Der Vorsprung der US-Chipindustrie wird wiederhergestellt

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Halbleitertechnik

26. Oktober 2020

Die Vereinigten Staaten entwickeln neue Strategien, um zu verhindern, dass sie bei der Halbleiterherstellung weiter hinter Korea, Taiwan und vielleicht sogar China zurückfallen, da die Handelsspannungen und die nationalen Sicherheitsbedenken weiter zunehmen.

Seit Jahren sind die USA führend in der Entwicklung neuer Chipprodukte wie GPUs und Mikroprozessoren. Aber in der Chipfertigung verlieren die USA in zwei entscheidenden Bereichen an Boden. Erstens hinken Intel und die amerikanischen Foundries in der Prozesstechnologie ihren asiatischen Konkurrenten TSMC und Samsung hinterher. Auch China holt auf. Zweitens haben die USA einen starken Rückgang bei neuen Produktionsstätten und Kapazitäten zu verzeichnen.

Die USA sind nicht in allen Produktionssegmenten rückständig. Aber die Chipherstellung ist entscheidend für den Erhalt der technischen Führerschaft, sowohl aus Sicht der Lieferkette und der Wirtschaft als auch aus Sicherheitsgründen.

Jahrelang gehörten die US-Unternehmen zu den führenden Unternehmen bei der Entwicklung neuer Chipprodukte und deren Herstellung in ihren eigenen Waferfabriken. Und bis 2011, als Intel die ersten finFETs bei 22nm einführte, waren sie führend in der Prozesstechnologie, die für die Skalierung von Chips entscheidend ist. Jeder neue Prozess ermöglicht kleinere und schnellere Geräte.

Aber die Zeiten haben sich geändert. Heute ist die Dynamik an der Technologiefront eine ganz andere, und sie deutet auf einige alarmierende Trends in den USA hin. "Wir haben die Führungsrolle in der Halbleiterfertigung schon lange verloren", sagte Wally Rhines, emeritierter CEO von Mentor, einem Siemens-Unternehmen. "Was noch wichtiger ist, ist die Fähigkeit, führende Foundry-Dienstleistungen anzubieten, was viel mehr ist als nur die Herstellung."

Dies ist ein komplexes Thema mit einer Reihe verschiedener Facetten. Auf der einen Seite liegen die USA zum Beispiel in einer ehemaligen Hochburg zurück - der Prozesstechnologie. Intel, der amerikanische Technologieführer, hat vor kurzem seinen neuen Prozess verzögert und ist dadurch in diesem Bereich weiter hinter TSMC und Samsung zurückgefallen.

Intel verspricht zwar, das Problem zu beheben und wieder auf Kurs zu kommen, aber das hat Auswirkungen auf die nationale Sicherheit. Für das US-Verteidigungsministerium und die Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie für die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die modernsten Prozesse vor Ort durchgeführt werden. "Wenn Sie Chips beherrschen, beherrschen Sie auch die Verteidigungs-, Technologie- und Geheimdienstindustrie", sagte Robert Maire, Präsident von Semiconductor Advisors, kürzlich in einer Präsentation. "Das geht natürlich Hand in Hand mit der globalen Vorherrschaft. Einer der Gründe, warum die USA so dominant sind, liegt in unserer Technologie, und die basiert auf der Halbleiterindustrie."

Gleichzeitig bauen die Chiphersteller in den USA weiterhin neue Fabriken in einem langsameren Tempo als ihre asiatischen Konkurrenten. Laut der US Semiconductor Industry Association (SIA) und der Boston Consulting Group (BCG) ist der Anteil der USA an der weltweit installierten Wafer-Fab-Kapazität von 37% im Jahr 1990 auf 12% im Jahr 2020 gesunken. Im gleichen Zeitraum erlebte Asien einen kometenhaften Aufstieg bei der Entwicklung neuer Fabriken, so dass dort inzwischen 80 % der weltweiten Kapazitäten angesiedelt sind.

