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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Gleich ob Laser, Bildschirme, Rechner oder optische Speicher, sie alle setzen auf Bauteile, die Optik und Halbleiterelektronik miteinander kombinieren. Die Technologie zur Erzeugung, Erfassung und Steuerung von Licht – die Optoelektronik – wird heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. 

Die augenfälligsten optoelektronischen Bauteile sind dabei sicherlich Leuchtdioden (LED): Sie haben sich aufgrund ihrer Energie­effizienz nicht nur in der Gebäudebeleuchtung durchgesetzt, sondern sind auch in hochauflösenden ­Displays von Smartphones, in Fernsehgeräten, bei der Automobilbeleuchtung in der Telekommunikationsbranche oder in der industriellen Fertigung zu finden. Eine LED ist ein Halbleiterbauelement, das Licht abgibt, wenn es von elektrischem Strom durchflossen wird. 

Auch wenn die großen Entwicklungssprünge in der LED-Technologie bereits gemacht wurden, so steckt immer noch Innovationspotenzial in der Technologie. So haben zum Beispiel Chemiker der Universität Jena eine fluoreszierende Aluminiumverbindung entdeckt, die die höchste bisher bekannte Quantenausbeute aufweist: Für nahezu jedes Lichtteilchen, das darauf einstrahlt, wird eines von der Substanz abgestrahlt. Davon könnte die LED-Technik profitieren. „Der bisherige Rekord für Aluminiumverbindungen liegt bei rund 70 Prozent“, erläutert Robert Kretschmer, Juniorprofessor für Anorganische Chemie der Katalyse der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Das heißt, dass bei dieser Quantenausbeute bei zehn eingestrahlten Lichtteilchen von der Substanz sieben neue ausgesendet werden. Bei unserer Verbindung wird aber fast jedes Lichtteilchen in ein neues umgewandelt.“ 

Desinfizieren mit Licht

Durch die COVID-19-Pandemie erfuhr ein Sektor der LED-Technologie besondere Aufmerksamkeit: Mit LEDs, die ­ultraviolette (UV) Strahlung emittieren, lassen sich Oberflächen, Luft und Wasser schnell, umweltschonend und ohne Chemikalien desinfizieren. Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), hat zum Beispiel UV-LED-basierte Bestrahlungssysteme entwickelt, die künftig multiresistente Krankheitserreger wie MRSA und Coronaviren wie SARS-CoV-2 direkt am Menschen hautverträglich inaktivieren können. Die Systeme sind mit jeweils 120 Leuchtdioden ausgestattet, die Licht mit einer Wellenlänge von 233 Nanometer emittieren. Dank einer ­optimierten Halbleiterepitaxie und Chip-Prozesstechnologie lassen sich diese Leuchtdioden der neuesten Generation mit doppelt so hohen Strömen wie bisher betreiben – sie liefern mehr als 3 Milliwatt Ausgangsleistung bei 200 Milliampere.

Neue Technologie für Displays

Auch in der Optoelektronik liegt Miniaturisierung im Trend: Beispiel Micro-LEDs. Sie sind weniger als 50 Mikrometer groß und reduzieren den Platzbedarf für die Erzeugung von Pixeln erheblich. Laut den Marktanalysten von MarketsAndMarkets soll der Markt für Micro-LEDs im Jahr 2027 21.169 Millionen US-Dollar erreichen – das entspricht einem jährlichen Wachstum von 81,5 Prozent zwischen 2021 und 2027.

Durch die Kombination von roten, grünen und blauen (RGB) Micro-LEDs können vollfarbige Mikrodisplays erzeugt werden. ­Gegenüber der aktuellen Display-Technologie bieten Micro-LEDs eine höhere Pixeldichte, eine längere Lebensdauer, mehr Helligkeit, eine höhere Schaltgeschwindigkeit und ein breiteres Farbspektrum. Ganz besonders zeichnet sich die Micro-LED zudem durch ihren sehr geringen Energieverbrauch aus – ein Umstand, der sie besonders für kommende Generationen kleiner Mobilgeräte mit wenig Platz für Batterien geradezu prädestiniert.

