angenommenen Lebensdauer von zwei Jahren einer von einer Million Chips ausfallen durfte. Doch seitdem immer mehr High-End-Chips auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden, muss deren Zuverlässigkeit steigen. So fordert die Automobilindustrie zum Beispiel, dass Chips 18 Jahre fehlerfrei funktionieren bzw. in diesem Zeitraum nur ein Chip pro eine Milliarde ausfällt. Auch in anderen Märkten steigen die Anforderungen: Smartphone-Hersteller fordern inzwischen, dass Chips mindestens vier Jahre lang funktionieren statt wie früher nur zwei Jahre. Und in einigen Industrie- und IoT-Anwendungen, wo der Austausch von Sensoren schwierig ist, müssen Chips auch mal 20 Jahre oder länger halten. 

Zuverlässigkeit erhöhen

Um die Zuverlässigkeit eines Mikrochips zu erhöhen, müssen Designer das Zusammenspiel aller Komponenten im Blick haben: Eine optimale Gestaltung von Leiterplatte, Verbindungstechnik und Chipgehäuse ist Voraussetzung, wobei auch die Umgebungsbedingungen des zukünftigen Einsatzortes berücksichtigt werden müssen: Feuchtigkeit kann auch im Chip zu Korrosion führen, Vibrationen können Verbindungen lösen usw.

Zudem muss aber auch die Zuverlässigkeit des eigentlichen Halbleiter-Bauelements betrachtet werden. Dabei gelten einige Faustregeln: So sind aus gröberen Strukturen aufgebaute Chips tendenziell weniger anfällig gegenüber Einflüssen wie kosmischer Strahlung oder schwankenden Betriebsspannungen. Chips mit kleinerer Grundfläche leiden dagegen weniger unter mechanischen Stressfaktoren wie Vibration oder Temperaturdifferenzen. Zudem sind Chips auch einem Alterungsprozess ausgesetzt: So sorgt Elektronenmigration für eine Unterbrechung von Leiterbahnen, Temperatureffekte wie Bias Temperature Instability (BTI) und Hot Carrier Injection (HCI) spielen bei hochintegrierten Chips eine immer größere Rolle. Man spricht dabei von Alterung, Verschleiß oder Degradation. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente sind diese negativen Veränderungen der Materialeigenschaften noch vielfältiger und komplizierter geworden. Lokal auftretende Stromdichten und Feldstärken innerhalb einer Schaltung erreichen zum Beispiel in kleineren Strukturen eher kritische Werte. Bei Standardelektronik minimieren Designer üblicherweise das Ausfallrisiko, indem sie Sicherheitsreserven in ihre Entwürfe einbauen. Dieses sogenannte „Over Design“ ist allerdings teuer, zeitaufwändig und mit immer kleineren Technologien nicht mehr realisierbar.

Chips mit integriertem Selbsttest

Eine Lösung, um zumindest drohende Ausfälle früher zu erkennen, ist die Integration von Selbsttests in den Chip. Bei den sogenannten Built-in Self Tests (BIST) werden integrierte Schaltkreise durch Hardware- oder Softwarefunktionen ergänzt, mit denen sie ihre eigene Funktion testen können. So kann zum Beispiel der Prozessor-Takt überwacht werden: Ein „Clock-Control“ spürt eventuelle Taktfehler auf. Im Falle eines Falles wird das System automatisch in einen sicheren Status versetzt und ein entsprechendes Signal erzeugt.

Ausfälle vorhersagen

Noch einen Schritt weiter gehen Lösungen, die den gesamten Chip überwachen und mittels Künstlicher Intelligenz einen bevorstehenden Ausfall ankündigen können. So hat zum Beispiel das israelische Unternehmen ­proteanTecs eine intelligente On-Chip-Überwachungsmethode entwickelt. Sie verbindet eine auf maschinellem Lernen basierende Softwareplattform mit eigens entwickelten sogenannten Agenten, die bereits in der Entwicklung in das Halbleiterdesign integriert werden und im Halbleiter als Sensoren dienen. Durch deren Auslesen und die Analyse der daraus gewonnenen Daten können Erkenntnisse über Funktions- und Leistungsfähigkeit von Halbleitern und elektronischen Systemen gewonnen werden. Insbesondere bei neuen Halbleitergenerationen kann mit diesen Ergebnissen die Qualität und die Zuverlässigkeit gesteigert und die Lebensdauer verlängert werden.

Alterung simulieren

Um ein „Over Design“ zu vermeiden, können Designer zudem eine Simulation der zu erwartenden Alterung in den IC-Entwicklungsprozess integrieren. So lässt sich bereits in der Designphase die Zuverlässigkeit der Entwürfe genau prognostizieren. Zum Beispiel erarbeitet das Fraunhofer IIS an seinem Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS in Dresden dazu Ansätze. Dabei verbinden sie unter dem Schlagwort „Physics-of-Failure“ Wissen zu den physikalischen Mechanismen mit Ansätzen, die auf statistischen Daten über Ausfälle im Einsatz beruhen. So können Elektronikdesign-Teams zukünftig effizient potenzielle Zuverlässigkeitsprobleme von Halbleitern und Systemen bewerten – und das bereits vor ihrer Fertigung.

Fingerabdruck für Elektronik

Eng verwandt mit dem Thema Zuverlässigkeit ist die Vertrauenswürdigkeit. Denn gefälschte oder manipulierte Chips können auch zu einem Ausfall im Einsatz führen. Forscher der Universität Ulm arbeiten daher daran, einen fälschungssicheren physikalischen „Fingerabdruck“ für elektronische Leiterplatten, programmierbare Schaltungen und integrierte Schaltkreise (FPGA und Microcontroller) zu entwickeln. Die Idee basiert darauf, dass es bei der Produktion der Bauteile zu unvermeidlichen Prozessschwankungen kommt, die im Nanobereich zu kleinsten Abweichungen führen. Durch die detaillierte Erfassung dieser Abweichungen wird es möglich, das Bauteil über die gesamte Lebensdauer zu identifizieren. So kann später jederzeit herausgefunden werden, ob ein Bauteil ein Original ist oder ob es verändert wurde, um der Anwendung zu schaden. Der Grundgedanke dahinter: In der eindeutigen Identifizierbarkeit von Elektronik-Komponenten liegt der Schlüssel zu mehr Zuverlässigkeit. 

Begriffe rund um -Zuverlässigkeit

Defective Parts Per Million (DPPM): 

Defekte Teile pro Million. Bezeichnet auch ausgefallene Geräte pro Million gelieferter Einheiten.