Vor allem China hat eine sehr ehrgeizige Halbleiter-Agenda. Mit Hilfe von 150 Milliarden Dollar an Finanzmitteln entwickelt das Land seine heimische IC-Industrie und plant, mehr eigene Chips herzustellen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Großraum China - der China, Hongkong und Taiwan umfasst - ein geopolitischer Brennpunkt ist, und der Handelskrieg zwischen den USA und China verschärft die Spannungen in einem Gebiet, in dem sich heute die gesamte führende Prozesstechnologie befindet. Jede Störung hätte erhebliche Auswirkungen auf den Zugang der USA zu modernster Prozesstechnologie.

Die politischen Entscheidungsträger in den USA haben erkannt, dass es notwendig ist, mehr einheimische Fabriken zu bauen, aber das ist ein teures Unterfangen. Eine hochmoderne Fabrik kostet zwischen 10 und 20 Milliarden Dollar, und die Rentabilität der Investition ist nicht garantiert. Und obwohl die Herstellung von entscheidender Bedeutung ist, ist sie nur ein Teil der Wettbewerbsgleichung. Unternehmen aus den USA sind nach wie vor führend in den Bereichen Chipdesign, Spezialprozesse, EDA-Tools und Fab-Ausrüstung.

Dennoch werden Schritte unternommen, um die Wettbewerbsfähigkeit der USA an allen Fronten zu stärken. Dazu gehören:

• Der Kongress hat ein Anreizprogramm für den Bau neuer Fabriken in den USA vorgeschlagen.
• Die USA hoffen, ein Chip-Konsortium auf die Beine zu stellen.
• GlobalFoundries und Intel rüsten ihre Technologien auf, und TSMC plant den Bau einer neuen, hochmodernen Produktionsstätte in den USA.
• Intel hat ein neues kommerzielles Unternehmen gegründet, um Chiplet-basierte Designs zu entwickeln. Chiplets, bei denen die Chips in einem fortschrittlichen Gehäuse integriert sind, stellen für die USA eine neue Möglichkeit dar, wettbewerbsfähig zu bleiben.

Gesucht: Mehr US-Fabriken
In der IC-Industrie konkurrieren die Unternehmen auf einer Vielzahl verschiedener Märkte. Gleichzeitig konkurrieren die Nationen an vielen verschiedenen Fronten miteinander. Im Technologiebereich konkurrieren beispielsweise verschiedene Nationen um die Vorherrschaft bei 5G, KI und Quantencomputing.

Chinas Agenda hat den weltweiten Wettbewerb bei Halbleitern neu entfacht. Um die Dynamik hier zu verstehen, hilft ein Blick in die Vergangenheit.

Seit Jahrzehnten folgt die IC-Industrie dem Mooreschen Gesetz, einem Axiom, das besagt, dass sich die Transistordichte in Chips alle 18 bis 24 Monate verdoppelt. Heutige Chips haben Milliarden von winzigen Transistoren in einem Gerät. "Ein Transistor ist im Wesentlichen ein Schalter", erklärt Nerissa Draeger, Direktorin für Universitätsengagement bei Lam Research, in einem Blog. "Ein Feldeffekttransistor nutzt ein elektrisches Feld, um die elektrische Leitfähigkeit durch einen Kanal zu steuern."

Seit einem halben Jahrhundert folgen die Chiphersteller dem Mooreschen Gesetz, das es ihnen ermöglicht, mehr Funktionen auf einen einzigen Chip zu packen. Dies hat das Wachstum von Mobiltelefonen, Computern und anderen Produkten vorangetrieben.

In den Anfängen der Halbleiterindustrie war die Technologie allerdings noch rudimentär. Im Jahr 1965, als Gordon Moore seine ikonische Beobachtung veröffentlichte, wurden Chips auf 1,25-Zoll-Wafern (30 mm) hergestellt. Damals kostete der Bau einer Produktionsstätte 1 Million Dollar.

Danach haben die meisten Chiphersteller jahrzehntelang Chips in ihren eigenen Fabriken hergestellt und sind im Laufe der Zeit auch zu größeren Wafern übergegangen. Durch die Umstellung auf größere Wafergrößen konnten die Hersteller die 2,2-fache Anzahl von Chips pro Wafer produzieren und so ihre Herstellungskosten senken. Größere Wafer erfordern aber auch größere Fabriken mit teurerer Ausrüstung.