Wie herkömmliche LED werden auch Micro-LED im MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) gefertigt: Die Halbleiter werden – atomare Schicht für atomare Schicht und dabei atomlagendünn – auf das Trägermaterial aufgebracht. Allerdings sind die ­Anforderungen an den Produktionsprozess um ein Viel­faches höher. 

Licht aus Silizium

Die Königsdisziplin der Optoelektronik ist es allerdings, ­Silizium und Photonik direkt zu kombinieren: So könnten zukünftige Mikrochips Signale und Informationen nicht mehr über Strom, sondern über Lichtimpulse übertragen – die keine Abwärme erzeugen und eine deutlich schnellere Datenübertragung ermöglichen würden. Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, lichtemittierende Bauteile aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. Silizium, das Arbeitspferd der Chip-Industrie, kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Form ist es für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet.

Forschern der Technischen Universität Eindhoven ist es jetzt aber gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen. „Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München. „Wenn wir die elektronische Kommunikation auf einem Chip und von Chip zu Chip optisch erledigen können, so kann das die Geschwindigkeit um einen Faktor von bis zu 1.000 erhöhen, sagt Jonathan Finley. „Darüber hinaus könnten durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität ­dramatisch günstiger werden.“ 

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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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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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Die Halbleiterindustrie kommt derzeit kaum nach, die ­große Nachfrage nach Halbleiterprodukten zu stillen. Eine Ausweitung der Produktionskapazitäten wird zwar bereits angegangen, aber erst in einigen Jahren ­Wirkung zeigen. Daher fordern Branchen-Experten parallel dazu, die Lieferketten zu optimieren und resilienter zu ­gestalten. Wie das aussehen kann und was ein Distributor wie EBV ­Elektronik dazu beitragen kann, erklärt Thorsten Eyle. Er leitet bei EBV Elektronik den neuen Geschäftsbereich LogOn, mit dem der Halbleiter-Distributor die verschiedensten Logistik-Services für seine Kunden bündelt. 

Was genau ist LogOn eigentlich?

Thorsten Eyle: LogOn – die Kurzform für Logistics Only – ist ein Beispiel für die Innovation bei EBV Elektronik. Als eigene „Sales Region“ sind wir die Spezialisten bei EBV für komplexe Logistik und Fulfillment-Kunden. Wir haben ­LogOn aufgrund der Veränderungen und Entwicklungen im Distributionsgeschäft gegründet: Wir waren bis dato rund 50 Jahre als reiner Demand Creation Distributor im Markt bekannt. Doch in den letzten Jahren haben sich ­immer mehr Hersteller entschieden, die Demand Creation selbst direkt mit dem Kunden zu machen. Das müssen wir natürlich akzeptieren, sehen darin aber auch eine Chance, die wir mit LogOn ergriffen haben. Hersteller und Kunden benötigen am Ende einen Partner für die reine Logistik und die damit verbundenen Dienstleistungen – und den finden sie jetzt bei uns.

Was braucht man – neben einer höheren Produktion – um die Halbleiter-Liefer­ketten unempfindlicher zu machen?

T. E.: Dafür ist eine komplette Transparenz beim Daten­austausch in elektronischer Form unerlässlich. ­Zudem muss der Kunde langfristiger agieren – eine Auftrags­erteilung der Kunden über einen Zeitraum von größer zwölf Monaten bietet deutlich mehr Planungssicherheit. Aber auch Langzeit-Vereinbarungen über einen Zeitraum von drei Jahren in der Dreiecksbeziehung Kunde, ­Hersteller und LogOn mit einem fixierten Mengengerüst beziehungsweise einer Kapazitätsreservierung können eine Lösung sein.

Eine scheinbar logische Konsequenz ­wä­ren auch Pufferlager für HalbleiterProdukte … 

T. E.: Wir nennen diese Art von Pufferlager „Security Stock“. Das heißt, wann immer es beim Kunden zu einer Line-down-Situation kommt, kann er auf die Ware zurückgreifen und die Produktion fortführen.

Ist das überhaupt so ohne weiteres ­möglich – angeblich können Halbleiter doch nicht unbegrenzt gelagert werden? 

