Der Foundrykrieg beginnt

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Halbleitertechnik

19. April 2021

Führende Foundry-Anbieter rüsten sich für einen neuen Wettlauf um Ausgaben und Technologien mit hohem Einsatz und schaffen damit die Voraussetzungen für eine mögliche Umwälzung in der gesamten Landschaft der Halbleiterherstellung.

Im März stieg Intel wieder in das Foundry-Geschäft ein und positionierte sich damit gegen Samsung und TSMC an der Spitze und gegen eine Vielzahl von Foundries, die an älteren Knotenpunkten arbeiten. Intel kündigte Pläne zum Bau von zwei neuen Produktionsstätten mit einem Investitionsbudget von 20 Milliarden Dollar bis 2021 an.

Anfang dieses Monats hat TSMC den Einsatz erhöht und sein Investitionsbudget auf 30 Milliarden Dollar aufgestockt, gegenüber 28 Milliarden Dollar in seiner vorherigen Prognose. Insgesamt plant TSMC, in den nächsten drei Jahren 100 Milliarden Dollar auszugeben. TSMC, Samsung und andere Unternehmen bauen ebenfalls neue Fabriken. Diese Ankündigungen erinnern an die Ereignisse vor mehr als einem Jahrzehnt, als die Foundries in einen Wettlauf um Investitionen, Produktionsstätten und Technologien verwickelt waren, um eine Führungsposition zu erlangen. Wie in der Vergangenheit ist es unklar, ob alle Anbieter ihre aktuellen Versprechen aufgrund technischer Herausforderungen und Marktunsicherheiten einhalten werden.

Der Foundry-Markt ist ein großes, aber fragmentiertes Geschäft, in dem etwa zwei Dutzend Anbieter in verschiedenen Technologiesegmenten konkurrieren. Besonders dynamisch ist das Spitzensegment, in dem Foundries die fortschrittlichsten Chips der Welt, wie FPGAs und Prozessoren, für externe Kunden herstellen.

Vor einem Jahrzehnt gab es ein halbes Dutzend führender Foundry-Anbieter. Doch als die Kosten für Produktionsanlagen und Technologien im Laufe der Zeit eskalierten, kam es in diesem Segment zu einer Umstrukturierung. Heute sind Samsung und TSMC die einzigen beiden Foundry-Anbieter, die in der Lage sind, Prozesse für die fortschrittlichsten Logikknoten anzubieten, nämlich 7nm und 5nm, wobei 3nm in Forschung und Entwicklung ist.

Seit einiger Zeit gibt es den Wunsch nach mehr Spitzenanbietern auf dem Markt, die mehr Optionen zu wettbewerbsfähigen Preisen anbieten. Das gilt besonders heute, wo die starke Nachfrage in einigen Fällen zu Kapazitätsengpässen geführt hat. Die Waferpreise steigen an jedem Knotenpunkt. Und zu allem Überfluss verschärft der anhaltende Handelskrieg zwischen den USA und China die Spannungen in Taiwan, wo der Großteil der führenden Prozesstechnologie heute angesiedelt ist. Jede Unterbrechung hätte erhebliche Auswirkungen auf den Zugang zu Technologie.

Der Wiedereinstieg von Intel in das Foundry-Geschäft könnte eine Lücke füllen, aber das Unternehmen muss noch viel beweisen. Als Intel 2010 erstmals in das Foundry-Geschäft einstieg, scheiterte das Unternehmen an der Umsetzung. Acht Jahre später verließ das Unternehmen den Markt. Damals kam es auch zu mehreren Verzögerungen bei Intels 10nm-Prozess, so dass das Unternehmen seine technologische Führungsposition sowohl an TSMC als auch an Samsung verlor.

Heute, unter neuer Führung, verspricht Intel, die Technologielücke bei seinen eigenen Chips zu schließen und ein wettbewerbsfähigerer Foundry-Anbieter zu werden. Es steht jedoch ein harter Kampf bevor. "Ich bin in vielerlei Hinsicht skeptisch. Erstens: Sie liegen hinter TSMC zurück. Die erste Aufgabe besteht darin, TSMC einzuholen, und das ist weder einfach noch garantiert. TSMC muss fast einen Ausrutscher machen, damit Intel sie einholen kann, oder Intel muss eine ganze Bootsladung mehr Geld ausgeben, was in beiden Fällen schwierig sein wird", sagte Robert Maire, Präsident von Semiconductor Advisors. "Sie würden sicherlich gerne drei [führende Foundry-Anbieter] haben. Intel hat Potenzial. Die Landschaft wird sich in den nächsten zwei oder drei Jahren nicht ändern. Die Frage ist, was in vier oder fünf Jahren sein wird. Es ist schwer zu sagen, ob sie das umsetzen können oder nicht. Es ist eine sehr große Aufgabe."