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Failure in Time (FIT): 

Ausfallrate – Die Einheit FIT gibt die Anzahl der Bauteile an, die in 10⁹ Stunden ausfallen (Ausfallrate bei 1 Fit also einmal in ca. 114.000 Jahren).

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Mean Time Between Failure (MTBF): 

Die durchschnittliche Zeit zwischen dem Auftreten von Defekten. Anders ausgedrückt, die Lebensdauer eines Chips dividiert durch die Gesamtzahl der Defekte.

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Mean Time To Failure (MTTF): 

Die durchschnittliche Zeit bis zum Eintreten des Ausfalls. Der MTTF-Wert wird bei nicht reparierbaren Systemen verwendet.

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Seit es die Halbleitertechnologie gibt, haben sich die Anforderungen der Kunden im Großen und Ganzen nicht wirklich geändert: Immer besser, schneller und billiger sollen die Mikrochips sein. In der Tat hat die Halbleiterindustrie große Fortschritte bei der Entwicklung ihrer Halbleiterprodukte gemacht. Konsequent hat sie das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Schaltkreise auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppelt, weiter umgesetzt. Kleinere Chips mit dichter gepackten Transistoren ermöglichen die Herstellung kleinerer, leistungsfähigerer elektronischer Geräte zu niedrigeren Preisen. Ein in der Branche oft zitierter Vergleich verdeutlicht diese Fortschritte sehr anschaulich: Wenn die Automobilindustrie in den letzten 30 Jahren ähnliche Leistungsverbesserungen erzielt hätte, würde ein Rolls-Royce nur 40 Dollar kosten und mit einer Gallone Benzin achtmal die Erde umrunden können – mit einer Höchstgeschwindigkeit von 2,4 Millionen Meilen pro Stunde. 

More Moore oder More Than Moore?

Doch die Halbleiterentwicklung stößt zunehmend an die Grenzen des Moore’schen Gesetzes: Inzwischen nähern sich die Strukturen auf den Chips atomaren Größenordnungen und lassen sich nicht weiter reduzieren. Eine Lösung ist der 3D-Ansatz: Dabei werden Schichten von Transistoren übereinandergestapelt, wodurch sich die Anzahl der Bauteile pro Quadratmillimeter noch einmal weiter erhöhen lässt, selbst wenn die physikalischen Abmessungen in der Ebene nicht mehr weiter reduziert werden können. Dabei könnten die Hersteller auch verschiedene Halbleitermaterialien übereinanderschichten, zum Beispiel auf eine Lage mit herkömmlichen Silizium-Transistoren eine Ebene aus Verbindungshalbleitern wie Indiumgalliumarsenid aufbringen. Sie können spezielle Aufgaben übernehmen, wie eine besonders ­schnelle Signalverstärkung oder die Detektion von Licht. In dieser Integration zusätzlicher Funktionen in die Chips sehen viele Experten die Alternative zur Fortführung des Moore’schen Gesetzes. Ihre Devise lautet: Statt „More ­Moore“ (weitere ­Miniaturisierung) lieber „More than Moore“ (die Vereinigung von digitalen und nicht digitalen Funktionen auf demselben Chip). Zu finden sind derartige Lösungen bereits heute in vielen Bauelementen, zum Beispiel bei mikroelektromecha­nischen Systemen (MEMS) oder bei Funk- und Analog/Mixed-Signal-Technologien (RF/AMS).

Neue Lösungen für KI-Anwendungen 

Viele der Innovationen in der Halbleiterindustrie wurden durch zwei übergeordnete Technologietrends angestoßen: Künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge.

KI stellt die Halbleitertechnologie vor völlig neue Herausforderungen, denn die dabei verarbeiteten und gespeicherten Datenmengen sind enorm groß. Um sie zu bewältigen, ist eine verbesserte Halbleiterarchitektur notwendig. Dabei geht es weniger um die Verbesserung der Gesamtleistung oder Rechenpower, sondern vielmehr um die Beschleunigung des Datentransfers aus und in den Speicher sowie um effizientere Speichersysteme. So wurden spezielle neuro­nale Chips entwickelt, die wie die Synapsen des menschlichen ­Gehirns funktionieren. Anstatt ständig Signale zu senden, ­arbeiten sie nur bei Bedarf. Zudem verarbeiten KI-Chips ­Daten in vielen parallelen Prozessen, nicht wie bisherige ­Prozessoren hintereinander weg. Daneben kommen verstärkt nichtflüchtige Speicher bei KI-Halbleitern zum Einsatz. Sie können Daten auch ohne ständige Stromzufuhr speichern. Die Kombination dieser nichtflüchtigen Speicher mit KI-Prozessoren auf einem „System-on-a-Chip“ bietet eine Lösung für die ­Anforderungen moderner KI-Applikationen.

Mikrochips im Netz der Dinge

Basis des Internets der Dinge sind kleine Mikroprozessoren, die in Gegenstände eingebaut sind und über Funk kommunizieren. Über integrierte Sensoren sind diese ­Mini-Computer in der Lage, ihre Umgebung wahr­zunehmen, die Informationen weiterzuverarbeiten und mit ­anderen Objekten oder dem Internet zu teilen.

Das erfordert Mikrocontroller, die auf begrenztem Raum Sensoren, Prozessoren, Speicher, Wi-Fi-Fähigkeit, mikro­elektromechanische Systeme und eine Reihe von ­analogen und digitalen Schaltungen integrieren. Gleichzeitig soll der Stromverbrauch möglichst niedrig sein, da die (größtenteils mobilen) Objekte nicht an ein Stromnetz angeschlossen werden können oder aber ein häufiger Batterietausch zu aufwändig und zu teuer wäre. Beispielsweise wird derzeit überlegt, das heute üblicherweise in integrierten Schaltkreisen verwendete Basismaterial Silizium durch ein neues Halbleitermaterial wie Galliumarsenid zu ersetzen.

Da viele IoT-Geräte zudem raue Umgebungsbedingungen aushalten müssen, stellt der Einsatz hohe Anforderungen an die Robustheit der Halbleiterprodukte, zum Beispiel in puncto Vibration, Temperatur-, Wasser- und/oder Salzresistenz. 

