Wir hatten in diesem Sommer die Gelegenheit, an der Semicon West teilzunehmen, der führenden Konferenz für die Herstellung von Halbleiteranlagen, die in San Francisco stattfand. Zu den Unternehmen, mit denen wir uns trafen, gehörten ASML, Applied Materials, Merck, Schneider Electric und Siemens.
Der Halbleitersektor durchläuft derzeit große Veränderungen, die durch technologische Innovationen, sich verändernde Verbrauchererwartungen und geopolitische Dynamiken beeinflusst werden. Die meisten Anleger verbinden mit der Branche vor allem den KI-Hype und die sensationelle Performance der Nvidia-Aktie. In mehreren Texten haben wir die Wertschöpfungskette der Halbleiterbranche beleuchtet und das Ökosystem von Nvidia, AMD und Co. detailliert analysiert. Die aktuellen Trends, beobachtet auf der Semicon West.
Fortschritte in der Advanced Node Technology
Die Halbleiterindustrie macht große Fortschritte in der Advanced-Node-Technologie, wobei der Schwerpunkt auf der Erreichung kleinerer Prozessknoten wie 5nm und 3nm liegt, um die Leistung zu steigern, den Stromverbrauch zu senken und die Transistordichte zu erhöhen. Die Einführung der Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUV) findet immer größere Verbreitung und erleichtert die Produktion dieser fortgeschrittenen Knoten. Trotz der anhaltenden Herausforderungen versucht die Branche, die Grenzen des Mooreschen Gesetzes durch Innovationen bei der EUV-Strukturierung und neue Chip-Architekturen wie Nanoblech- oder Gate-Allaround-Transistoren zu erweitern.
Die fortschrittlichen Chips werden für künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt, insbesondere für Edge AI. Edge-KI-Chips werden immer effizienter. Kommerziell erhältliche Chips können inzwischen 1-100 Tera-Operationen pro Sekunde pro Watt (TOPS/W) liefern, und die laufende Forschung zielt auf eine noch höhere Effizienz von bis zu 10.000 TOPS/W ab. Darüber hinaus steigt die Nachfrage nach spezialisierten KI-Chips wie GPUs, TPUs und kundenspezifischen ASICs, da die KI-Arbeitslasten immer komplexer und umfangreicher werden.
Michael Lercel, Senior Director of Strategic Marketing bei ASML, gab uns auf der Semicon West einen Überblick über die Zukunft der Lithografie in der Halbleiterfertigung, wobei der Schwerpunkt auf dem Erreichen von Sub-2nm-Knoten lag. Wir werden dieses Thema in einem separaten Blog-Beitrag demnächst ausführlicher behandeln.
Stärkung der Widerstandsfähigkeit der Lieferkette
Die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette hat für die Halbleiterindustrie höchste Priorität, insbesondere angesichts der jüngsten Störungen. Geopolitische Faktoren wie Handelsspannungen und Exportkontrollen für moderne Fertigungsanlagen veranlassen die Unternehmen, ihre Lieferketten zu diversifizieren und in lokale Fertigungskapazitäten zu investieren. Darüber hinaus haben Bedenken hinsichtlich des Schutzes von geistigem Eigentum und Schwachstellen in der globalen Lieferkette den Bedarf an verbesserter Transparenz und Management erhöht, um Risiken zu mindern und die betriebliche Kontinuität sicherzustellen.
Auch die Regionalisierung der Halbleiterfertigung gewinnt an Dynamik, wobei Onshoring- und Nearshoring-Bemühungen darauf abzielen, die Abhängigkeit von bestimmten Regionen zu verringern und die Produktion näher an die Endmärkte zu bringen. Regierungen auf der ganzen Welt investieren aktiv in die heimische Halbleiterproduktion, um die Selbstversorgung zu verbessern und die technologische Führung zu erhalten.
5G und 6G beschleunigen das Internet der Dinge
Die Einführung von 5G-Netzen steigert die Nachfrage nach fortschrittlichen Halbleiterlösungen, einschließlich Hochfrequenzkomponenten, Modems und Basisbandprozessoren, erheblich, da die Branche daran arbeitet,
Hochgeschwindigkeitskommunikation mit geringer Latenz zu unterstützen. Parallel dazu laufen bereits erste Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die 6G-Technologie, die auf noch höhere Datenraten und eine weitere Reduzierung der Latenzzeiten abzielt.