Es ist klar, dass die Branche den Markt im Auge behalten muss. Hier sind nur einige der jüngsten Ereignisse:

• Intels neue Foundry-Einheit wird einen 22nm-Prozess und möglicherweise 14nm anbieten, so Analysten. Intel wird wahrscheinlich 7nm anbieten, aber das wird nicht vor 2023 auf den Markt kommen.
• TSMC baut weiterhin neue Produktionsstätten in Taiwan. TSMC plant auch den Bau einer neuen, hochmodernen Fabrik in den USA, denkt aber auch darüber nach, dort eine noch größere Anlage zu errichten.
• Samsung und andere planen den Bau neuer Fabriken.
• Alle Foundries investieren in fortschrittliches Packaging, das deutlich bessere Leistungsverbesserungen ermöglicht als die Skalierung allein.

Erschütterung der Foundrys
Angetrieben von der Nachfrage nach KI, Automobilen, mobilen Geräten, Servern und anderen Produkten wird der weltweite Foundry-Markt voraussichtlich von 77,9 Milliarden Dollar im Jahr 2020 auf 91,7 Milliarden Dollar im Jahr 2021 wachsen, so Handel Jones, CEO von IBS.

Seit Jahren bieten Foundry-Anbieter Drittanbieter-Fertigungsdienstleistungen für Kunden in verschiedenen Technologiemärkten an, z.B. in den Bereichen Analogtechnik, CMOS-Bildsensoren, Verbindungshalbleiter, Logik, MEMS und RF.

Für jeden Markt entwickeln die Foundries eine Prozesstechnologie, die sich auf die Reihe von Schritten bezieht, mit denen integrierte Schaltkreise in einer Fabrik hergestellt werden", erklärt David Schor von WikiChip, einer Technologie-Website.

Mehrere Anbieter, wie GlobalFoundries, Samsung, SMIC, TSMC und UMC, bieten Foundry-Dienstleistungen in vielen Technologiesegmenten an. Die meisten spezialisieren sich auf einen oder mehrere Bereiche.

Die reine Foundry-Industrie entstand 1987, als TSMC, ein damals noch unbekanntes Unternehmen, Chipfertigungsdienste für externe Unternehmen anbot. Andere Foundry-Anbieter folgten bald.

Zu dieser Zeit waren die meisten IC-Anbieter Hersteller von integrierten Bauelementen (IDMs) und produzierten Chips in ihren eigenen Fabriken. Damals entließen die IDMs die Foundries, die in der Technologie hinterherhinkten.

Schon damals war der Markt für Spitzentechnologien hart umkämpft. IDMs und nachlaufende Foundries versuchten, mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten und verdoppelten die Transistordichte alle 18 bis 24 Monate. Da ein Chip aus einer Vielzahl von Transistoren besteht, die als Schalter in den Geräten fungieren, erforderte die 18- bis 24-monatige Kadenz oder der Knotenpunkt eine neue Prozesstechnologie mit höherer Transistordichte.

An jedem Knotenpunkt würden die Chiphersteller die Transistorspezifikationen um das 0,7-fache skalieren, so dass die Industrie eine Leistungssteigerung von 40 % bei gleichem Stromverbrauch und eine Verringerung der Fläche um 50 % erzielen könnte. Dies wiederum ermöglichte es den IC-Herstellern, mehr Transistoren in ein Gerät zu packen, was neue elektronische Produkte mit mehr Funktionen zu niedrigeren Kosten ermöglichte.

Im Jahr 2001 gab es laut IBS 18 Chiphersteller mit Produktionsstätten, die 130nm-Chips verarbeiten konnten, was damals der führende Prozess war. Zu dieser Zeit produzierten mehrere Foundries Chips für andere, hauptsächlich in ausgereiften Nodes in Fabriken. Foundries stellten auch Chips für fabriklose Designhäuser her.