T. E.: Die meisten Kunden haben ein Datecode-Limit von zwölf Monaten hinterlegt … Aber natürlich kann die Ware auch darüber hinaus verwendet werden. In unserem ­Lager haben wir darüber hinaus das FIFO-Prinzip realisiert, das heißt, die Ware „dreht“ sich permanent. Ab ­Sommer 2022 bieten wir bei EBV Elektronik zudem gemeinsam mit ­unserem Schwesterunternehmen Avnet Logistics in Poing Long-Term-Storage an: Das Konzept erlaubt eine Bevorratung von bis zu zehn Jahren.

Hat EBV Elektronik ein eigenes Lager für HalbleiterProdukte? 

T. E.: EBV Elektronik bezieht alle Waren komplett aus dem eigenen Lager Poing bei München – und damit auch LogOn.

Welche Services gehören noch zum LogOn-Angebot?

T. E.: Wir bieten sämtliche Logis­tik­­leistungen an, die der Kunde von EBV Elektronik kennt. Dazu gehören zum Beispiel das Pufferlager, ­Forecast Management, ­End-of-Line-Logistik und Langzeit-Einlagerung, Labelling und Programmierung. Dazu haben wir eine eigene Preisliste für Zusatzleistungen, bei der der Kunde ganz individuell auswählen kann, was er an zusätzlicher Logistik benötigt.

Und im Zusammenhang mit unserem Storage-Angebot ­bieten wir auch ein Peak Management. Dabei bevor­raten wir einen bestimmten Prozentsatz der Jahresmenge der benötigten A-Teile. Die Menge wird gemeinsam mit dem Kunden definiert. Im Rahmen des Peak Managements nutzt der Kunde unser Lager, um Bedarfsspitzen aus­zugleichen. Teilweise stellt er die Ware auch seinen Dienstleistern zur Verfügung, um einen Produktionsstopp zu verhindern.

Wie kommt das Service-Angebot von ­LogOn an? Anders gefragt: Wie laufen die ­Geschäfte?

T. E.: Von 2020 auf 2021 konnten wir das Ergebnis verdoppeln – dank der neuen Lösungen wie SPOC und TAM to DTAM. Für 2022 sehen wir bislang gute Chancen um weitere 30 Prozent zu wachsen.

Was ist unter SPOC und TAM to DTAM zu ­verstehen?

T. E.: Es gibt Kunden, die nur mit Auftragsfertigern, den sogenannten EMS, arbeiten. Sie haben dabei keine Transparenz, welche Mengen der EMS bei welchem Lieferanten bestellt hat. SPOC – was Single Point Of Contact heißt – ist dafür eine Alternative: Alle Bestücker werden projekt­bezogen via LogOn bedient. Das heißt, wir bündeln die Bedarfe der Fertiger unter dem LogOn-Dach mit entsprechenden Vorteilen bei der Warenverteilung nach Vorgabe und Priorität des Endkunden. 

Dank SPOC interagieren LogOn-Kunden also nur mit einer einzigen Anlaufstelle, über die sie vollständige Trans­parenz und ständige Aktualisierungen erhalten. Sie ­müssen sich nicht mehr mit zahlreichen Ansprechpartnern an verschiedenen Standorten auseinandersetzen oder unein­heitliche Informationen aus verschiedenen Quellen ­erhalten. Alles wird in einer gestrafften und ­kohärenten Art und Weise bereitgestellt, die den Entscheidungs­prozess erleichtert und zur Steigerung der Effizienz ­beiträgt. Kurz gesagt, sie können das ­Management der Lieferketten ihrer EMS-Partner ­abgeben und damit ihre eigenen Beschaffungsabteilungen deutlich entlasten.

Und was bedeutet TAM to DTAM?

T. E.: Viele Hersteller stehen in einer direkten Geschäfts­beziehung zum Kunden. Wenn sie das aber aus logistischer Sicht nicht mehr bewältigen können, können wir sie unterstützen: Mit TAM to DTAM – also Total ­Available ­Market to Distribution Total Available Market – können sie ihr ­Direktgeschäft zu uns zu transferieren. LogOn hat dazu ein Setup erstellt, bei dem sowohl Kunden als auch Hersteller 100 Prozent Transparenz erhalten. Das ­gesamte TAM-to-DTAM-Konzept haben wir dazu elektronisch ­umgesetzt, um dem Anspruch der Digitalisierung gerecht zu werden. Am Ende entlasten wir damit auch den Hersteller, denn er kann sich auf seine Kernkom­petenz – die Herstellung der Bauteile – konzentrieren und wir übernehmen die Supply Chain für ihn.

