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Der Chipmangel wird immer schlimmer. Warum können wir nicht einfach mehr herstellen?

Bloomberg

5. Mai 2021

Der Mangel an Halbleitern macht Autoherstellern und Tech-Giganten zu schaffen und lässt von Washington über Brüssel bis Peking die Alarmglocken schrillen. Die Knappheit wirft eine grundlegende Frage für Politiker, Kunden und Investoren auf: Warum können wir nicht einfach mehr Chips herstellen?

Es gibt sowohl eine einfache als auch eine komplizierte Antwort. Die einfache Version ist, dass die Herstellung von Chips unglaublich schwierig ist - und immer schwieriger wird.

"Es ist keine Raketenwissenschaft - es ist viel schwieriger", lautet einer der Insiderwitze der Branche.

Die kompliziertere Antwort ist, dass der Aufbau von Halbleiterfertigungsanlagen Jahre und Milliarden von Dollar kostet - und selbst dann ist die Wirtschaftlichkeit so brutal, dass Sie verlieren können, wenn Ihre Fertigungskompetenz nur einen Bruchteil hinter der Konkurrenz zurückbleibt. Der ehemalige Chef der Intel Corp., Craig Barrett, bezeichnete die Mikroprozessoren seines Unternehmens als die kompliziertesten Geräte, die je von Menschenhand geschaffen wurden.

Das ist der Grund, warum es für die Länder so schwierig ist, die Selbstversorgung mit Halbleitern zu erreichen. China hat in seinem jüngsten Fünfjahresplan die Unabhängigkeit von Chips zur obersten nationalen Priorität erklärt, während US-Präsident Joe Biden versprochen hat, durch die Wiederbelebung der heimischen Produktion eine sichere amerikanische Lieferkette aufzubauen. Selbst die Europäische Union denkt über Maßnahmen zur Herstellung eigener Chips nach. Aber der Erfolg ist alles andere als sicher.

Die Herstellung eines Chips dauert in der Regel mehr als drei Monate und erfordert riesige Fabriken, staubfreie Räume, mehrere Millionen Dollar teure Maschinen, geschmolzenes Zinn und Laser. Das Ziel ist es, Siliziumscheiben - ein Element, das aus einfachem Sand gewonnen wird - in ein Netzwerk von Milliarden winziger Schalter, so genannter Transistoren, zu verwandeln, die die Grundlage für die Schaltkreise bilden, die schließlich einem Telefon, Computer, Auto, einer Waschmaschine oder einem Satelliten entscheidende Fähigkeiten verleihen.

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So klein und doch so komplex
Die meisten Chips sind Gruppen von Schaltkreisen, die Software ausführen, Daten manipulieren und die Funktionen von elektronischen Geräten steuern. Die Anordnung dieser Schaltkreise verleiht ihnen ihren spezifischen Zweck. Unten sehen Sie den GeForce RTX 3090 von Nvidia, den derzeit besten Chip, der Computercode in realistische Grafik für Videospiele umwandelt.

 

Die Chip-Hersteller versuchen, mehr Transistoren in die Chips zu packen, um die Leistung zu steigern und die Geräte stromsparender zu machen. Der erste Mikroprozessor von Intel - der 4004 - wurde 1971 auf den Markt gebracht und enthielt nur 2.300 Transistoren mit einer Knotengröße von 10 Mikrometern, also 10 Millionstel Metern. Die unangefochtene Führungsposition von Intel in den folgenden Jahrzehnten endete jedoch zwischen 2015 und 2020, als die Konkurrenten Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. und Samsung Electronics Co. begannen, Chips mit besseren Transistoren zu bauen: solche mit Abmessungen von bis zu 5 Nanometern oder 5 Milliardstel Metern (zum Vergleich: ein durchschnittliches menschliches Haar ist 100.000 Nanometer breit).
Um diese Umgebung aufrechtzuerhalten, wird die Luft ständig gefiltert und es dürfen nur sehr wenige Menschen hinein. Wenn mehr als ein oder zwei Arbeiter an einer Chip-Produktionslinie auftauchen - von Kopf bis Fuß in Schutzausrüstung gehüllt - könnte das ein Zeichen dafür sein, dass etwas nicht stimmt. Die wahren Genies hinter dem Design und der Entwicklung von Halbleitern arbeiten meilenweit entfernt.
Trotz all dieser Vorsichtsmaßnahmen können die Siliziumscheiben nicht von Menschen berührt oder der Luft ausgesetzt werden. Sie werden zwischen den Maschinen in Kassetten transportiert, die von Robotern getragen werden, die auf Schienen an der Decke laufen. Sie kommen erst aus der Sicherheit dieser Kassetten heraus, wenn sie sich in den Maschinen befinden und es Zeit für einen wichtigen Schritt im Prozess ist
Herstellung auf atomarer Ebene