Bis 2010 eskalierten die Kosten für die Fertigung und die Prozesse. Da sie sich die Kosten nicht leisten konnten, gingen viele IDMs zu einem "Fab-Lite"-Modell über. Sie produzierten einige Chips in ihren eigenen Fabriken, während sie einen Teil der Produktion an Foundries auslagerten. Viele IDMs produzierten weiterhin Geräte in ihren eigenen Fabriken, während einige IDMs fabless wurden oder sich aus dem Geschäft zurückzogen.

Die nächste große Veränderung fand am 20nm-Knoten statt, als den traditionellen planaren Transistoren die Luft ausging. Planare Transistoren werden immer noch in Chips mit 28nm/22nm und darüber verwendet, aber die Industrie brauchte eine neue Lösung.

Deshalb hatIntel im Jahr 2011 finFETs bei 22nm eingeführt. Foundries folgten drei Jahre später mit finFETs bei 16nm/14nm.

FinFETs bieten eine bessere Leistung als planare Transistoren mit geringerem statischen Leckstrom. "Im Vergleich zu früheren planaren Transistoren bietet die Finne, die auf drei Seiten vom Gate kontaktiert wird, eine viel bessere Kontrolle über den Kanal, der sich innerhalb der Finne bildet", sagte Nerissa Draeger, Direktorin für Universitätsengagement bei Lam Research.

Aber finFETs sind auch schwierig herzustellen und bei jedem Knoten zu skalieren. Deshalb sind die F&E-Kosten für den Prozess in die Höhe geschnellt. Daher hat sich die Zeitspanne für einen vollständig skalierten Knotenpunkt von 18 Monaten auf 30 Monate oder länger verlängert.

Dennoch konnte Intel mit der Einführung der finFETs seine Führung auf dem Mikroprozessormarkt und in der Prozesstechnologie ausbauen. In dem Bestreben, die Technologie für neue Märkte zu nutzen, stieg Intel 2010/2011 in das Foundry-Geschäft ein.

Das Unternehmen hatte einigen Erfolg. Zu dieser Zeit stellte Intel FPGAs verschiedener Anbieter her, die auf seinem 22nm finFET-Prozess basierten. Später produzierte Intel die 14nm FPGAs von Altera. (Im Jahr 2015 hat Intel Altera übernommen.)

TSMC beherrschte damals noch den Foundry-Markt, und GlobalFoundries, Samsung, SMIC, UMC und andere blieben eine Macht. Intels Anteil an den Foundrys war winzig, stellte aber aufgrund seiner Technologieführerschaft eine echte Bedrohung dar.

Das änderte sich 2016, als Intel erstmals seinen 10nm finFET-Prozess einführte. Das Unternehmen musste bei 10nm mehrere Verzögerungen hinnehmen und lieferte schließlich 2019 Chips auf Basis dieser Technologie aus - mehr als zwei Jahre später als erwartet.

"Das Unternehmen hat versucht, seinen 10nm-Fertigungsprozess mit einem Ziel vor Augen zu entwickeln, nämlich den Prozess gleichzeitig an die IDM anzupassen und den Prozess generisch zu machen, um eine heterogenere Produkt-Roadmap und ein aufstrebendes Foundry-Geschäft zu unterstützen", sagte Matthew Ramsay, Analyst bei Cowen, in einem kürzlich erschienenen Bericht. "Kurz gesagt, dies hat zu dem 10nm Schlamassel beigetragen.

Dann, im Jahr 2018, lieferte TSMC den weltweit ersten 7nm finFET-Prozess aus. Später lieferte Samsung 7nm aus. (Intels 10nm entspricht dem 7nm-Prozess der Foundries).

Das ist aus mehreren Gründen wichtig. Foundries bieten 7nm und jetzt 5nm Prozesse für Intels Chipkonkurrenten an. Damit haben Intels Konkurrenten plötzlich einen Vorsprung in der Prozesstechnologie.

2018 war auch aus anderen Gründen ein entscheidendes Jahr. Die Kosten für die Chip-Herstellung stiegen weiter an, aber die Rendite war fraglich. Daher haben GlobalFoundries und UMC 2018 ihre jeweiligen 7nm-Bemühungen eingestellt. Beide sind weiterhin auf dem 16nm/14nm Markt aktiv.