„Hersteller und Kunden benötigen am Ende einen Partner für die reine ­Logistik und die damit verbundenen Dienstleistungen – und den finden sie jetzt bei uns.“

Kann das LogOn-Modell denn ­tatsächlich zur Entspannung der Supply Chain ­bei­tragen?

T. E.: Mit unserer systemischen Umsetzung auf jeden Fall, zumindest was die Zuteilung der Ware angeht. ­Zudem ­ermöglichen die fortschrittlichen Tools, die unser Team einsetzt, eine weitaus genauere Vorhersage des künftigen Komponentenbedarfs. Mögliche Risiken von Engpässen können erkannt und angegangen werden, bevor sie ­problematisch werden. Darüber hinaus bedeutet die semi-dynamische Überwachung der Verbrauchsmengen, dass notwendige Änderungen der Bestandsmengen frühzeitig vorgenommen werden können.

Wenn wir uns aber die letzten zwei Jahre ansehen, ­müssen wir auch ehrlich sein: Wenn einfach zu wenig produziert wird, kann auch LogOn nichts machen.

Zum Schluss noch die Frage, die wohl viele Firmen – und Verbraucher – interessiert: Wie lange werden Halbleiter noch ­Mangelware sein?

T. E.: Das ist in der Tat die Frage die uns alle beschäftigt. Ich glaube es wird bis 2023 dauern. Die ­Begründung liegt auf der Hand: Weltweit steigen die ­Bedarfe pro Jahr – und das in allen Bereichen, vom Automotive Sektor bis zu den ­Consumer Electronics. Gleichzeitig werden die ­erweiterten Produktionskapazitäten erst 2023 Wirkung zeigen. 

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Das Agentur-Team aus Kreativen, Fachredakteuren und Designern erstellt das redaktionelle und visuelle Konzept für jede Ausgabe, schreibt alle Artikel, managet Interviews und gestaltet das Magazin, die App sowie diese Online-Plattform.

Gemeinsam haben EBV Elektronik und die Agentur IndustryAgents bereits mehr als 20 Ausgaben des TQ-Magazins umgesetzt. Unter anderem zu den Themen: Robotics, IoT, Wireless Connectivity, Artificial Intelligence, Digital Motor Control, Autonomous Driving, Edge Computing, Smart Cities, LEDs, Industry 4.0 sowie die Sonderausgabe Passion for Technology.

Das Magazin „The Quintessence“ wurde für seine hochwertige Redaktion und das kreative Design bereits mit 13 Awards ausgezeichnet.