Im Laufe der Zeit explodierte die Nachfrage nach Halbleitern, aber auch die Produktions- und Prozesskosten. Ab den 2000er Jahren wechselten die Chiphersteller von 200mm zu modernen 300mm-Fabriken. Anfänglich beliefen sich die Kosten für den Bau einer 300mm-Fabrik auf 2 Milliarden Dollar, verglichen mit 700 Millionen bis 1,3 Milliarden Dollar für 200mm-Fabriken.

Im Jahr 2001 gab es 18 Chiphersteller mit Produktionsstätten, die 130nm-Chips verarbeiten konnten, was laut IBS damals der führende Prozess war.

Plötzlich änderte sich die Landschaft. Zu diesem Zeitpunkt tauchten mehrere Foundry-Anbieter aus Asien und anderen Ländern auf, die Chipfertigungsdienste für externe Kunden anboten. Damals waren die Foundrys technologisch im Rückstand.

Dennoch hat sich das Foundry-Modell in den 2000er Jahren durchgesetzt. Zunächst machten sich die fabless Designhäuser die Foundries zu eigen. "Die Halbleiterindustrie hat den Aufstieg des fabriklosen Modells erlebt", heißt es in einem Papier von SIA und BCG. (Die Autoren sind Antonio Varas, Raj Varadarajan, Jimmy Goodrich und Falan Yinug).

In dieser Zeit konnten es sich viele Chiphersteller in den USA und anderswo nicht mehr leisten, neue Fabriken und Prozesse zu entwickeln. Als Reaktion darauf gingen einige Chiphersteller zu "fab-lite" über. Bei diesem Modell produzieren die Hersteller einige Chips in ihren eigenen Fabriken, während sie andere Bauteile an Foundries auslagern. Einige gingen fabless oder zogen sich ganz aus dem Geschäft zurück.

Intel und andere behielten jedoch ihre eigenen Fabriken bei, weil sie meinten, dies sei ein Wettbewerbsvorteil.

Mit der Zeit schlug das Pendel der Produktion jedoch nach Asien aus. Schon früh unterstützten mehrere asiatische Länder ihre einheimischen Chip-Unternehmen mit Steuererleichterungen und Anreizen. Dies führte zu einem Fertigungsboom in China, Korea, Taiwan und Singapur. "Die Politik der Regierungen war ein wichtiger Faktor für dieses starke Wachstum in Asien", heißt es in dem Papier von SIA und BCG.

Diese Investitionen haben sich sehr ausgezahlt. Laut SIA und BCG ist Taiwan mit einem Anteil von 22% an der weltweiten Produktionskapazität im Jahr 2020 führend, gefolgt von Südkorea (21%), Japan (15%), China (15%), den USA (12%) und Europa (9%).

China ist jedoch derjenige, den man beobachten sollte. Das Land schüttet Milliarden von Dollar in Form von Subventionen in den heimischen Chipdesign- und Fertigungssektor. Laut SIA und BCG wird der Anteil Chinas an den Fertigungskapazitäten von 3 % im Jahr 2000 auf 15 % im Jahr 2020 steigen und damit die USA übertreffen.

China ist technologisch im Rückstand, aber das Land holt aggressiv auf. "China baut ein Dutzend neue Produktionsstätten", sagte Leo Pang, Chief Product Officer bei D2S. "Dennoch gibt es noch viele Herausforderungen für China, darunter der Bedarf an mehr Talenten und geistigem Eigentum in der Halbleiterfertigung und die Notwendigkeit, den Rückstand bei den führenden Prozesstechnologien weiter zu verringern."

Während China expandiert, bleiben die USA stagnierend. Insgesamt besteht die Region Amerika im Jahr 2020 aus 76 Produktionsfabriken, gegenüber 81 im Jahr 2010, so SEMI. "Darin enthalten sind auch US-Fab-Fertigungskapazitäten von Nicht-US-Unternehmen wie Samsung, NXP, Infineon, X-Fab, Tower, TSMC und Broadcom. Dazu gehört auch GlobalFoundries", sagte Christian Dieseldorff, Analyst bei SEMI.

Wenn man die nicht-amerikanischen Fabriken ausklammert, sinkt der Anteil der Fab-Kapazitäten der US-Unternehmen auf 10%, so Dieseldorff. Insgesamt ist der Anteil der USA an den Produktionskapazitäten gemischt, mit einem Anteil von 30 % bei Analogprodukten, 12 % bei Logikprodukten und 5 % bei Speicherprodukten, so SIA und BCG.