Chips bestehen aus bis zu 100 Schichten von Materialien. Diese werden aufgebracht und dann teilweise entfernt, um komplexe dreidimensionale Strukturen zu bilden, die alle winzigen Transistoren miteinander verbinden. Einige dieser Schichten sind nur ein Atom dünn. Die von Applied Materials Inc., Lam Research Corp. und Tokyo Electron Ltd. hergestellten Maschinen jonglieren mit einer Vielzahl von Variablen wie Temperatur, Druck, elektrischen und magnetischen Feldern, um dies zu ermöglichen.

Einer der schwierigsten Teile des Prozesses ist die Lithografie, die von Maschinen der ASML Holding NV durchgeführt wird. Die Geräte des Unternehmens verwenden Licht, um Muster in die auf dem Silizium aufgebrachten Materialien zu brennen. Diese Muster werden schließlich zu Transistoren. Dies alles geschieht in einem so kleinen Maßstab, dass die derzeitige Methode, dies zu bewerkstelligen, die Verwendung von extrem ultraviolettem Licht ist, das normalerweise nur im Weltraum vorkommt. Um dies in einer kontrollierten Umgebung nachzustellen, beschießen die Maschinen von ASML geschmolzene Zinntröpfchen mit einem Laserpuls. Wenn das Metall verdampft, gibt es das erforderliche EUV-Licht ab. Aber selbst das ist nicht genug. Es werden Spiegel benötigt, um das Licht auf eine dünnere Wellenlänge zu fokussieren.

Schwerfällige Wirtschaft

Chipfabriken laufen 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche. Das tun sie aus einem Grund: Kosten. Der Bau einer Fabrik der Einstiegsklasse, die 50.000 Wafer pro Monat herstellt, kostet etwa 15 Milliarden Dollar. Der größte Teil davon wird für spezialisierte Anlagen ausgegeben - ein Markt, der 2020 zum ersten Mal einen Umsatz von 60 Milliarden Dollar übersteigen wird.

Starke Beanspruchung

Der Umsatz mit Geräten für die Chipherstellung hat sich seit 2015 verdoppelt

 

Drei Unternehmen - Intel, Samsung und TSMC - sind für den größten Teil dieser Investitionen verantwortlich. Ihre Fabriken sind fortschrittlicher und kosten jeweils über 20 Milliarden Dollar. TSMC wird in diesem Jahr sogar 28 Milliarden Dollar für neue Anlagen und Ausrüstungen ausgeben. Vergleichen Sie das mit dem Versuch der US-Regierung, ein Gesetz zur Förderung der heimischen Chip-Produktion zu verabschieden. Dieses Gesetz würde lediglich 50 Milliarden Dollar über fünf Jahre bereitstellen.

Wenn Sie das ganze Geld für den Bau riesiger Anlagen ausgeben, sind diese in fünf Jahren oder weniger veraltet. Um keine Verluste zu machen, müssen die Chiphersteller mit jeder Anlage 3 Milliarden Dollar Gewinn erwirtschaften. Aber nur die größten Unternehmen, insbesondere die drei größten, die im letzten Jahr zusammen 188 Milliarden Dollar Umsatz gemacht haben, können es sich leisten, mehrere Werke zu bauen.

Je öfter Sie dies tun, desto besser werden Sie darin. Der Ertrag - der Prozentsatz der Chips, die nicht weggeworfen werden - ist das entscheidende Maß. Alles, was weniger als 90% beträgt, ist ein Problem. Aber die Chiphersteller können dieses Niveau nur erreichen, wenn sie immer wieder teure Lektionen lernen und auf diesem Wissen aufbauen.

Die brutale Wirtschaftlichkeit der Branche bedeutet, dass es sich immer weniger Unternehmen leisten können, mitzuhalten. Die meisten der rund 1,4 Milliarden Smartphone-Prozessoren, die jedes Jahr ausgeliefert werden, werden von TSMC hergestellt. Intel hält 80% des Marktes für Computerprozessoren. Samsung dominiert bei den Speicherchips. Für alle anderen, auch für China, ist es nicht einfach, sich durchzusetzen.