www.industryagents.de

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Der Robotermarkt befindet sich in einer Phase des Umbruchs: Als persönliche Assistenten, autonome Fahrzeuge, Chirurgieassistenten oder Flugdrohnen erobern Roboter jetzt auch Bereiche außerhalb ihres angestammten Einsatzes in der Industrie. Laut dem Marktforschungsinstitut Tractica wurde im Jahr 2016 zum ersten Mal mehr Geld mit nichtindustriellen Robotern verdient als mit solchen, die in den Fabriken arbeiten.
Das bedeutet allerdings nicht, dass weniger Industrieroboter zum Einsatz kommen: Der Weltbranchenverband International Federation of Robotics (IFR) rechnet bis zum Jahr 2019 mit einem globalen Zuwachs von durchschnittlich mindestens 13 Prozent im Jahr. Bis dahin werden dann in der Summe mehr als 1,4 Millionen neue Industrieroboter in den Fabriken rund um den Globus installiert worden sein. Bis 2022 soll das Marktvolumen für industrielle Roboter insgesamt bei 79,58 Milliarden US-Dollar liegen, so die Marktanalysten von MarketsandMarkets. Die stärksten Wachstumsimpulse für die Roboterbranche kommen laut IFR aus China: 40 Prozent des weltweiten Marktvolumens an Industrierobotern werden 2019 alleine im Reich der Mitte verkauft.
Neben den Industrierobotern erobern Serviceroboter den Roboter-Markt: Für professionelle Anwendungen, zum Beispiel in Medizin, Landwirtschaft oder Logistik, lag der Verkaufswert 2015 laut IFR bei 4,6 Milliarden Dollar. Für 2016 bis 2019 wird mit einer weiterhin stark dynamischen Nachfrage gerechnet. Der akkumulierte Wert steigt auf 23 Milliarden US-Dollar. Zusätzlich zum bereits etablierten Geschäft mit professionellen Service­robotern wächst jetzt auch verstärkt das Consumer-Segment heran – vom Staubsauger bis zum technischen Unterhaltungskünstler. Derartige privat genutzte Serviceroboter erzielten laut IFR 2015 ein Absatzplus von 16 Prozent und stiegen auf einen akkumulierten Verkaufswert von 22 Milliarden US-Dollar. Interessant in diesem vergleichsweise neuen Marktsegment ist die Frage, wie sich die Start-up-Szene entwickelt – denn für innovative junge Firmen bieten sich hier einmalige Chancen, einen Markt zu erobern, auf dem sich noch keine großen Roboterhersteller etabliert haben.
In der Summe prognostiziert Tractica für die gesamte Roboterindustrie – inklusive autonomer Fahr- und Flugzeuge – einen wahren Boom: Von 34,1 Milliarden Dollar in 2016 soll der globale Robotermarkt auf 226,2 Milliarden Dollar bis zum Jahr 2021 ansteigen – das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von beeindruckenden 46 Prozent.

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Intelligente Maschinen und selbstlernende Computer eröffnen auch der Elektronikbranche spannende Chancen.

Lange war die Idee von denkenden, ja sogar fühlenden Maschinen nur eine Vision von Science-Fiction-Autoren. Doch dank rasanter Entwicklungen bei den Halbleitern und neuer Ideen bei der Programmierung selbstlernender Algorithmen ist die Künstliche Intelligenz (KI; im Englischen Artificial Intelligence, AI) heute ein sehr reeller Markt, der Unternehmen spannende Perspektiven eröffnet.

Laut der Unternehmensberatung McKinsey wächst der globale Markt für KI-basierte Dienstleistungen, Software und Hardware jährlich um bis zu 25 Prozent und wird bis 2025 voraussichtlich 130 Milliarden US-Dollar erreichen. Entsprechend boomen die Investitionen in Künstliche Intelligenz, so die Ergebnisse der Studie „Artificial Intelligence: the next digital frontier“ des McKinsey Global Institutes. Im vergangenen Jahr gaben danach Unternehmen, allen voran große Technologiekonzerne wie Google und Amazon, bis zu 27 Milliarden Dollar für interne Forschung und Entwicklung intelligenter Roboter und selbstlernender Computer aus. Weitere zwölf Milliarden Dollar flossen 2016 extern in KI – also durch Private-Equity-Gesellschaften, Risikokapitalgeber oder im Rahmen von Fusionen und Übernahmen. In Summe waren dies rund 39 Milliarden Dollar, was eine Verdreifachung im Vergleich zu 2013 bedeutet. Der Großteil der derzeitigen externen Investitionen (rund 60 Prozent) fließt in maschinelles Lernen (bis zu sieben Milliarden Dollar), weitere wichtige Felder sind Bilderkennung (2,5 Milliarden bis 3,5 Milliarden Dollar) und Spracherkennung (600 Millionen bis 900 Millionen Dollar).

Intelligente Maschinen und selbstlernende Computer eröffnen der Elektronikbranche neue Marktchancen. Die Marktanalysten von TrendForce erwarten, dass die weltweiten Einnahmen aus Chip-Verkäufen zwischen 2018 und 2022 um jährlich 3,1 Prozent wachsen werden. Doch nicht nur die Nachfrage nach Prozessoren steigt – der Einsatz von KI beflügelt auch neue Lösungen in Elektronik-Sparten wie Sensorik, Hardware-Beschleunigern oder digitalen Speichermedien. So soll beispielsweise der Markt für Next-Generation-Memory-Bauelemente laut dem Marktforschungsinstitut marketsandmarkets von 2,35 Milliarden Dollar in 2017 bis zum Jahr 2023 auf 9,68 Milliarden Dollar anwachsen – unter anderem wegen Big Data, des Internets der Dinge und Anwendungen rund um die Künstliche Intelligenz. Zusätzlich führt die Etablierung von KI-basierten Dienstleistungen zu einer steigenden Nachfrage nach leistungsfähigeren Netzwerk-Infrastrukturen, Daten-Centern und Server-Systemen.