Dennoch gibt es laut SEMI in den USA neue Fab-Projekte, die in Arbeit sind. Dazu gehören:

• Cree: SiC-Bauelemente (New York)
• GlobalFoundries: Foundry (New York)
• Intel: Logic (Oregon)
• TI: Analog (Texas)
• TSMC: Foundry (Arizona)

In Zukunft wollen die USA aus Gründen der nationalen Sicherheit und der Lieferkette mehr Fabriken bauen. "Da die globalen Konkurrenten große Investitionen tätigen, um fortschrittliche Halbleiterproduktion an ihre Küsten zu holen, müssen die USA mitspielen und unser Land zu einem wettbewerbsfähigeren Ort für die Produktion dieser strategisch wichtigen Technologie machen", sagte John Neuffer, Präsident und CEO der SIA. "Der Anteil der weltweiten Halbleiterproduktion in den USA ist in den letzten 30 Jahren stark zurückgegangen, hauptsächlich weil andere Länder große staatliche Anreize bieten und die USA nicht. Im gleichen Zeitraum sind die staatlichen Investitionen in die Halbleiterforschung im Verhältnis zum BIP gleich geblieben und machen nur noch einen winzigen Bruchteil der F&E-Investitionen von US-Halbleiterunternehmen aus, die sich 2019 auf fast 40 Milliarden Dollar beliefen. Die USA haben die Möglichkeit, das Ruder herumzureißen und die heimische Chip-Produktion und -Forschung anzukurbeln, was die US-Chiptechnologie und die Wirtschaft unseres Landes, die nationale Sicherheit, die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette und die Reaktion auf zukünftige Krisen wie die Pandemie stärken wird."

Es gibt einige Lösungen, darunter ein Gesetzentwurf des US-Kongresses. Der Gesetzentwurf mit dem Namen Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act (CHIPS) sieht 10 Milliarden Dollar für ein neues Bundesförderprogramm vor, das Anreize für den Bau neuer US-Fabriken schaffen soll. Es beinhaltet auch eine Steuergutschrift für Investitionen. Insgesamt handelt es sich um ein Paket im Wert von 22 Milliarden Dollar.

Heute steckt der Gesetzentwurf jedoch im Kongress fest, und es ist unklar, ob er jemals verabschiedet wird. Außerdem ist das Gesetz einfach zu wenig und zu spät. Um wettbewerbsfähig zu werden, benötigt die US-Halbleiterindustrie laut SIA und BCG ein 50-Milliarden-Dollar-Förderprogramm, aber selbst diese Zahl reicht nicht aus.

Das würde kaum ausreichen, um auch nur ein paar Fabriken zu finanzieren. In Taiwan baut TSMC beispielsweise eine 300mm-Fabrik für seinen 3nm-Prozess zum Preis von 19,5 Milliarden Dollar.

Außerdem sind die Kosten für den Bau neuer Fabriken in den USA teurer als in Asien. Und andere Länder bieten bessere Anreize. Während Intel also seine neue Fabrik 42 in Arizona hochfährt, hat das Unternehmen auch Pläne für den Bau neuer Fabriken in Irland und Israel, weil es dort Anreize gibt.

Nichtsdestotrotz haben Intel und andere argumentiert, dass das CHIPS-Gesetz ein guter Anfang ist und Anreize in der einen oder anderen Form notwendig sind. "Unser Anteil in den USA liegt jetzt bei 12%", sagte Greg Slater, Vizepräsident der Policy and Technical Affairs Organization bei Intel. "Das könnte in den nächsten zehn Jahren auf unter 10% fallen. Das wird sich fortsetzen, es sei denn, wir kehren dies durch staatliche Anreize um."

So einfach ist das nicht. "Die Produktionskapazitäten in den USA könnten subventioniert werden, um mehr als 12% zu wachsen, aber ist das gut für die Branche?", fragte Adrienne Downey, Analystin bei Semico Research. "In den letzten 5 bis 10 Jahren hat die Industrie gute Arbeit geleistet, was das Kapazitätsmanagement angeht. Der Speichermarkt ist ein gutes Beispiel dafür. Effektives Kapazitätsmanagement bedeutet stabilere ASPs/Umsätze. In der Vergangenheit haben subventionierte Fabriken zu Kapazitätsungleichgewichten geführt."

