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Montag, 25 April 2022 12:00

Auf den Punkt gebracht: Halbleiterindustrie in den USA rüstet auf

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Geschätzte Lesezeit: 5 - 9 Minuten
Abb. 1: Die Versorgungssicherheit steht derzeit vor der Kostenoptimierung Abb. 1: Die Versorgungssicherheit steht derzeit vor der Kostenoptimierung

Der Technologiekrieg zwischen den USA und China hat durch das Ukraine-Desaster und den neuen Ost-West-Konflikt einen Booster bekommen. Der Wettlauf um die Chipindustrie hat begonnen. Der Wunsch nach Versorgungssicherheit und Schutz der Technologie, besonders im Rüstungsbereich, hat zu einer Multi-Milliarden-Dollar-Investitionswelle in neue Halbleiter-Produktionswerke in den USA geführt (Abb. 1).

Diese Aufstockung der US-Produktionskapazitäten erfolgt just zu einem Zeitpunkt, als der Wirtschaftskrieg zwischen den USA und China zu einer Entkopplung bestimmter Technologien führt – darunter beispielsweise Halbleiter-Chips. So ziehen Unternehmen, die Technologien an China verkaufen wollen, in Erwägung, sich außerhalb der USA niederzulassen, um nicht in die Fänge der US-Ausfuhrkontrollvorschriften zu geraten. Umgekehrt fördert die US-Regierung mit immensen Summen die Rückkehr von abgewanderten Schlüsseltechnologien zurück ins Homeland.

Weltweit massive Investitionen in IC-Fabs

In den USA sind derzeit 6 IC Fabs im Bau, die wir im Folgenden detaillierter vorstellen. In Europa sind 3 IC Produktionswerke im Bau oder stehen vor dem Baubeginn. Mit je 2 neuen IC Werken sind Japan und Korea dabei. In Taiwan war 2021 bei 6 Fabs Baubeginn und weitere 2 werden 2022 begonnen. China baut derzeit 8 IC Fabs. Weltweit sind derzeit damit 29 Halbleiter Produktionsstätten im Bau, mit einer Gesamtkapazität von 1,15 Mio. Wafer pro Monat (auf Basis 300 mm-Äquivalent).

Intel hat im Jahr 2021 den ersten Platz unter den Halbleiterherstellern an Samsung Electronics Co., Ltd. verloren und ist mit einem Wachstum von nur 0,5 % auf den zweiten Platz zurückgefallen – das ist die niedrigste Wachstumsrate unter den Top 25, wie die Daten von Gartner zeigen (Abb. 2).

Abb. 2: Top 10 Halbleiter- hersteller weltweit nach Umsatz in Millionen US$ 2021 Abb. 2: Top 10 Halbleiter- hersteller weltweit nach Umsatz in Millionen US$ 2021

Doch nicht nur absolut in Umsatzzahlen ist Intel ins Hintertreffen geraten. TSMC, der taiwanesische Auftragsfertiger hat Intel vor allem auch technologisch überholt. Hier hat eine Aufholjagd begonnen. Diese Faktoren und die Erkenntnis der US-Regierung, wie angreifbar man durch die Verlagerung großer Teile der Chip-Produktion nach Asien geworden ist, hat in den USA zu einem radikalen Umdenken geführt.

Revanche: Das Intel Arizona Projekt

Abb. 3: Intels neueste Fab 42 in Chandler, ArizonaAbb. 3: Intels neueste Fab 42 in Chandler, ArizonaIm Rahmen eines Turnaround-Plans hat Intel im September den Grundstein für zwei Fabriken in Arizona gelegt (Abb. 3). Die 20 Mrd. $ teuren Anlagen werden die Gesamtzahl der Intel-Fabriken auf dem Campus im Phoenix-Vorort Chandler auf 6 erhöhen.

Mindestens ein Intel-Werk soll zudem Teil des Trusted Foundry Programms werden. Das Trusted Foundry-Programm, auch Trusted Supplier-Programm genannt, ist ein Programm des US-Verteidigungsministeriums, mit dem die Fertigungsinfrastruktur für Anbieter von Informationstechnologie gesichert werden soll, die Hardware für das Militär bereitstellen.

Trusted Foundry Program des US-Militärs

Das US-Verteidigungsministerium (U. S. Department of Defense, kurz: DoD) setzt künftig auf Intels Halbleiterwerke, um Siliziumchips mit Strukturen < 5 nm produzieren zu lassen. Dazu zertifiziert die Behörde mindestens eine Intel-Produktionsstätte als sogenannte Trusted Foundry. Das DoD überprüft dabei alle Fertigungsschritte und stellt sicher, dass zum Beispiel keine Spionage stattfindet. Die Chips werden für militärische Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel für Steuer- und Kommunikationssysteme, aber auch in der Luft- und Raumfahrt.