Hohe Leistung für 5G 

Sein volles Potenzial wird das IoT aber erst mit dem ­neuen Mobilfunkstandard 5G ausschöpfen können. Mit ­hoher Bandbreite und Übertragungsqualität sowie geringer ­Latenz stellt 5G in vielen Bereichen die technische Grundlage für den nächsten Entwicklungsschritt des IoT dar. Eine Lösung hierfür bietet Hochfrequenz- und Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC). Diese sogenannten Wide-Bandgap-Halbeiter (WBG) zeichnen sich unter anderem durch eine deutlich höhere Energieeffizienz aus.

Energieeffiziente Leistungselektronik

Zehnmal kleiner als herkömmliche Silizium-Halbleiter können WBG-Halbleiter für die Leistungselektronik gefertigt werden und verlieren bis zu 50 Prozent weniger Wärme. Zudem können Transistoren aus WBG-Halbleitern die Schaltfrequenz gegenüber Silizium-Transistoren um bis zu 500 Prozent steigern. Mit diesen Eigenschaften können SiC- und GaN-Halbleiter in vielen Anwendungsgebieten die steigenden Kundenanforderungen erfüllen – von der Elektromobilität über Fotovoltaik-Wechselrichter bis hin zu Schnellladegeräten. 

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Konsum-Boom meets Lieferengpässe: So lässt sich die aktuelle Situation im Welthandel kurz zusammenfassen. Insbesondere bei der Versorgung mit Halbleiterprodukten traten in den letzten Monaten große Engpässe auf, die zumindest teilweise wohl auch noch bis ins Jahr 2023 andauern werden. 

Halbleiterindustrie erweitert Kapazitäten 

Die Halbleiterindustrie reagierte bereits, erhöhte die Auslastung der vorhandenen Fabriken und steigerte damit das Volumen der produzierten Halbleiterprodukte. Auch wurden spezielle „Kommandozentralen“ eingerichtet, um die dringendsten Kundenanfragen zu bearbeiten und um in enger Zusammenarbeit mit den Kunden Doppelbestellungen zu vermeiden. Mit Erfolg, wie der ­Europäische Verband der Halbleiterindustrie (ESIA) berichtet, denn der weltweite Halbleiterumsatz stieg im Jahr 2021 um 26,2 Prozent gegenüber 2020 an. „Die Rekordzahlen, die der Halbleitermarkt im Jahr 2021 erreicht hat, zeigen, dass die Branche auf das beispiellose Wachstum der weltweiten Halbleiternachfrage reagiert“, erklärt Hendrik Abma, ­Generaldirektor der ESIA. So konnten die Kunden kurzfristig schneller und effizienter mit Produkten beliefert ­werden. Für eine langfristige Sicherung der Versorgung planen die Chiphersteller darüber hinaus, weltweit mit hohen Investitionen neue Produktionskapazitäten zu schaffen.

Kleine Hersteller nutzen ihre Chance

Parallel dazu ist laut der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft Deloitte Global zu beobachten, dass die Risikokapital­investitionen in Halbleiter zunehmen – das betrifft vor ­allem Unternehmen, die neue Arten von Chips herstellen, zum Beispiel mit besonderen Funktionen für ­spezielle ­Anwendungen. Deloitte Global prognostiziert, dass Risiko­kapital-Geber im Jahr 2022 weltweit mehr als sechs ­Milliarden US-Dollar in neu gegründete Halbleiterunternehmen investieren werden. Das ist mehr als dreimal so viel wie in jedem Jahr zwischen 2000 und 2016. Dabei zieht insbesondere RISC-V Investitionen an: Dank dieser Open-Source-Befehlssatzarchitektur für das Chipdesign haben auch kleinere Gerätehersteller die Möglichkeit, kostengünstig Hardware zu bauen. Laut Deloitte Global wird sich der Markt für RISC-V-Prozessorkerne im Jahr 2022 im Vergleich zu 2021 verdoppeln.

„Wir sollten uns nicht auf ein einziges Land oder ein bestimmtes Unternehmen verlassen, um die Versorgungssicherheit zu ­gewährleisten.“ 

Margrethe Vestager, EU-Kommissarin für Wettbewerb und Digitales

Lieferketten resilienter gestalten

Doch nicht nur die Halbleiterindustrie reagiert. Durch den Halbleitermangel ist auch die Abhängigkeit bei der Versorgung mit Halbleiterprodukten von wenigen ­Ländern und Herstellern deutlich zu Tage getreten und hat sowohl Kunden als auch die Politik wachgerüttelt. Seitdem stellt sich allen die Frage, wie die Lieferketten robuster gestaltet werden können. Das neue Schlagwort Resilienz beschreibt in diesem Kontext die Widerstandskraft einer Lieferkette, sich externen Störfaktoren zu widersetzen ­beziehungsweise sich neu ausrichten zu können.

Mehr Chips im eigenen Land produzieren

Um diese Widerstandskraft zu erhöhen, nehmen Regierungen rund um die Welt viel Geld in die Hand. Ihr Fokus liegt dabei insbesondere darauf, mehr Chips im eigenen Land zu produzieren. „Die weltweiten Lieferengpässe zeigen: Deutschland und Europa haben keine Zeit zu verlieren. Wir müssen gemeinsam daran arbeiten, unseren Bedarf an Mikroelektronik selbst zu decken, und die Produktion wieder stärker nach Deutschland und Europa holen. Dafür werden wir Fördermittel in Milliardenhöhe in die Hand nehmen“, so der deutsche Wirtschafts- und Klimaschutzminister
Robert Habeck. „Wir wollen die Chip-Produktion in Deutschland und Europa stärken und unabhän­giger von internationalen Lieferketten ­werden.“ Die Europäische Kommission hat dafür den European Chips Act auf den Weg gebracht: Er soll 43 Milliarden Euro in Form von ­öffentlichen und privaten Investitionen mobilisieren, um künftige Unterbrechungen der Lieferketten zu verhindern. Die Ziele beschreibt der für den Binnenmarkt zuständige Kommissar Thierry Breton so: „Die Sicherung der Versorgung mit den modernsten Chips ist zu einer wirtschaftlichen und geopolitischen Priorität geworden. ­Unsere Ziele sind ehrgeizig, denn bis 2030 wollen wir unseren Marktanteil auf 20 Prozent verdoppeln und in Europa die ausgereiftesten und energieeffizientesten Halbleiter herstellen.“ Auch in den USA passierte unlängst ein vergleichbares Gesetz das Repräsentantenhaus: Es sieht Investitionen in Höhe von insgesamt 52 Milliarden US-Dollar zur Stärkung der heimischen Halbleiterfertigung und -forschung vor.