Es gibt auch noch andere Probleme. "Es gibt heute nur sehr wenige Unternehmen in der Branche, die eine 20-Milliarden-Dollar-Fabrik füllen können. TSMC ist erfolgreich bei der Auslastung seiner Fabriken, weil sie Hunderte von Kunden und Tausende von Produkten haben. Der bloße Ausbau von Kapazitäten ist keine Garantie für einen erfolgreichen regionalen Status in dieser Branche", sagte Downey.

Wie auch immer, wenn die USA in der Halbleiterherstellung nicht die Kurve kriegen, wird das wirtschaftliche Konsequenzen haben. "Das bedeutet, dass sich das Wachstum neuer Technologien und Innovationen allmählich in andere Teile der Welt verlagern wird, in denen die USA bisher führend waren", sagte Rhines von Mentor. "Die jüngsten Risikokapitalinvestitionen in China sind höher als in den USA, aber es wird eine Weile dauern, bis sie aufholen. Das Problem ist, dass, wenn die Risikokapitalinvestitionen in den USA zurückgehen, selbst wenn sie durch staatliche Subventionen ausgeglichen werden, die technologische Innovation tendenziell abdriftet. Das bedeutet, dass auch die Innovation bei den Endgeräten abwandern wird. Das bedeutet, dass sich das Wirtschafts- und Beschäftigungswachstum verlangsamen wird."

Der Prozess-Wettlauf
In der Zwischenzeit behaupten sich die US-amerikanischen Chiphersteller bei Spezialprozessen wie III-V, Analog- und RF. Die USA sind stark bei ausgereiften Logikprozessen bei 28nm/22nm und darüber. "Die USA verfügen weiterhin über eine Basis ausgereifter Produkte, die in den USA hergestellt werden", sagte Downey von Semico. "In den meisten elektronischen Geräten erfordert jeder Spitzenchip mindestens 5-10 ausgereifte Chips, die mit ihm einhergehen. Unternehmen wie Qorvo, ON Semi, NXP, ADI, Broadcom, Skyworks und Microchip haben alle Produktionsstätten in den USA. SkyWater ist ein Beispiel für eine Foundry, die einer alten Fabrik neues Leben einhaucht, indem sie innovative Optionen anbietet und dabei hilft, neue Lösungen zu entwickeln."

Aber die USA sind bei den modernsten Logik- und Foundryprozessen im Rückstand. Das war nicht immer so. Jahrelang war Intel führend in der Prozesstechnologie, aber das Unternehmen war nicht der einzige Konkurrent. Wie bereits erwähnt, gab es im Jahr 2001 18 Chiphersteller, die führende 130nm-Chips verarbeiten konnten.

Mit der Zeit stiegen die Prozesskosten und immer weniger Akteure konnten es sich leisten, Spitzentechnologien in fortgeschrittenen Knotenpunkten zu entwickeln.

Die große Veränderung fand bei 20nm statt, als die traditionellen planaren Transistoren an ihre Grenzen stießen. Als Reaktion darauf stellte Intel 2011 auf die nächste Generation von finFET-Transistoren bei 22nm um. Die Foundries stellten auf finFETs bei 16nm/14nm um. (Intels 22nm entspricht den 16nm/14nm der Foundries.)

FinFETs bieten mehr Leistung bei geringerem Stromverbrauch, aber sie sind auch schwieriger und teurer in der Herstellung. "Das liegt an der Anzahl der Verarbeitungsschritte, die für die Herstellung eines solchen Geräts erforderlich sind", sagte Ben Rathsack, Vizepräsident und stellvertretender Geschäftsführer bei TEL America.

FinFETs haben auch die Produktionsbasis eingeengt. Nur ein halbes Dutzend Foundries/IDMs haben die Ressourcen, um auf FinFETs bei 16nm/14nm umzustellen. Zu diesen Anbietern gehören GlobalFoundries, Intel, Samsung, TSMC und UMC. Das chinesische Unternehmen SMIC ist vor kurzem in den 14nm FinFET-Markt eingestiegen.