Bisher war hier primär Globalfoundries Zulieferer, unter anderem mit einem von IBM übernommenen Halbleiterwerk. Allerdings hat Globalfoundries das Rennen um die feinsten Fertigungsstrukturen aufgegeben und konzentriert sich auf Halbleiter Strukturen =/> 12 nm.

Infolgedessen haben die USA in Form des Konsortiums National Security Technology Accelerator (NSTXL) das Programm Rapid Assured Microelectronics Prototypes – Commercial (RAMP-C) ins Leben gerufen, um künftig wieder an state of the art Fertigungstechnik im eigenen Land zu haben.

Intel hat bekannt gegeben, dass man ab der sogenannten 18A-Generation Chips fürs US-Verteidigungsministerium produzieren wird. Nach aktuellem Zeitplan soll diese ab 2025 an den Start gehen und mit TSMCs sowie Samsungs Fertigungstechnik der 2-nm-Generation vergleichbar sein. Intel arbeitet dabei mit Forschungs- und Entwicklungsteams von IBM, Cadence und Synopsys zusammen.

Das Intel Ohio Projekt

52 Mrd. $ will die US Regierung für den Bau neuer Halbleiter Produktionswerke und Entwicklungszentren ausgeben. Es wird erwartet, dass Intels Ohio-Investition Partner und Zulieferer anziehen wird. Air Products, Applied Materials, LAM Research und Ultra Clean Technology haben laut Intel Interesse an einer Präsenz in der Ohio Region bekundet.

Auf Basis einer initialen 20 Mrd. $-Investition will Intel die größte Chip-Produktion weltweit in New Albany/Ohio erstellen. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten auf dem Campus weitere Werke mit einer Gesamtinvestition von 100 Mrd. $ entstehen, so die Intel Ankündigung (Abb. 4 u. 5). Der Bau der ersten beiden Fabriken soll Ende 2022 beginnen und die Produktion dort soll 2025 starten.

 

 Abb. 4: Halbleiter Produktion im Intel Werk New Albany Abb. 4: Halbleiter Produktion im Intel Werk New Albany

 Abb. 5: Für initial 20 Milliarden US $ Investitionen will Intel die größte Chip-Produktion weltweit in Ohio erstellen Abb. 5: Für initial 20 Milliarden US $ Investitionen will Intel die größte Chip-Produktion weltweit in Ohio erstellen

 

Für Intel ist das Geschäft als Trusted Foundry dank Fördergeldern lukrativ. Zusätzlich zum RAMP-C-Programm hat das DoD Intel schon im Jahr 2020 als Packaging-Partner innerhalb des Programms State-of-the-Art Heterogeneous Integration Prototype (SHIP) ausgewählt. Intel produziert also nicht nur die Chips, sondern ist auch im Packaging aktiv.

Einzig beim RAMP-Programm ist Intel noch nicht dabei. In diesem Programm sucht das Verteidigungsministerium Partnerfirmen zum Entwerfen von Prozessoren und anderen Halbleiterbauelementen.

IBM erprobt 2-Nanometer-Chips

Abb. 6: IBM erprobt in seiner Forschungsabteilung 2-Nanometer-Chips Abb. 6: IBM erprobt in seiner Forschungsabteilung 2-Nanometer-Chips IBMs Forschungsabteilung hat auf einer Pilotanlage den ersten Halbleiterbaustein mit Strukturbreiten von 2 Nanometern gefertigt, also Technik der übernächsten Generation (Abb. 6). In der Serienproduktion befinden sich zurzeit 5-nm-Chips, darauf folgt die 3-nm-Generation. Bis zur Serienfertigung von 2-nm-Chips werden noch mehrere Jahre vergehen.

Die Grafikchips und x86-Prozessoren von AMD und Intel werden bisher bestenfalls mit 7-nm-Technik gefertigt, etwa AMDs Ryzen-5000-CPUs beim Chipauftragsfertiger TSMC. Letzterer produziert aber auch bereits 5-nm-Chips wie Apple A14 und M1 sowie Qualcomm Snapdragon 888. Laut IBMs Ankündigung sollen 2-nm-Transistoren-Strukturen bei gleicher Leistungsaufnahme ganze 45 % mehr Performance bringen als die besten 7-nm-Transistoren-Strukturen und bei gleicher Performance beachtliche 75 % weniger Energie benötigen.

Nicht nur Intel steigert übrigens seine Investitionen in den USA. Auch die Konkurrenten Samsung Electronics und Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC) haben dort große Investitionspläne.

Das TSMC Arizona Projekt

Die Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC) investiert 12 Mrd. $ in ihre erste Chip Produktion in den USA (Abb. 7). Eine Erweiterung um Faktor 5 ist bereits bis 2029 eingeplant, wodurch die Investitionssumme auf 35 Mrd. $ steigen kann. Ab 2024 sollen hier 5 nm Prozessknoten produziert werden und zunächst 20 000 Wafer pro Monat gefertigt werden.