KI ist also auch für die Elektronikindustrie ein wichtiger Zukunftsmarkt. Gerne unterstützen wir Sie mit unseren Halbleiterlösungen, Experten und unserem Partnernetzwerk dabei, hierfür spannende Produkte zu entwickeln.

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Systeme mit Künstlicher Intelligenz brauchen Daten. Je mehr Daten, umso besser die Ergebnisse. Diese Daten können entweder aus Datenbanken stammen – oder sie werden mit Hilfe von Sensoren gewonnen: Sensoren messen zum Beispiel Schwingungen, Ströme und Temperaturen an Maschinen und liefern einem KI-System damit Informationen, um fällige Wartungen zu prognostizieren. Andere erfassen – integriert in Wearables – Puls, Blutdruck und vielleicht Blutzuckerwerte beim Menschen, um Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand zu ermöglichen.

Viele Impulse hat die Sensorik in den letzten Jahren aus den Bereichen der mobilen Robotik und des autonomen Fahrens erhalten: Damit ein Fahrzeug sich autonom durch eine Umgebung bewegen kann, müssen die Fahrzeuge das Umfeld erkennen und die genaue Position bestimmen können. Dazu werden sie mit den unterschiedlichsten Sensoren ausgestattet: Ultraschallsensoren erfassen Hindernisse in kurzer Distanz, zum Beispiel beim Parken. Radarsensoren messen die Position und Geschwindigkeit von Objekten in größerer Entfernung. Lidar-Sensoren (light detection and ranging) scannen mit unsichtbarem Laser-Licht die Umgebung und liefern ein exaktes 3D-Abbild. Kamera-Systeme erfassen wichtige optische Informationen wie Farbe und Kontur eines Objektes und können über die Laufzeit eines Lichtimpulses sogar die Entfernung messen.

Mehr Informationen sind gefragt

Dabei steht heute nicht mehr nur die Positionsbestimmung eines Objekts im Vordergrund, sondern auch Informationen wie beispielsweise die Orientierung, die Größe oder auch Farbe und Textur werden immer wichtiger. Um das sicher zu bestimmen, müssen mehrere Sensoren zusammenarbeiten: Denn jedes Sensor-System bietet zwar spezifische Vorteile. Doch erst die Kombination der Informationen verschiedener Sensoren – die sogenannte Sensor-Fusion – liefert ein exaktes, vollständiges und verlässliches Bild der Umgebung. Ein einfaches Beispiel hierfür sind Bewegungssensoren, wie sie unter anderem in Smartphones Verwendung finden: Erst aus der Kombination von Beschleunigungsmesser, Magnetfelderkennung und Gyroskop können sie Richtung und Geschwindigkeit einer Bewegung messen.

Auch Sensoren werden intelligent

Doch moderne Sensorsysteme liefern nicht nur Daten für KI, sondern nutzen sie auch: Derartige Sensoren können so eine Vorverarbeitung der Messdaten durchführen und damit die zentrale Recheneinheit entlasten. Zum Beispiel hat das Start-up AEye einen neuartigen Hybrid-Sensor entwickelt, der Kamera, Festkörper-Lidar und Chips mit KI-Algorithmen kombiniert. Es überlagert die 3D-Punktewolke des Lidar mit den 2D-Pixeln der Kamera und liefert so ein 3D-Abbild der Umgebung in Farbe. Anschließend werden durch KI-Algorithmen die relevanten Informationen aus dem Umfeld des Fahrzeugs herausgefiltert und bewertet. Das System ist nicht nur um den Faktor zehn bis 20 exakter und dreimal schneller als einzelne Lidar-Sensoren, sondern es reduziert auch die Datenflut zu zentralen Prozessoreinheiten.

Sensoren liefern dem KI-System vielfältige Informationen über:

• Vibration
• Ströme
• Temperatur
• Position
• Größe
• Farbe
• Textur
• und vieles mehr…

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