Beschaffung optimieren

Doch auch die „Verbraucher“ von Halbleitern selbst ergrei­fen zunehmend Maßnahmen, um von ihrer Seite aus die Lieferketten resilienter zu gestalten. Allen voran die ­Automobilindustrie, die besonders unter dem Halbleiterengpass gelitten hat. Die Unternehmensberatung Roland Berger empfiehlt Unternehmen aus der Automobilindustrie und anderen Branchen, die auf Halbleiter angewiesen sind, die Krise aktiv zu adressieren. Hierzu zählen ­technische Maßnahmen wie ein schnellerer Wechsel auf ­einen ­zentralisierten bzw. zonalen Aufbau der ­Fahrzeugelektrik und -elektronik, um so die Anzahl der benötigten Chips zu reduzieren. „Langfristig müssen OEMs und Zulieferer ihre Design-Philosophie anpassen, um mit den dynamischen Kapazitätsveränderungen in der Halbleiterindustrie Schritt zu halten. Die Bewältigung der Krise ­erfordert strategische Maßnahmen“, betont aber Thomas Kirschstein, ­Principal bei Roland Berger. Dabei stellen ­direkte langfristige ­Lieferverträge mit Halbleiterunternehmen, die wechselseitige Kapazitätszusagen und ­Abnahmeverpflichtungen über mehrere Jahre enthalten, einen wichtigen Hebel dar. „Die Lieferketten für ­automobile Halbleiter sind komplex“, sagt Gaurav Gupta, Research Vice ­President bei Gartner. „In den meisten Fällen sind die Chip-Hersteller traditionell Tier-3- oder Tier-4-­Zulieferer der Automobilhersteller, was bedeutet, dass es in der ­Regel eine Weile dauert, bis sie sich an die Veränderungen der Nachfrage auf dem ­Automobilmarkt anpassen. Dieser Mangel an Transparenz in der Lieferkette hat den Wunsch der Automobil-OEMs nach mehr Kontrolle über ihre Halbleiterlieferungen verstärkt.“ So haben zum Beispiel Ford und BMW bereits ­direkt mit Global­foundries Vereinbarungen zur Belieferung mit Chips ­getroffen. „Wir vertiefen unsere Partnerschaft mit den ­Lieferanten an ­wichtigen Stellen im Lieferantennetzwerk und synchronisieren ­unsere Kapazitätsplanung direkt mit den Halbleiterherstellern und -entwicklern. Das ­erhöht die Planungssicherheit und Transparenz über die benötigten ­Mengen für alle Beteiligten und sichert unseren Bedarf langfristig ab“, so Dr.  ­Andreas Wendt, Mitglied des ­Vorstands der BMW AG, verantwortlich für Einkauf und Lieferantennetzwerk. 

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Ford, Toyota und Nissan gehörten Anfang 2021 zu den ersten Autokonzernen, die ihre Produktion aufgrund fehlender Chips drosseln ­mussten. Bald folgten auch andere Autohersteller, ­Produktionsbänder wurden stillgelegt und ganze ­Fabriken kurzfristig ­geschlossen. Jim Farley, CEO von Ford, sprach von dem „größten Versorgungsschock, den er je gesehen hat.“ Doch nicht nur die Automobilindustrie litt – und leidet noch ­immer – unter einem akuten Halbleitermangel: Laut der US-­Investmentbank Goldman Sachs waren weltweit 169 Branchen mehr oder minder stark betroffen – von der Stahlindustrie bis zur Herstellung von Klima­anlagen, selbst bei der Bierproduktion machten sich fehlende Halbleiterprodukte bemerkbar.

Nachfrage übersteigt Angebot

Als offensichtlicher Grund dafür wird oftmals die Covid-19-Pandemie genannt, doch tatsächlich liegen die Ursachen tiefer, wie Michael Alexander, Partner bei Roland Berger, erklärt: „Die Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage von Halbleitern wird immer größer.“ Neben der ­Informations- und Kommunikationstechnik und Unterhaltungselektronik hungern auch die Consumer Electronics nach Chips. Ebenso der Markt der regenerativen Energien kommt ohne Halbleiterprodukte, insbesondere Leistungselek­tronik, nicht aus. So stieg nach Analysen der Roland-Berger-Experten die Chip-Nachfrage von 2020 bis 2022 um 17 Prozent pro Jahr. Die Produktionskapazität wuchs im selben Zeitraum hingegen lediglich um sechs Prozent pro Jahr.Dennoch, Covid-19 spielt eine Rolle: Denn die im Rahmen der Pandemie weltweit verhängten Lockdowns haben die Nachfrage nach Home-Office-Technologie wie PCs oder Webcams exponentiell erhöht. Parallel stornierte die Automotive-Industrie ihre Mikrochip-Bestellungen, da sie von einem deutlich länger andauernden Einbruch der Nachfrage ausging. Als sie aber dann nach ­kurzer Zeit schon wieder anstieg, waren die Produktionskapazitäten der ­Foundries längst von anderen Verbrauchern wie eben der IT- und Smartphone-Branche ausgebucht. „Der Corona-bedingte Digitalisierungsschub in allen Lebensbereichen hat zu einer ­verstärkten Nachfrage nach Halbleitern geführt. Bereits 2020 war die Nachfrage in Bereichen wie ­Mobilfunk, Kommunikations- und Dateninfrastruktur, Computing oder Home Entertainment stark angestiegen“, erklärt Bitkom-Präsident Achim Berg. „So traf der Corona-­bedingte Nachfrageschub mit ­angespannten Lieferketten zusammen. Geopolitische Konflikte ­haben die ­Situation weiter zugespitzt“, so Berg weiter. 

Insbesondere der Handels­krieg ­zwis­chen den USA und China, als Washington Handelsbeschränkungen gegen Chinas größten Chip-Hersteller (Semiconductor Manufacturing International Corporation – SMIC) ­verhängte, führte zu erheblichen Störungen in den ­globalen Halbleiter-Lieferketten. 

Störungen bei der Produktion 

Und als wenn das nicht schon reichte, erlebte Taiwan, der größte und wichtigste Akteur in der Halbleiter­industrie, auch noch die schwerste Dürre seit mehr als einem Jahrhundert. Da für die Chip-Produktion ­große Mengen an hochreinem Wasser benötigt werden, ­führte das zu einem geringeren Output der Foundries. Zusätzlich hat auch noch ein Feuer das Hauptwerk von ­Renesas im japanischen Naka heimgesucht, ein Reinraum und sieben Chip-Fertigungsanlagen wurden ­beschädigt. Laut Bloomberg deckt die Produktion der Fabrik in Naka normalerweise bis zu sechs Prozent des weltweiten Chip-Bedarfs der Autoindustrie. Es kamen also viele Ursachen für den Mangel an Chips zusammen. 