Im Jahr 2016 hoffte Intel, seinen Vorsprung in der Logiktechnologie mit der Einführung des 10nm finFET-Prozesses auszubauen. Unter Berufung auf verschiedene Probleme verzögerte Intel 10nm jedoch zweimal und lieferte schließlich 2019 Prozessoren auf Basis dieser Technologie aus - etwa zwei Jahre später als erwartet.

Inmitten der 10nm-Verzögerungen bei Intel lieferte TSMC Anfang 2018 den weltweit ersten 7nm finFET-Prozess aus und übertraf damit Intel in der Technologie. Später lieferte auch Samsung 7nm aus. (Intels 10nm entspricht in etwa dem 7nm-Prozess der Foundries).

Dies ist aus mehreren Gründen wichtig. Intel, ein kleiner Akteur im Foundry-Geschäft, konkurriert nicht gerade mit TSMC. TSMC bietet jedoch Foundry-Dienstleistungen für Intels Konkurrenten wie AMD und Nvidia an. Die Konkurrenten von Intel hatten also plötzlich einen Vorsprung in der Prozesstechnologie.

Es gab auch noch andere Änderungen. Im Jahr 2018 haben GlobalFoundries und UMC ihre jeweiligen 7nm-Bemühungen eingestellt. Die Entwicklung von 7nm erforderte enorme Investitionen, aber beide Anbieter sagten, dass die Rendite fraglich sei. Beide Unternehmen sind weiterhin im Bereich 16nm/14nm und darüber aktiv.

Nichtsdestotrotz schrumpfte die 7nm-Produktionsbasis auf nur drei Unternehmen bei 10nm/7nm - Intel, Samsung und TSMC. Doch dann änderte sich die Landschaft erneut.

Anfang 2020 begannen TSMC und Samsung mit der Auslieferung von 5nm. Intel verzögerte unterdessen 7nm und liegt damit noch weiter hinter seinen beiden Rivalen zurück. SMIC entwickelt ebenfalls einen 7nm-ähnlichen Prozess, der sich noch in der Forschung und Entwicklung befindet. Vor kurzem hat SMIC sein erstes Tape-Out für den 7nm-ähnlichen Prozess von Innosilicon, einem chinesischen IP-Anbieter, erhalten.

"Intel ist hier offensichtlich gestolpert und hat nun eine Verzögerung von mindestens sechs Monaten, vielleicht sogar einem Jahr, bei 7nm", sagte Maire von Semiconductor Advisors. "Intel ist nicht mehr Kopf an Kopf mit TSMC, sondern liegt beim Moore'schen Gesetz deutlich hinter TSMC. GlobalFoundries ist offensichtlich bei 14nm eingefroren und steckt in der Zeit fest. Wir haben also wirklich keine Foundry oder IDM mehr, die in den USA auf der Höhe der Zeit ist."

Die USA stehen nicht still. Intel verspricht, das Problem zu beheben und schließlich 7nm zu liefern. Das Unternehmen erwägt außerdem, einen Teil seiner 7nm Produktion an die Foundries auszulagern.

In einem weiteren Versuch, seinen Vorsprung zurückzugewinnen, hofft Intel, ein US-Chipkonsortium auf die Beine zu stellen. Als Teil dieses Plans hat Intel vorgeschlagen, eine US-Foundry mit Unterstützung der Regierung zu betreiben. Es ist unklar, ob dieser Plan aufgehen wird.

Kürzlich sicherte sich GlobalFoundries ein neues Grundstück für einen großen Expansionsplan in der Nähe seiner 300mm-Fabrik im Staat New York. "Angesichts des wachsenden Konsenses in der Hauptstadt unseres Landes für Investitionen in die Halbleiterfertigung ist es wichtiger denn je, dass wir bereit sind, unsere Wachstumspläne in der fortschrittlichsten Produktionsstätte von GlobalFoundries in den USA zu beschleunigen", sagte Ron Sampson, Senior Vice President und General Manager bei GlobalFoundries.

Die wahre Hoffnung für die USA ruht vielleicht auf TSMC, das den Bau einer neuen, hochmodernen 5nm-Fabrik in Arizona plant. Die Fabrik soll 2024 in Betrieb genommen werden.