Niedrige Latenzzeiten begünstigen das Aufkommen des Internets der Dinge (IoT), das auch neue Möglichkeiten für Halbleiterhersteller in verschiedenen Bereichen schafft, von Wearable Technology und Smart Home-Geräten bis hin zu medizinischer Elektronik und industrieller Automatisierung. Mit der zunehmenden Verbreitung des IoT steigt die Nachfrage nach effizienten, stromsparenden Halbleitern, die Edge-Computing betreiben und Daten lokal verarbeiten können, rapide an. Diese Trends verändern die Landschaft der Halbleiterfertigung, da die Welt immer vernetzter wird.
Einblicke in die 5G-Zukunft: Unser Besuch im Verizon Innovation Lab in San Francisco
Wir haben das Verizon Innovation Lab in San Francisco besucht, um uns aus erster Hand über die neuesten Fortschritte im Bereich 5G zu informieren.
Verizon hat Innovation Labs in Boston, San Francisco und Los Angeles eingerichtet, um Unternehmen bei der Entwicklung und Erprobung von 5G-Anwendungen zu unterstützen. Diese Labs bieten private 5G-Netzwerke und Edge-Computing-Infrastrukturen, die es Unternehmen ermöglichen, mit fortschrittlichen Technologien zu experimentieren. Außerdem bieten sie Fachwissen in Bereichen wie IoT, Gesundheitswesen, Automobiltechnologie und AR/VR. Über ein „Labs as a Service“-Modell hilft Verizon Unternehmen bei der Lösung technischer Probleme und der Durchführung von Proof-of-Concept-Tests.
Verizon arbeitet auch mit verschiedenen Unternehmen zusammen, um 5G-Anwendungen in unterschiedlichen Branchen zu erforschen. In der Fertigungsindustrie arbeitet das Unternehmen mit Corning Inc. zusammen, um die „5G-Fabrik der Zukunft“ zu entwickeln, die sich auf die Automatisierung und die Verfolgung der Lieferkette konzentriert. Im Gesundheitswesen arbeitet Verizon mit Emory Healthcare zusammen, um die Entwicklung von 5G-basierten Anwendungen zu beschleunigen, darunter Augmented und Virtual Reality für medizinische Schulungen und die Fernüberwachung von Patienten. Im Unterhaltungssektor arbeiten sie mit The Walt Disney Company zusammen, um interaktive Fan-Erlebnisse mit 5G und Motion-Capture-Technologie zu erforschen.
Trendforum Semicon West: Halbleiter-Rohstoffen auf der Spur
Silizium ist zwar nach wie vor das vorherrschende Material in der Halbleiterherstellung, doch werden derzeit neue Materialien erforscht, die es in bestimmten Anwendungen ergänzen oder sogar ersetzen könnten. Zu den vielversprechenden Alternativen gehören Galliumnitrid, das das Potenzial hat, die Effizienz von Stromnetzen zu verbessern, und Materialien wie Antimon und Wismut zur Verbesserung der Sensorleistung. Graphen wird als vielseitiges Halbleitermaterial untersucht, und Pyrit wird als nachhaltigerer Ersatz für Seltene Erden in Solarzellen erforscht. Darüber wurde auf der Semicon West über die zunehmend wichtigere Rolle von Materialien wie Germanium, Galliumnitrid und Siliziumkarbid diskutiert. Sie finden aufgrund ihrer Fähigkeit, die Leistung und Effizienz von Chips in verschiedenen Anwendungen zu steigern, zunehmend Aufmerksamkeit.
Mehr heterogene Integration
Die heterogene Integration gewinnt in der Halbleiterfertigung zunehmend an Bedeutung, da sie die Kombination verschiedener Chiptypen wie Logik-, Speicher- und HF-Chips in einem einzigen Gehäuse ermöglicht, was die Leistung verbessert und die Gesamtgröße verringert. Die System-in-Package-Technologie (SiP) ist ein Beispiel für diesen Ansatz, der effizientere und kompaktere Designs ermöglicht. Die Verwendung von modularen Chipdesigns oder Chiplets bietet zusätzliche Flexibilität und Kostenvorteile, da durch die Kombination kleinerer, spezialisierter Komponenten komplexere Systeme entstehen können.
Wie auf der Semicon West zu beobachten war, gewinnt auch die 3D-Chipintegration an Bedeutung. Hier werden Chips vertikal aufgebaut, um die Transistordichte zu erhöhen und die Leistung zu verbessern. Fortschrittliche Verpackungstechnologien wie das 3D-Packaging ermöglichen es, mehrere Schichten von Chips übereinander zu stapeln, was die Leistung weiter steigert und gleichzeitig den Platzbedarf minimiert. Fan-Out Wafer-Level-Packaging (FOWLP) ist eine weitere fortschrittliche Technik, die die Leistung verbessert und die Größe von Halbleiterbauelementen verringert und so zum Streben der Branche nach effizienteren und leistungsfähigeren Designs beiträgt.