Abb. 7: Das neue Chip Werk von TSMC in ArizonaAbb. 7: Das neue Chip Werk von TSMC in Arizona

Das Samsung Texas Projekt

Samsung, derzeit größter Chiphersteller weltweit, erweitert seinen Standort Taylor bei Austin, Texas. Hier möchte man Chips mit Strukturbreiten von 3 nm produzieren. Die Gesamtinvestition liegt bei 17 Mrd. $ (Abb. 8).

Abb. 8: Der Standort von Samsung in Taylor bei Austin Texas soll mit 17 Mrd. $ zu einer 3 nm Chipfabrik ausgebaut werdenAbb. 8: Der Standort von Samsung in Taylor bei Austin Texas soll mit 17 Mrd. $ zu einer 3 nm Chipfabrik ausgebaut werden

Der erste Spatenstich für den Standort ist in diesem Jahr und die Aufnahme der Chip-Produktion für 2024 geplant. Es wird erwartet, dass Samsung das neue Werk zur Herstellung von Prozessoren für den eigenen Bedarf und zur Verwendung in Produkten anderer Unternehmen nutzen wird.

Der südkoreanische Gigant in der Herstellung von Speicherchips wird das Werk in Taylor aber wahrscheinlich nutzen, um Chips auch für andere Unternehmen herzustellen. Samsung hat so bereits Chips von Qualcomm und Nvidia gefertigt.

Diese Erweiterung erfolgt wie die anderen genannten Investitionen auch vor dem Hintergrund des weltweiten Halbleitermangels. Als Reaktion auf diese versucht die Regierung Biden, die Chip-Produktion in den USA zu stärken, um die Gefahr einer Unterbrechung der Lieferkette zu verringern und den rückläufigen Anteil des Landes an der Produktion in den letzten Jahrzehnten umzukehren. Der Senat hat kürzlich 52 Mrd. $ an Subventionen für neue Chipfabriken bewilligt.

Aber das Thema ist nicht auf die USA beschränkt, sondern zeigt den weltweiten Trend: TSMC hat angekündigt, in den nächsten drei Jahren über 100 Mrd. $ in neue Chipfabriken zu investieren und Intel will in den nächsten zehn Jahren einen ähnlichen Betrag für Investitionen in den USA und in Europa ausgeben – deutsche und französische Standorte sind bekannt (siehe unten).

Auf den Punkt gebracht

  1. Der weltweite Halbleitermarkt ist um 25,1 % von 2020 auf 2021 gewachsen. Das Marktvolumen betrug 466 Mrd. $ in 2020 und 584 Mrd. $ in 2021.
  2. Weltweit sind derzeit damit 29 Halbleiter Produktionsstätten im Bau, mit einer Gesamtkapazität von 1,15 Mio. Wafer pro Monat (auf Basis 300 mm Äquivalent).
  3. Der Advanced Packaging Markt von SIP über 2,5D/3D bis FO soll nach dem Yole Market Monitor von derzeit 31 Mrd $ auf 52 Mrd. $ von 2020 bis 2026 wachsen (Abb. 9)
  4. Die Top 7 Hersteller investierten in 2021 insgesamt 11,9 Mrd. $ in den Bereich High Perfomance Packaging, an der Spitze Intel mit 3,5 Mrd. $, TSMC mit 3 Mrd. $ und ASE mit 2 Mrd. $

Abb. 9: Umsatzprognose 2020–2026 in Milliarden US$ Advanced Packaging Market weltweitAbb. 9: Umsatzprognose 2020–2026 in Milliarden US$ Advanced Packaging Market weltweit

Der Wirtschaftskrieg um die globale ökonomische Führung zwischen den USA und China hat durch das Ukraine-Desaster und den neuen Ost-West-Konflikt einen Booster bekommen. Dabei hat der Wettlauf um die Chipindustrie als eine substanzielle Technologie begonnen. Der Wunsch nach Versorgungssicherheit und Schutz der Technologie, besonders im Rüstungsbereich, hat zu einer zweistelligen Milliarden-Dollar Investitionswelle in neue Halbleiter Produktionswerke in den USA geführt. Dazu gehören auch weitere Investitionen in Milliardenhöhe außerhalb Chinas. Die 17 Milliarden-Investition von Intel in Magdeburg bei der einschließlich Umfeld bis zu 10 000 neue Arbeitsplätze entstehen sollen, ist ein positives Beispiel für die deutsche Elektronikindustrie. Glückwunsch an die Menschen und die Landesregierung von Sachsen-Anhalt.

Ich wünsche Ihnen einen zuversichtlichen Start
in das 2. Quartal.

Ihr

Hans-Joachim Friedrichkeit

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  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Hans-Joachim Friedrichkeit

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