Es ist jedoch nicht klar, ob die USA ihre Wettbewerbsfähigkeit in der Prozesstechnologie wiedererlangen können oder welches Unternehmen die Führung im amerikanischen Foundrygeschäft übernehmen wird.

"Wir sind in der Foundry-Fertigung im Rückstand, wahrscheinlich in der gesamten Halbleiterfertigung. Wir sind im Rückstand, aber das ist nichts, was wir nicht in relativ kurzer Zeit aufholen könnten", sagte Rhines von Mentor. "Auf der Foundry-Seite müssten wir auf GlobalFoundries oder einer US-Präsenz bei TSMC aufbauen. Die Regierung tendiert zu Intel als einer Möglichkeit. Aber selbst wenn Sie in den USA einen brauchbaren Foundry-Service bekommen könnten, nützt Ihnen das nicht viel, wenn Sie Ihr Produkt nicht an die größten Kunden der Welt verkaufen können."

Zeit für Chiplets
Auch in Zukunft werden mehrere Unternehmen aus verschiedenen Ländern im Rennen um die Prozesstechnologie konkurrieren. Aber das ist nicht der einzige Weg, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Um ein Design voranzutreiben, 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 allein in Bezug auf Stromverbrauch und Leistung werden immer geringer. Während die Skalierung allein die Leistung um etwa 10 % bis 20 % für jeden neuen Knoten unterhalb von 7 nm verbessern kann, können architektonische Änderungen, spezielle Beschleuniger und Hardware-Software-Co-Design die Leistung um das 10- bis 1.000-fache steigern.

Außerdem profitieren nicht alle Teile eines Chips von der Skalierung. Bei der digitalen Logik ist das sicherlich der Fall, aber bei den analogen Komponenten nicht. Anstatt also alles zu schrumpfen und auf einen einzigen Chip zu packen, verlagert sich die gesamte Branche auf die Verpackung komplexer Chips in fortschrittliche Gehäuse.

Heute verfolgen Unternehmen, Foundries und OSATs aus mehreren Ländern eine Chiplet Strategie, bei der ein Chiphersteller ein Menü von modularen Dies oder Chiplets in einer Bibliothek hat. Die Kunden können die Chiplets kombinieren und in ein bestehendes fortschrittliches Paket oder eine neue Architektur integrieren.

AMD, Intel und andere haben chiplet-ähnliche Designs entwickelt, die bei geringeren Kosten die Funktionalität eines ASIC erreichen oder übertreffen. Da jedoch immer mehr Chiplets für den Verkauf durch Dritte und für verschiedene Märkte entwickelt werden, steht die Marktdominanz in neuen Bereichen wie dem Edge Computing zur Disposition.

Die Dynamik für Chiplets nimmt weiter zu. So hat Intel einen neuen Auftrag für das Chiplet-Programm des Verteidigungsministeriums erhalten, das sogenannte State-of-the-Art Heterogeneous Integration Prototype (SHIP) Programm. Im Rahmen dieses Plans hat Intel eine neue kommerzielle Einheit in den USA rund um Chiplets gegründet. Mit diesem Programm erhalten Kunden, darunter das DoD und die Verteidigungsgemeinschaft, Zugang zu Intels Packaging-Fähigkeiten.

"Die Roadmap setzt Prioritäten und erkennt an, dass die heterogene Montagetechnologie angesichts der verlangsamten Prozessskalierung eine kritische Investition sowohl für das Verteidigungsministerium als auch für unsere Nation ist", sagte Nicole Petta, Hauptdirektorin für Mikroelektronik im Büro des Under Secretary of Defense for Research and Engineering im Verteidigungsministerium.

Schlussfolgerung
Die Definition von Wettbewerbsfähigkeit wird immer komplizierter. Die Skalierung von Prozessen für die Logik wird weiterhin entscheidend sein, aber auch die fortschrittliche Verpackung wird immer wichtiger.

Unternehmen aus verschiedenen Ländern werden beides entwickeln müssen. Das wiederum wird neues Wachstum fördern. Vom technologischen Standpunkt aus gesehen haben die USA jedoch noch Nachholbedarf. Es stellt sich die Frage, ob der politische Wille und/oder die Bereitschaft der Unternehmen vorhanden ist, dies zu tun, und bisher ist die Antwort nicht klar.