Ebenfalls um das Jahr 2018 herum ist Intel mehr oder weniger aus dem Foundry-Geschäft ausgestiegen. "Der Grund, warum sie gescheitert sind, ist, dass sie nicht die Einstellung hatten, eine Foundry zu sein", sagte Semiconductor Advisors' Maire. "Sie waren ein IDM und vielleicht ein wenig arrogant. Sie waren nicht darauf ausgerichtet, den Kunden zu bedienen. Man braucht eine andere Mentalität im Foundry-Geschäft."

Was wird Intel tun?
Heute ist der Foundry-Markt voller neuer Herausforderungen. Zum Beispiel gibt es ab 2021 einen Engpass bei Chips für die Automobilindustrie. Der Mangel an Chips für die Automobilindustrie betrifft hauptsächlich Geräte, die mit ausgereiften Prozessen in älteren 200mm- und 300mm-Fabriken hergestellt werden.

Derzeit ist die Kapazität der 200mm-Fabriken knapp. "Insgesamt zieht sich die 200mm-Knappheit viel länger hin als erwartet", sagte Samuel Wang, Analyst bei Gartner. "Die Foundries werden die Waferpreise zum dritten Mal seit 3Q20 erhöhen. Heute verhandeln die Fabless-Unternehmen mit den Foundries, um sich ihre Wafer-Zuteilungen für 2022 zu sichern."

An der Spitze ergibt sich ein gemischtes Bild. "Bei 7nm und 5nm gibt es seit 3Q20 keine Knappheit mehr. Damals hat Apple die Verwendung von Wafern von 7nm auf 5nm erhöht. Beim 8nm-Knoten von Samsung gibt es einen Engpass, der Nvidia und Qualcomm Probleme bereitet", sagte Wang.

An der geopolitischen Front gibt es keine Anzeichen für eine Abschwächung des Handelskriegs zwischen den USA und China, und die Lage im asiatisch-pazifischen Raum, insbesondere in Taiwan, bleibt angespannt.

Es ist eine komplizierte Situation. Taiwan ist ein selbstverwaltetes Gebilde ohne politische Bindungen zu China. China beansprucht Taiwan jedoch als Teil seines Territoriums und hofft, sich eines Tages mit der Insel wieder zu vereinigen. Und jede Einmischung von außen in die politischen Angelegenheiten Taiwans wird von Peking als Bedrohung angesehen.

In letzter Zeit hat China seine Militärmanöver um Taiwan verstärkt, obwohl es keine Anzeichen für einen bevorstehenden Angriff gibt. Sollte dieser Fall eintreten, sollen die USA Taiwan verteidigen. Diese Szenarien sind hypothetisch.

Diese und andere Faktoren haben viele dazu veranlasst, die Chip-Lieferkette zu überdenken. TSMC, das 92% der weltweit führenden Chips herstellt, hat nach Angaben der US Semiconductor Industry Association (SIA) alle seine fortschrittlichen Fabriken in Taiwan.

Daher fordert die SIA die US-Regierung auf, die Entwicklung fortschrittlicher Fabs in den USA zu finanzieren. "Die Kombination aus dem Mangel an Wafer-Fab-Kapazitäten und der Besorgnis, zu sehr von Asien abhängig zu sein, sind zwei wichtige Triebkräfte für den Ausbau der Fab-Kapazitäten in den USA", so Jones von IBS.

TSMC wird die Mehrheit seiner Produktionsstätten in Taiwan behalten. Laut IC Insights eröffnete TSMC im Jahr 2020 die ersten beiden Phasen eines neuen Fab-Komplexes in Tainan, Taiwan. Die Phasen 1 und 2 des neuen Fab 18 Komplexes befinden sich in der Massenproduktion und die Anlagen für die Phasen 3-6 sind laut IC Insights im Bau. Die Phasen 1-3 sind für die 5nm-Produktion vorgesehen, während die Phasen 4-6 laut TSMC auf 3nm ausgerichtet sind.

