Kolumne: Auf den Punkt gebracht – Der Hype um KI und Elektromobilität treibt den Chipbedarf – Advanced Packaging wie CoWoS ist ein Schlüssel

Vom PC und Smartphone Markt gingen 2023 kaum Wachstumsimpulse aus. Treiber sind dagegen Künstliche Intelligenz, Elektromobilität und Hi- Performance Computing, die 2024 wieder für einen kräftigen Aufschwung sorgen werden. Langfristig soll nach einer Studie von McKinsey die Halbleiterbranche bis 2030 die eine Billion Dollar Umsatz Hürde nehmen.

Folgt man den Projektionen der Semiconductor Industry Association (SIA) und ASML, dem holländischen Weltmarktführer von Belichtungsanlagen, so wird der Halbleiterbedarf jährlich im Schnitt um 9 % wachsen (CAGR 2020-2030). Ein zwischenzeitliches Auf und Ab schließt die Projektion natürlich nicht aus. (Abb. 1).

Dabei soll der Bedarf für PCs nur mit 3 % p. a. wachsen und für Smartphones mit 6 %. Der ‚shooting star' ist mit + 14 % p. a. die Automobilindustrie.

Getrieben von neuen Technologien wie KI, VR und AR, nimmt die Nachfrage für Datenspeicher, Datenübertragung und Datenanalyse weltweit zu, mit einem IC Bedarf von + 13 % p. a. Auch das Segment Industrial Electronics gehört mit + 12 % p. a. zu den überproportionalen Wachstumsbereichen.

Abb. 1: IC Bedarf nach Branchen 2020–2030P in Mrd. $ (Daten ASML, SIA)

Investitionsverlauf Halbleiterindustrie

Investitionsstarke Jahre waren für die Halbleiterindustrie 2021 mit + 35 % Investitionsvolumen und 2022 mit + 19 %. In diesem Jahr soll das Investitionsvolumen nach einer Analyse von ‚Semiconductor Intelligence' um -14 % schrumpfen (Abb. 2).

Der Schwerpunkt der Investitionskürzungen nehmen dabei die Speicher-Hersteller mit – 19 % vor. Hier sind besonders SK Hynix und Micron Technology betroffen.

Foundries sollen ihre Investitionen um -11 % kürzen, angeführt von GlobalFoundries mit – 27 % und TSMC mit – 12 %.

Bei den integrierten Chipherstellern (IDMs) ist das Investitionsverhalten heterogen. Während INTEL um – 19 % kürzt, sollen TI + 43 % est., ST Microelectronics + 14 % und Infineon + 34 % ihre Investitionen gegen den Trend in 2023 erhöhen.

Abb. 2: Investitionen der größten Halbleiter Hersteller 2021–2023 in Mrd. US $ (Daten: Firmen, IC INsights, SC Intelligence)

Marktanteile von Foundries

Die Marktanteile der größten Auftragschiphersteller (Foundries) zeigen deutlich, welche Bedeutung TSMC in Taiwan für die weltweite Elektronikindustrie hat (Abb. 3). Mit 56,4 % im 2. Quartal 2023 ist TSMC nicht nur größenmäßig ein Solitär, sondern auch technologisch mit 2 nm Strukturen.

Der Abstand zur Nr. 2 und Nr. 3, dem koreanischen Weltkonzern Samsung und dem US-amerikanischen Konzern GlobalFoundries, ist enorm.

Abb. 3: Marktanteile der TOP-10-Auftragschiphersteller (Foundries) im 2. Quartal 2023 (Daten: Trendforce)

Fabless Chipmaker

Fabless-Chipmaker entwickeln das Design und die Hardware, lagern aber die Produktion der Chips an Foundries wie TSMC aus. Das geistige Eigentum (interlectual property) bleibt dabei bei den Chip-Design-Houses (Abb.4). Qualcom und der K. I.- ‚Shootingstar' Nvidia kämpfen in der Automobilindustrie z. B. bei Mercedes und BMW um die Energieeffizienz bei der Objekterkennung für das automatisierte Fahren. Dabei geht es um die Anzahl der Serverabfragen pro Watt zur Erkennung von Verkehrssituationen. Ein anderes Beispiel sind Chatbots zur Erkennung natürlicher Sprache. Hier werden als Leistungsmerkmal Samples pro Watt gezählt.