Kapazitäten am Limit

Natürlich reagierte die Halbleiterindustrie: So fuhren die Foundries die Auslastung der Produktion bis ans Limit. Laut der Semiconductor Industry Association (SIA) liegt die vierteljährliche Kapazitätsauslastung der Fabriken seit dem ersten Quartal 2019 deutlich über der „normalen“ Vollauslastungsrate von 80 Prozent. In den letzten Quartalen erreichte sie sogar über 95 Prozent. So konnten zwischen Januar 2020 und Januar 2022 genügend Produktions­kapazitäten aufgebaut werden, um zusätzlich vier Millionen ­Wafer pro Monat herzustellen, was einer Steigerung von über 20 Prozent entspricht. „Die Halbleiterhersteller haben im Jahr 2021 mehr Chips ausgeliefert, aber die Nachfrage der OEMs war weitaus größer als die Produktionskapazi­täten der Hersteller“, so Masatsune Yamaji, Forschungsdirektor bei Gartner. Tatsächlich wurden laut SIA im Jahr 2021 mehr als 1 Billion Halbleiter verkauft, was bei weitem den höchsten Wert aller Zeiten darstellt. 

Aufbau neuer Kapazitäten braucht Jahre

Langfristig lässt sich der Halbleiterengpass aber nur durch den Neubau von Produktionen beheben. So hat die Halbleiterindustrie in 2021 den Bau von 39 ­Fabriken ­angekündigt, mehr als ein Dutzend dieser Projekte sind bereits im Bau. Doch bis eine Halbleiterfabrik in ­Betrieb gehen kann, dauert es mehrere Jahre. „Eine baldige Besserung ist nicht in Sicht. Denn der Engpass hat ­strukturelle Gründe, die in der aktuellen Ausgestaltung der ­Lieferketten liegen“, so Michael Alexander. „Die Knappheit der Chips wird bis in das Jahr 2023 – und wahrscheinlich darüber hinaus – ­bestehen bleiben.“ 

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Prozessoren, Logik-Module und Kommunikations-Bausteine sind heute Alltag in vielen Geräten. Doch kaum jemand macht sich wohl Gedanken, wie komplex der Prozess der Herstellung eines Chips ist: Hunderte von Firmen in dutzenden Ländern sind an Entwicklung, Design und Herstellung beteiligt. Im Durchschnitt reist ein Chip mehrere Male um die Welt, bevor das mikroelektronische Bauteil geliefert werden kann. 

Rasante Entwicklung der ­Chip-Technologie

Diese komplexen Lieferketten sind in den letzten Jahrzehnten als Reaktion auf die immer anspruchsvolleren Technologien entstanden. Seit der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1958 hat sich die Zahl der Transistoren pro Wafer für einen Logikchip um den Faktor 10 Millionen erhöht, was zu einer 100.000-fachen Steigerung der Prozessorgeschwindigkeit geführt hat. Gepaart mit technischen Innovationen zum Beispiel im Bereich der Packaging- und Materialtechnologien konnten so Geräte mit exponentiell höherer Rechenleistung in immer kleineren Formfaktoren entwickelt werden. Zur Veranschaulichung: Die heutigen Smartphones haben mehr Rechenleistung als die Großrechner, mit denen die NASA 1969 Apollo 11 zum Mond ­schickte. Sie enthalten auch mehr Speicherplatz als ein Server in ­einem Rechenzentrum im Jahr 2010. 

Verschiedene Regionen, verschiedene ­Aufgaben

Diese beeindruckende Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie war und ist nur mit viel Know-how und erheblichen Investitionen möglich: Laut ZVEI investiert die Branche rund 22 Prozent des jährlichen Umsatzes in Forschung und Entwicklung – mehr als jeder andere Industriezweig. Die Antwort der Branche darauf ist Aufgabenteilung. ­Dabei hat sich eine Lieferketten-Struktur herauskristallisiert, bei der verschiedene Regionen ­besonders stark in bestimmten Aufgaben sind: Die USA sind zum Beispiel führend bei den F&E-intensivsten Aktivitäten – wie der elek­tronischen Designautomatisierung, dem Chipdesign und der ­Fertigungstechnologie. Ostasien dagegen ist führend in der Wafer-Fertigung. China ist führend in den Bereichen Montage, Packaging und Testing, die weniger hochqualifizierte Fachkräfte und auch weni­ger Kapital erfordern. Alle Länder sind in dieser integrierten globalen Lieferkette voneinander abhängig und verlassen sich auf den freien Handel, um Materialien, Ausrüstungen, geistiges Eigentum und Produkte rund um die Welt an den für die Ausführung der jeweiligen Tätigkeit optimalen Ort zu bringen. Diese globale Arbeitsteilung schafft einen enormen Wert: Nach einer Studie der Boston Consulting Group würde der Aufbau ­einer ­geschlossenen Wertschöpfungskette in einer einzelnen ­Region Investitionen in Höhe von rund 1 Billion Euro erfordern und zu einer deutlichen Verteuerung der Mikroelektronik in der Größenordnung von 35 bis 65 Prozent führen.

Spezialisierung führt zu Risiken

Die geografische Spezialisierung hat zwar zu mehr ­Effizienz geführt, sie schafft aber auch Risiken. Laut einer von SIA und der Boston Consulting Group durchgeführten Studie gibt es in der gesamten Lieferkette mehr als 50 Tätig­keiten, an ­denen eine Region mehr als 65 Prozent des Weltmarktanteils hält. Etwa 75 Prozent der Halbleiter-Produktionskapazi­täten sowie viele Lieferanten von Schlüsselmaterialien – wie Sili­ziumwafern, Fotolack und anderen Spezialchemikalien – sind in China und Ostasien konzentriert. Darüber hinaus befinden sich die weltweit modernsten Produktionskapazitäten – mit Chip-Größen unter 10 Nanometern – derzeit in Südkorea (8 Prozent) und Taiwan (92 Prozent). ­Sollte es in einem dieser Länder zu Störungen kommen – zum Beispiel durch Naturkatastrophen oder politische ­Konflikte – würde das zu schwerwiegenden Unterbrechungen in der weltweiten Versorgung mit Chips führen.