In einem wichtigen Schritt außerhalb Taiwans hat TSMC kürzlich Pläne für den Bau einer neuen, mittelgroßen 5nm-Fabrik in Arizona angekündigt, die 2024 in Betrieb gehen soll. Anstatt eine mittelgroße Fabrik zu bauen, sind jedoch Berichte aufgetaucht, dass TSMC in Arizona eine größere Fabrik bauen könnte. "Es gibt Gerüchte, dass sie eine Giga-Fab bauen wollen, eine Fabrik in voller Größe, die eine beträchtliche Menge an Bauteilen liefern könnte", sagte Maire von Semiconductor Advisors. In der Zwischenzeit plant auch Samsung den Bau einer neuen Produktionsstätte in den USA.

Inmitten der Turbulenzen sieht Intel eine Chance und steigt mit einer neuen, eigenständigen Foundry-Einheit wieder in das Foundry-Geschäft ein, die ab sofort zur Verfügung steht. Um die Probleme in der Lieferkette zu lösen, wird Intel Foundry-Kapazitäten mit Produktionsstätten in Europa und den USA bereitstellen.

"Die Digitalisierung jeder Branche beschleunigt die weltweite Nachfrage nach Halbleitern in rasantem Tempo", sagte Pat Gelsinger, der neue CEO von Intel, kürzlich auf einer Veranstaltung. "Aber eine der größten Herausforderungen ist der Zugang zu Produktionskapazitäten. Intel ist in einer einzigartigen Position, um diese wachsende Nachfrage zu befriedigen und gleichzeitig eine nachhaltige und sichere Versorgung der Welt mit Halbleitern zu gewährleisten."

Intel plant, die meisten seiner Chips selbst herzustellen und auch Foundry-Dienstleistungen anzubieten. Dazu wird Intel seine bestehenden Fabriken nutzen und plant den Bau von zwei neuen Fabriken in Arizona, die 20 Milliarden Dollar kosten sollen.

Die Foundry-Strategie von Intel ist jedoch kompliziert. Während das Unternehmen sein eigenes Foundry-Geschäft ausbaut, wird es auch weiterhin einen Teil seiner Chip-Produktion an konkurrierende Foundries auslagern, und zwar sowohl für ausgereifte als auch für fortgeschrittene Geräte.

Intels Wiedereinstieg in das Foundry-Geschäft löste eine kühle Reaktion von TSMC aus, einem der Foundry-Anbieter von Intel und jetzt ein Konkurrent. "Intel ist ein wichtiger Kunde und wir werden in einigen Bereichen zusammenarbeiten und in anderen Bereichen miteinander konkurrieren", sagte C.C. Wei, Präsident und CEO von TSMC, kürzlich in einer Telefonkonferenz.

In seinem neuen Foundry-Geschäft bietet Intel einen älteren 22nm finFET-Prozess zusammen mit seiner fortschrittlichen Gehäusetechnologie an. Darüber hinaus hat Intel seine Foundry-Pläne nicht bekannt gegeben. In einer Research Note spekulierte Ramsay von Cowen, dass Intel seinen bestehenden 14nm-Prozess für den Foundry-Markt neu positionieren wird. Auch 7nm ist eine Möglichkeit.

22nm ist eine Erweiterung von 28nm, das vor mehr als einem Jahrzehnt eingeführt wurde. Dennoch ist der 28nm Planar-Knoten ein großer Markt mit verschiedenen Anwendungen, darunter KI, IoT/Edge, RF und Wearables.

22nm bietet mehr Leistung als 28nm, ist aber preiswerter als 14nm. 22nm ist auch ein überfüllter Markt, auf dem mehrere Foundry-Anbieter mit verschiedenen Technologien konkurrieren. TSMC und UMC bieten einen 22nm Bulk-Planar-Prozess an. GlobalFoundries liefert 22nm FD-SOI. Intel konkurriert mit 22nm FinFETs.

22nm und 28nm zielen auf viele der gleichen Anwendungen ab, einschließlich der Automobilelektronik. "Wir sehen ein starkes Wachstum in der Automobilelektronik, die die gesamte Bandbreite an Prozesstechnologien abdeckt, von diskreten 0,35-Mikrometer-MOSFET-Bauteilen bis hin zu 28nm/22nm-ADAS-Produkten und allem, was dazwischen liegt, wie z.B. Karosserie- und Fahrwerkssteuerung, Infotainment und WiFi", sagte Walter Ng, Vice President of Business Development bei UMC.