Die Top-3-Design-Houses Qualcom, Broadcom und Nvidia liefern sich dabei mit jeweils rund 20 % Marktanteil ein Kopf-an-Kopf-Rennen.

Abb. 4: Marktanteile der Fabless Chiphersteller/Designhouses im 1. Quartal 2023 (Daten: Trendforce)

Der Bedarf von K. I.-Chips wächst schnell

Abb. 5: Chipon-Wafer-on-Substrate (CoWoS)-Packaging von TSMC

Die Nutzung von Generativen K. I.-Modellen wie Google Bard, ChatGPT und Dall-E steigt rasant an. Diese Technologien erfordern KI-Chips, wie AMD Instinct und Nvidia H100. Diese Halbleiter werden in der CoWoS-Packaging-Technologie (Chip on Wafer on Substrate) von TSMC hergestellt. Da der Einsatz von GenAI drastisch zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Chips rapide an.

TSMC erweitert seine Kapazität durch die Bestellung weiterer Anlagen von derzeit 12.000 Wafer pro Monat auf 15.000 bis 20.000 Wafer pro Monat aus. Ziel ist eine Kapazität von 30.000 Wafer pro Monat.

„Generative AI (Artificial Intelligence) ist eine Form von Künstlicher Intelligenz, die auf Basis von Vorgaben und vorhandenen Informationen neue Inhalte generiert“, wie es der Bigdata-Insider definiert. „Es kommen K. I.-Verfahren und -Technologien wie trainierte neuronale Netzwerke, maschinelles Lernen (Deep Learning) und K. I.-Algorithmen zum Einsatz, um nach Anweisungen Texte, Bilder, Audio- und Videoinhalte, Programmcodes, 3D-Modelle und anderes zu erzeugen.“

Auf den Punkt gebracht

1. Der Halbleiterbedarf soll trotz starker Schwankungen bis 2030 eine Billion $ überschreiten. Treiber sind der Automobilsektor (+ 14 % p. a.) und Hi-Performance-Computing, z. B. für K. I. (+ 13 % p. a.).
2. Nach starken Investitionen in 2021 von 153 Mrd. $ (+ 35 %) und 182 Mrd. $ (+ 19 %) in 2022 folgt in diesem Jahr voraussichtlich eine Investitionskürzung auf 156 Mrd. $ (- 14 %). Der Markteinbruch im ersten Halbjahr 2023 ist dabei ein Faktor.
3. Bei den Foundries bleibt TSMC im 2. Quartal 2023 mit 56 % Weltmarktanteil der Solitär, mit weitem Abstand gefolgt von Samsung, 11 %, und GlobalFoundries mit 7 % Marktanteil.
4. Die drei größten Fabless-Hersteller bilden eine relativ homogene Gruppe im 1. Q. 2023 mit Qualcom, 23 %, Broadcom und Nvidia jeweils mit 20 % Marktanteil.
5. Der Bedarf an K. I.-Chips in CoWoS-Packaging-Technologie (Chip on Wafer on Substrate) von TSMC steigt rasant. TSMC erweitert derzeit seine Kapazität von 12.000 Wafern pro Monat auf 30.000 Wafer pro Monat.

Generative AI-Modelle wie Google Bard, ChatGPT und Dall-E verändern unsere Welt. Sie machen vieles einfacher, weil sie aus der Analyse riesiger Datenvolumen Muster und Strukturen erkennen und daraus etwas Neues generieren. Grenzwertig wird es, wenn z. B. Bewerber nur mit K. I. analysiert und abgelehnt werden, oder K. I. entscheiden würde, ob eine schwierige Operation erforderlich ist, ohne dass ein Mensch bei der Entscheidungsfindung teilnimmt.

Wir sollten allerdings nicht durch deutsche, sprich übergründliche Vorschriften und Gesetze ein zukunftsträchtiges und prosperierendes neues Geschäftsfeld gleich abwürgen. Unsere weltweiten Wettbewerber nehmen keine Rücksicht auf überzogene deutsche Befindlichkeiten.

Zum 21. Jahresabschluss möchte ich allen Lesern für Ihre Anregungen, Kritik und Kommentare danken.

Mein Dank ist verbunden mit den besten Wünschen für eine besinnliche Advents- und Weihnachtszeit.

Bleiben Sie uns auch im Jahr 2024 gewogen.

Es grüßt Sie herzlich
Ihr
Hans-Joachim Friedrichkeit

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