Übernahmen verändern die Chip-­Landschaft

Auch bei den Unternehmen der Halbleiterbranche selbst führten die immer höheren Anforderungen an die Chip-Technologie und die damit verbundenen immensen Investitionen in den letzten Jahren zu einer starken Konsolidierung. Heute wird jedes Segment entlang der Lieferkette – von der Chip-Entwicklung über die Hersteller von ­Fertigungstechnologie bis hin zu den Chip-Herstellern selbst – von einigen wenigen Unternehmen dominiert. So gab es Anfang der 2000er-Jahre noch 25 Unternehmen, die in der Lage waren, die zu diesem Zeitpunkt modernsten Chips zu fertigen. Heute sind es nur noch drei Unternehmen, die über die entsprechenden Fähigkeiten und Technologien in der Produktion verfügen. Bei den für die Halbleiterfertigung benötigten Maschinen und Anlagen teilen sich ein niederländisches, ein japanisches und drei US-Unternehmen mehr als zwei Drittel der Umsätze.

IoT als neuer Treiber

Gerade das IoT hat das Potenzial, die Halbleiterindustrie noch einmal spürbar zu verändern: Dieser Markt ­erfordert die unterschiedlichsten Chips – unter anderem für die Cloud-Integration und Konnektivität, für Datenverarbeitung oder Sensorik. Das Moore’sche Gesetz, das die Steigerung der Leistungsgeschwindigkeit und den Rückgang der Kosten für Chips vorhersagte, wird dabei immer weniger relevant. Bei IoT-Chips rücken dagegen Faktoren wie Stromverbrauch, Baugröße, Software und Konfigurier­barkeit in den Vordergrund. Die große Vielfalt unterschiedlicher Applikationen, für die IoT-Chips entwickelt werden müssen, hat zu einer Vielzahl von neuen Unternehmen in der Halbleiterindustrie geführt. Ihr Vorteil: Sie profitieren von den in den letzten Jahrzehnten geschaffenen Strukturen in der Halbleiterbranche. Sie können sich auf die Entwicklung neuer Chips konzentrieren, für deren Produktion aber auf die vorhandenen Fertigungskapazitäten der Spezialisten zurückgreifen – der Investitionsaufwand hält sich also in Grenzen. Das schafft Spielraum für viele ­innovative Ideen und verändert die Wettbewerbsdynamik in der ­Branche noch einmal komplett. 

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In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat es das Hightech-Netzwerk Silicon Saxony geschafft, rund um Dresden Europas größten Mikroelektronik-Standort aufzubauen. Globalfoundries, Infineon und Bosch betreiben dort einige der modernsten und größten Halbleiter-Fabs weltweit. Damit könnte die Region ein gutes Vorbild für Europa sein, wie man hierzulande erfolgreich ein Halbleiter-Ökosystem aufbauen kann. Yvonne Keil, Mitglied des Vorstands von Silicon Saxony, ist überzeugt, dass sich so ein Engagement lohnt. Als ­Director Global Indirect Procurement ist Keil bei ­Globalfoundries unter anderem verantwortlich für den Bau neuer Produktionsstätten und mahnt an, dass Investitionen differenziert erfolgen müssen.

Frau Keil, wie kamen Sie überhaupt zur Halbleiterindustrie?

Yvonne Keil: Mit 16 habe ich ein Praktikum in einem Halbleiterunternehmen absolviert. Ich stand da in dieser riesigen, vollautomatisierten Fabrik mit ihrem komplexen Herstellungsprozess, bei der am Ende dieser kleine Chip herauskommt. Das fand ich faszinierend, hier wollte ich arbeiten. Ich studierte also Halbleiter- und Elektrotechnik und machte mich auf den Weg. 

Welche Technologie-Entwicklungen aus dem Bereich der Halbleiter finden Sie aktuell besonders spannend?

Y. K.: Das Spannendste ist für mich im Moment, dass Halbleitertechnologie überall im Leben eines jeden Menschen zu finden ist. Wenn Sie Auto fahren, sind da ­Hunderte von Chips darin – und wenn man für einen Halbleiterhersteller arbeitet, war man höchstwahrscheinlich an der Produktion einiger davon beteiligt. Oder man schaut sein mobiles Gerät an und denkt – hey, den Display-Chip habe ich mitentwickelt. Oder wenn man mit seinen Lieben und Freunden auf der ganzen Welt in Verbindung treten will – überall sind Halbleiter Teil des täglichen Lebens. Das fasziniert mich wirklich.

„Halbleiter sind überall und sie sind unverzichtbar.“

Was macht Halbleiter aus Ihrer Sicht so wertvoll? 

Y. K.: Um die Herausforderungen der kommenden Generationen und die, mit denen wir heute bereits konfrontiert werden, zu bewältigen, brauchen wir die Halbleitertechnologie. Wenn ich darüber nachdenke, wie ich meinen CO₂-Fußabdruck verringern und meine Lebensweise nachhaltiger gestalten kann, muss ich über ein neues Konzept des Energiemanagements und der Energieerzeugung nachdenken – dazu gehören dann fast zwangsläufig Mikrochips. Wenn man über neue Mobilitätskonzepte für Städte nachdenkt und darüber, wie man Autos verbessern kann – dann sind Halbleiter ein Teil davon. Daher haben Halbleiter heute so einen hohen Wert für uns.

Würden Sie der Aussage zustimmen, dass Mikrochips das neue Erdöl sind – also der Motor für die Volkswirtschaften?

Y. K.: Das passt ganz gut, denke ich. Halbleiter sind überall und sie sind unverzichtbar. Wichtig dabei: Es gibt nicht den einen Halbleiter. Man braucht nicht nur Zwei- oder Fünf-Nanometer-Chips. Sondern man benötigt für all die verschiedenen Aspekte des Lebens, in denen Halbleiterprodukte eingesetzt werden, sehr differenzierte Lösungen. 

Halbleiter werden zunehmend zu einem politischen Thema – was bedeutet das für die Industrie? 