Neben 22nm könnte Intel mit seiner bestehenden 14nm-Technologie in die Foundry-Party einsteigen. "Intels 14nm ist wohl der ausgereifteste Prozess in der Geschichte des Unternehmens, was ihn extrem ertragreich macht", sagte Ramsay von Cowen. "Die politisch attraktivste Option für Intel ist es, allmählich zu einer skalierenden Foundry zu werden und seine bestehenden 14nm-Kapazitäten zu nutzen, während sich seine eigenen Stückzahlen auf EUV-Knoten bei 7nm/5nm verlagern."

Potenzielle Kunden für 14nm Prozesse sind diejenigen, die Foundries für Produkte zwischen 16nm und 65nm nutzen, so Cowen. Laut Gartner stellen die Umsätze der Foundrys im Bereich 16nm bis 65nm insgesamt einen Markt von 35 Milliarden Dollar dar, was 46% der gesamten Foundry-Umsätze im Jahr 2020 entspricht.

Kriege an der Spitze
Es ist noch unklar, ob Intel 14nm anbieten wird. Wahrscheinlich wird das Unternehmen seinen Hut in den Ring der Leading-Edge-Foundries werfen, was 7nm/5nm und mehr bedeutet. "Die Nachfrage nach N5 ist weiterhin stark, angetrieben durch Smartphone- und HPC-Anwendungen (High-Performance Computing), und wir erwarten, dass N5 im Jahr 2021 etwa 20% unseres Waferumsatzes ausmachen wird", sagte Wei von TSMC.

Die Nachfrage nach Spitzentechnologie-Chips ist enorm. "Es gibt eine Bifurkation in der Chipindustrie, wo der Bedarf an Supercomputing, einschließlich Deep Learning und anderen Anwendungen, eine unersättliche Nachfrage nach mehr Rechenleistung antreibt, die von 3nm, 2nm und darüber hinaus kommen wird", sagte Aki Fujimura, CEO von D2S.

Bei 7nm und darunter sind statische Leckagen jedoch wieder problematisch geworden, und die Vorteile bei Stromverbrauch und Leistung haben bei jedem Knotenpunkt zu schwinden begonnen. "Es gibt Herausforderungen bei der Skalierung, wie z.B. die EPE-Marge, die Kosten und die Strukturierung mit hohem Aspektverhältnis", sagte Kazuya Okubo, Vizepräsident für integrierte Lösungsplanung bei TEL, in einer kürzlich gehaltenen Präsentation.

Ein weiteres Problem ist, dass die Foundry-Kunden nur wenige Möglichkeiten haben, an der Spitze mitzumischen. Samsung und TSMC sind die einzigen beiden Anbieter.

SMIC, Chinas größter Foundry-Anbieter, arbeitet an einem 7nm-ähnlichen Prozess und anderen Knotenpunkten darüber hinaus. Kürzlich hat die US-Regierung SMIC jedoch auf die Entity-Liste gesetzt, was bedeutet, dass Ausrüstungslieferanten spezielle Lizenzen einholen müssen, um Werkzeuge an den Foundry-Anbieter für fortgeschrittene Knoten zu verkaufen. Infolgedessen sind die 7nm-Bemühungen von SMIC ins Stocken geraten.

Letztendlich wird erwartet, dass Intel im führenden Foundry-Geschäft konkurrieren wird. Dies hängt von der Fähigkeit von Intel ab, 7nm und mehr zu liefern. (Intels 7nm entspricht 5nm bei den Foundries.)

Intels 7nm Technologie hat jedoch einen wackeligen Start hingelegt. Als das Unternehmen die 7nm-Technologie entwickelte, schränkte es die Verwendung der EUV-Lithografie ein, einer Technologie der nächsten Generation, die winzige Merkmale auf Chips mit 13,5nm-Wellenlängen strukturiert. Das bedeutete, dass das Unternehmen versuchte, viele schwierige Merkmale mit Hilfe der traditionellen optischen 193nm-Lithografie mit mehrfacher Strukturierung zu strukturieren, was zu Problemen mit Überlagerungen und Defekten führte. Das wiederum verzögerte Intels 7nm Prozess.