Y. K.: Grundsätzlich gilt, dass die Chip-Herstellung komplex ist und die Märkte wachsen. In den vergangenen Jahren wurden die Investitionen nicht mehr in dem Maße getätigt, wie sie wahrscheinlich nötig gewesen wären, um auf die wachsende Nachfrage vorbereitet zu sein. Aber mit dem, sagen wir mal, Beschleuniger COVID-19 stehen wir vor einer neuen Geschwindigkeit der Digitalisierung. Regierungen erkennen jetzt, dass sie in die Fertigung mitinvestieren müssen, um ihre heimischen Kapazitäten zu sichern und ihre Industrien und Volkswirtschaften zu unterstützen. Das ist ein deutlicher Mentalitätswandel. Chips sind ganz klar ein Teil jeder Industrie, und das wird jetzt erkannt.

Was ist aus Ihrer Sicht erforderlich, um einen Engpass bei HalbleiterProdukten in Zukunft zu vermeiden?

Y. K.: Das, was nötig ist, ist bereits in Gang gesetzt: Wir haben in der Halbleiterindustrie begonnen, die Kapazitäten zu erhöhen und nehmen dazu erhebliche Investitionen vor. Zum Beispiel investiert Globalfoundries in eine neue Fab in Singapur und baut auch die Standorte in Dresden und den Vereinigten Staaten weiter aus. Auf der anderen ­Seite hat die Politik erkannt, dass die Halbleiterindustrie entscheidend für die Zukunft ist, und wir brauchen Rückenwind durch neue wirksame Instrumente wie den European Chips Act. Diese müssen aber auch schnell eingesetzt werden, damit die Unternehmen das klare ­Signal für weitere Investitionen bekommen. 

Reicht es denn, dazu einfach neue Fabriken zu bauen?

Y. K.: Nein, das reicht nicht. Auch das gesamte Ökosystem drumherum muss ausgebaut werden. Das bedeutet, dass auch unsere Zulieferer investieren und ihre Kapazitäten ausbauen müssen. Und natürlich müssen auch die Fachkräfte verfügbar sein, um das Wachstum zu unterstützen.

Hat die Politik in der Vergangenheit geschlafen und nicht die nötigen Maßnahmen ergriffen, um die Chip-Lieferketten zu sichern?

Y. K.: Es liegt eher daran, dass die Nachfrage nach Halbleitern wesentlich schneller gestiegen ist, als man vorhersehen konnte. Da war COVID-19 ganz klar ein Beschleuniger. Damit haben wir die nächste Stufe der Digitalisierung viel schneller erreicht, als erwartet wurde. Aber jetzt muss auch die Politik entsprechend schnell reagieren, um nicht den Anschluss zu verlieren. 

Was kann die Politik tun, um die Halbleiter­­Industrie wieder zurück nach Europa zu holen?

Y. K.: Mit dem IPCEI Instrument, dem European Chips Act oder dem US Chips Act hat die Politik richtige und wichtige Schritte gemacht. Aber: Es ist genauso wichtig, in die richtige Technologie zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu investieren. Und man muss genau überlegen, in welche Technologiefelder ganz konkret investiert wird. Denn wie ich schon gesagt habe – es gibt nicht den einen richtigen Weg und die eine richtige Technologie, sondern es gibt in der Halbleiterindustrie viele Anforderungen. Wir brauchen deshalb eine Vielzahl von innovativen und differenzierten Lösungen für viele unterschiedliche Anwendungen und Erfordernisse, um erfolgreich zu sein.

Wie ist denn Ihre persönliche Meinung zum European Chips Act?

Y. K.: Es ist der richtige Schritt nach vorn. Unsere Regierung und die Europäische Kommission unterstreichen damit, dass die Halbleiterindustrie unverzichtbar ist und dass die Politik sie unterstützen will. Aber die Investitionen und Finanzierungen müssen in die richtigen Technologien, am richtigen Ort und im richtigen Tempo getätigt werden.

Was könnten dabei Hindernisse sein?

Y. K.: Es geht vor allem um Geschwindigkeit. Die entsprechenden Entscheidungen müssen sehr schnell getroffen und konsequent umgesetzt werden.

Wie kam es dazu, dass die Region rund um Dresden zu einem der größten Mikroelektronik- und IT-Cluster Europas geworden ist?

Y. K.: Die richtigen Leute waren entscheidend. Dresden war ja bereits zu DDR-Zeiten ein Zentrum für Mikroelektronik. Als nach der Wiedervereinigung die ersten Halbleiterfirmen nach einem Standort suchten, war Dresden einfach die Stadt mit den entsprechenden Fachkräften, den richtigen Leuten mit den richtigen Fähigkeiten. Im Laufe der Jahre, und wir sprechen inzwischen von 60 Jahren Halbleiterindustrie in Dresden, haben wir rundherum ein ganzes Ökosystem aufgebaut. Das profitiert eindeutig von der richtigen Mischung aus technologischen Lehr- und Forschungskapazitäten – wir arbeiten eng mit Universitäten und zum Beispiel den Fraunhofer-Instituten zusammen –, von großen Playern wie auch kleineren Zulieferern der Halbleiterindustrie und von Firmen aus der Softwarebranche. Diese Mischung hat das Cluster so erfolgreich gemacht.

Was unterscheidet Silicon Saxony von anderen Initiativen in diesem Bereich? 

Y. K.: Angefangen hat alles in den 90er-Jahren mit einer Initiative „von unten“, sprich: der Zulieferindustrie. Ziel war es, zusammen mit der ersten Halbleiterfabrik in Dresden, das in Sachsen vorhandene Halbleiter-Ökosystem sichtbarer zu machen. Der große Unterschied zu anderen Organisationen in diesem Bereich ist, dass wir eine zu einhundert Prozent privat finanzierte Initiative sind – die Finanzierung erfolgt also ausschließlich durch die Halbleiterindustrie und ihre Zulieferer. Natürlich arbeiten wir dabei auch eng mit der Regierung zusammen. 

„Die verschiedenen Aspekte des Lebens erfordern entsprechend­ differenzierte Halbleiter­lösungen.“

Wie sieht es mit dem Nachwuchs an Fachkräften bei Ihnen aus? 

Y. K.: Wir alle brauchen sie! Wir arbeiten in einer sehr, sehr interessanten Branche, die Experten und Spezialisten in vielen Bereichen benötigt. Wir brauchen Technikerinnen und Techniker für den Betrieb großer Fabs genauso wie Fachleute in der Technologieentwicklung oder IT-Experten. Es geht darum, die nächste Generation für die kommenden Herausforderungen fit zu machen.

Was würden Sie denn einem Jugendlichen sagen, warum er eine Karriere in der Halbleiterindustrie anstreben sollte?

Y. K.: Die Halbleiterindustrie ist wirklich faszinierend – auch, weil sie einem als jungem Menschen so viele Möglichkeiten bietet. Ich zum Beispiel habe in meinen 18 Berufsjahren bereits als Automatisierungsingenieurin gearbeitet, war dann verantwortlich für die Qualitäts­sicherung in der Produktion und bin heute in der Beschaffung tätig. Es gibt so viele Bereiche bei der Herstellung von Halbleiterprodukten  … Es ist einfach großartig, ein Teil ­davon zu sein.

Was genau macht das so großartig?

Y. K.: Man kann die Welt durch Technologie verbessern. Und die Leidenschaft für Technologie verbindet Menschen und Kulturen weltweit miteinander. 

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Früher war Öl das Lebenselixier der Volkswirtschaften weltweit. Mit der zunehmend voranschreitenden Digitalisierung übernehmen Halbleiter immer mehr diese Rolle. „Mikroelektronik ist eine Schlüsseltechnologie im digitalen Zeitalter und Halbleiter sind die Basis für fast alle künftigen digitalen Technologien“, sagt Bitkom-Präsident Achim Berg. Mikrochips bilden die miniaturisierten ­Kernstücke komplexer elektronischer Schaltungen. Von der industriellen Produktion über die Medizintechnik bis hin zum vollautomatisierten Fahren – ohne Halbleiter geht kaum noch etwas. Auch den privaten Bereich haben Prozessoren und Speicherchips längst erobert: Sie sitzen in Smartphones, Küchengeräten, Fernsehern oder auch in Kreditkarten und Reisepässen. Von Chips älterer Bauart, die immer noch in vielen Anwendungen verwendet werden, bis hin zu High-End-Chips, die für Spitzenprodukte wie PCs und Smartphones benötigt werden, sind Halbleiter essenzielle Bauteile in allen elektronischen Geräten. Allein im Jahr 2021 wurden laut den auf den Halbleitermarkt spezialisierten Analysten von IC Insights 1,1353 Billionen Halbleitereinheiten ausgeliefert. 

Rasante Entwicklung

Dabei hat die Halbleitertechnologie in den letzten fünf Jahrzehnten eine rasante Entwicklung durchlaufen. Die Apollo-Mondlandefähre verwendete bei der Mondmission 1969 einige zehntausend Transistoren mit einem Gesamtgewicht von etwa 30 Kilogramm. Zum Vergleich: IBM stellte in 2021 neue Halbleiterchips mit den kleinsten jemals hergestellten Transistoren vor. Mit dem neuen ­2-Nanometer-Transistor kann das Unternehmen 50 Milliarden Transistoren auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels unterbringen – 2 Nanometer sind schmaler als ein Strang der menschlichen DNA. 

Nachfrage deutlich größer als Angebot

Wie abhängig die globale Wirtschaft inzwischen von diesen kleinen Elektronikelementen ist, zeigen die ­Lieferengpässe, die seit Ende 2020 die Wirtschaft ausbremsen. Neue Smartphones kamen verspätet auf den Markt, Industrieroboter, Notebooks und selbst Spielekonsolen waren nur schwer erhältlich. Besonders die Automobilindustrie war betroffen: In Autofabriken standen Produktionsbänder still, Mitarbeiter wurden in Kurzarbeit geschickt. Laut dem Beratungsunternehmen AlixPartners hat die globale Automobilindustrie im Jahr 2021 rund 210 Milliarden US-Dollar an ­Umsatz wegen des Halbleitermangels verloren. Bitkom-Präsident Achim Berg: „Der anhaltende Chip-Mangel ist ein Risiko für die gesamte Wirtschaft, gerade auch in Europa und Deutschland.“ 

Dabei wird die Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage von Halbleitern immer größer, wie Michael Alexander, Partner bei Roland Berger, erläutert: „Eine baldige Besserung ist nicht in Sicht. Denn der Engpass hat strukturelle Gründe, die in der aktuellen Ausgestaltung der Lieferketten liegen. Die Knappheit der Chips wird bis in das Jahr 2023 – und wahrscheinlich darüber hinaus – bestehen bleiben.“

Langwierige Produktion

Die Herstellung von Chips ist langwierig und komplex – vom Design über die Produktionsanlage, Chemikalien, Fertigung und Verpackung kann kein Land allein modernste Halbleiter produzieren. Um ein Halbleiter-Bauelement herzustellen, wird zunächst ein monokristalliner Halbleiterrohling, ein sogenannter Ingot, gesägt, geschliffen und poliert, um ihn in eine dünne Form zu bringen. Anschließend werden auf diesem Wafer nach und nach diverse isolierende oder leitende Schichten erzeugt, die jeweils mit sogenannten lithografischen Verfahren strukturiert werden. Ganz zum Schluss werden die Wafer metallisiert, so dass Strom fließen kann und sie kontaktiert werden können. So entstehen auf einem Wafer integrierte Schaltungen mit Leiterbahnen für eine große Zahl von Bauteilen parallel. Abschließend werden die ICs vereinzelt und in ein Gehäuse eingebracht. Während des gesamten Prozesses wie auch am Ende werden die Arbeitsgänge immer wieder überprüft und die Qualität der ICs und Chips
getestet.

Komplexe Wertschöpfungskette

Der Herstellungsprozess eines einzigen Halbleiterprodukts kann rund zwei Monate dauern und umfasst rund 700 Einzelschritte, so Hagen-Holger Apel, Senior Client Portfolio Manager bei DNB AM: „Dabei müssen mehr als 70-mal internationale Grenzen überquert werden, bevor ein Endverbraucher-Kunde erreicht wird. Ein in den USA ansässiges Halbleiterunternehmen kann weltweit bis zu 16.000 Zulieferer haben.“ Diese komplexe Struktur ist das Ergebnis einer jahrzehntelangen Optimierung der Wertschöpfungskette hinsichtlich Fähigkeiten und Kosten. Aber sie macht die Halbleiterindustrie auch sehr empfindlich gegenüber Störungen in der Lieferkette. 

In 2020 kamen gleich verschiedene Faktoren zusammen, die diese Struktur getroffen hat: Versorgungsengpässe bei Rohstofflieferanten, geopolitische Spannungen zwischen China und den USA sowie ein durch die Corona-­Pandemie verzerrter Markt. „Die aktuellen Liefer­engpässen sind ein Anlass, einseitige Abhängigkeiten zu hinterfragen und die Ausgangsposition im globalen Wettbewerb um digitale ­Technologien zu verbessern“, sagt Bitkom-Präsident Achim Berg. 

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