EUV ist seit kurzem ausgereift. Bei 7nm strukturiert Intel also mehr Schichten mit EUV, was den Prozess vereinfacht und die Technologie von Intel wieder auf Kurs gebracht hat. Laut KeyBanc Capital Markets plant Intel nun, im Jahr 2021 ein 7nm-Produkt auf den Markt zu bringen, obwohl die Massenproduktion erst in der ersten Hälfte des Jahres 2023 beginnen soll.

"Die Korrektur dieser Roadmap ist keineswegs garantiert und wird wahrscheinlich einige Zeit in Anspruch nehmen, da Intel seit Jahren versucht, einen gleichmäßigen Rhythmus bei der Umsetzung zu erreichen", so Ramsay von Cowen.

Einfach ausgedrückt: Intel bleibt zurück. Sowohl Samsung als auch TSMC haben EUV bei 7nm vor zwei bis drei Jahren eingeführt und haben bereits Erfahrungen mit der Technologie gesammelt. Beide Hersteller liefern auch ihre jeweiligen 5nm finFET-Prozesse aus, und 3nm steht vor der Tür.

"TSMCs Produktionsstart von 3nm finFETs ist für Apple im 3. Quartal 2022 geplant", so Jones von IBS. "Samsung liegt mit seinen 3nm gate-all-around (GAA) Transistoren der ersten Generation für die Erstproduktion in Q4 2022 im Plan."

Auf seiner Roadmap plant TSMC, die finFETs auf 3nm zu erweitern und dann im Jahr 2023/2024 zu einer Transistorstruktur der nächsten Generation namens GAA bei 2nm überzugehen. Im Gegensatz dazu geht Samsung von finFETs bei 5nm zu GAA bei 3nm über.

Sowohl Samsung als auch TSMC entwickeln eine Art von GAA-Architektur namens nanosheet FET. Ein Nanosheet ist eine Weiterentwicklung der FinFETs und ist im Grunde genommen ein auf der Seite liegender FinFET mit einem um ihn gewickelten Gate. Nanosheet-FETs bieten mehr Leistung als FinFETs, sind aber schwieriger herzustellen.

Auch Intel entwickelt Nanoblech-FETs, möglicherweise für seinen 5nm-Knoten. Es ist unklar, wann Intels 5nm erscheinen wird, aber es ist zweifelhaft, dass das Unternehmen die Prozesslücke in absehbarer Zeit schließen wird. "Da die Ausgaben von Samsung und TSMC zusammengenommen mindestens in den nächsten drei Jahren 50 Milliarden Dollar pro Jahr übersteigen, wird es für jedes Unternehmen extrem schwierig sein, diese beiden Unternehmen in der führenden Logikprozesstechnologie einzuholen", sagte Bill McClean, Präsident von IC Insights.

Kriege um fortschrittliches Packaging
Intel kann die Lücke aber auch auf andere Weise schließen. Um ein Design voranzubringen, entwickelt die Industrie in der Regel einen ASIC, bei dem die Skalierung des Chips genutzt wird, um verschiedene Funktionen auf einem einzigen monolithischen Chip unterzubringen. Aber die Skalierung wird mit jedem Knoten schwieriger und teurer, und die Vorteile der Skalierung in Bezug auf Leistung und Stromverbrauch werden immer geringer.

Die Kunden suchen also nach Alternativen. Eine andere Möglichkeit, ein Design auf Systemebene zu entwickeln, besteht darin, komplexe Chips in einem fortschrittlichen Gehäuse zu montieren, das mehr kundenspezifische Beschleuniger, verschiedene Arten von Verarbeitungselementen und unterschiedliche Verbindungsstrategien ermöglicht.

IC-Anbieter, Foundries und OSATs arbeiten in der einen oder anderen Form an fortschrittlichen Verpackungen. Laut Cowen arbeitet Intel zum Beispiel an einer Chiplet-Strategie für ein neues Gerät mit dem Codenamen Sapphire Rapids. Sapphire Rapids ist für 2022 geplant und ist ein Serverprozessor, der auf aufgemotzten 10nm-Chips und anderen Bausteinen basiert.

Advanced Packaging ist eine realisierbare Option für zukünftige Designs. Das gilt auch für die traditionelle Chip-Skalierung. Keine einzige Technologie kann alle Anforderungen erfüllen. Zumindest im Moment wird die Branche also wahrscheinlich alle diese Technologien nutzen.