Innovationsforum Semicon West: Intelligente Fertigungstechniken
Die Halbleiterindustrie setzt auf moderne Fertigungstechniken, um die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken. Die intelligente Fertigung, die durch Automatisierung und Digitalisierung vorangetrieben wird, rückt dabei in den Mittelpunkt. Durch den Einsatz von KI und IoT optimieren intelligente Fabriken die Produktionsprozesse, reduzieren Fehler und verbessern den Ertrag. Die Technologie des digitalen Zwillings ist ebenfalls auf dem Vormarsch und ermöglicht die Erstellung virtueller Nachbildungen von Produktionsanlagen zur Simulation, Optimierung und Fehlersuche. Darüber hinaus hilft die vorausschauende Wartung auf der Grundlage von Datenanalysen dabei, Anlagenausfälle vorherzusehen, Ausfallzeiten zu minimieren und die betriebliche Gesamteffizienz zu steigern.
Auch KI und maschinelles Lernen (ML) verändern auch die Halbleiterfertigung, wie wir auf der Semicon West erfahren konnten. Unternehmen nutzen diese Technologien für die vorausschauende Wartung, Ertragssteigerung und Prozessoptimierung.
Michael Frenna, Global Product Manager bei Applied Materials, sprach mit uns über die Beseitigung von Hindernissen auf dem Weg zu einem höheren Automatisierungsgrad in der Halbleiterindustrie. Er illustrierte die Herausforderungen und Lösungen bei der Automatisierung der Halbleiterfertigung. Es bestehe, so Frenna, eine wachsende Nachfrage nach höheren Fertigungskapazitäten. Er hob die zunehmende Komplexität der Chip-Produktion hervor, die die Arbeitsproduktivität belasten und den Bedarf an Automatisierung erhöhen. Trotzdem setzen viele Fabriken aufgrund von Hindernissen wie Fachkräftemangel, hohen Kosten und veralteten Systemen immer noch auf manuelle Abläufe. Technologische Fortschritte wie Cloud Computing, fortschrittliche Robotertechnik und verbesserte Manufacturing Execution Systems (MES) helfen, diese Hindernisse zu überwinden. Strategische Partnerschaften und neue automatisierte Materialhandhabungssysteme (AMHS) erleichtern ebenfalls eine größere Integration und Effizienz und ebnen den Weg für eine umfassendere Automatisierung in der Branche.
Weitere Beispiele von der Semicon West dafür, wie die Halbleiterindustrie intelligente Fertigungstechniken einsetzt, zeigen wir anhand einiger Beispiele aus der Praxis, die die Auswirkungen von Automatisierung, KI, IoT und anderen fortschrittlichen Technologien verdeutlichen:
1. Intelligente Fabriken
TSMCs Initiativen für eine intelligente Fertigung: Die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), die weltweit größte Halbleiter-Foundry, ist ein Paradebeispiel für intelligente Fertigung in Aktion. TSMC setzt KI und IoT ein, um seine Fertigungsprozesse zu automatisieren. Mit datengesteuerten Systemen ist das Unternehmen in der Lage, die Produktion in Echtzeit zu überwachen, die Leistung zu analysieren und Anpassungen vorzunehmen, um Ertrag und Effizienz zu verbessern. Auf diese Weise konnte TSMC hochwertige Produktionsstandards aufrechterhalten und gleichzeitig den Betrieb ausweiten, um die wachsende weltweite Nachfrage nach Halbleitern zu befriedigen.
2. Digitale Zwillinge
Der Einsatz von Digitalen Zwillingen bei Siemens: Siemens, ein führendes Unternehmen im Bereich der industriellen Automatisierung, hat die Technologie des digitalen Zwillings in seine Halbleiterfertigung integriert. Durch die Erstellung virtueller Nachbildungen seiner Fertigungsanlagen kann Siemens verschiedene Szenarien simulieren, Produktionsabläufe optimieren und potenzielle Probleme beheben, bevor sie in der realen Anlage auftreten. Dieser proaktive Ansatz ermöglicht es dem Unternehmen, Abläufe zu rationalisieren, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Gesamteffizienz zu verbessern.
3. Vorausschauende Wartung
Die Wartungsstrategien von Infineon: Infineon, ein großer Halbleiterhersteller, nutzt fortschrittliche Datenanalyse zur Überwachung des Zustands seiner Maschinen. Durch die kontinuierliche Analyse der Sensordaten von Produktionsanlagen kann Infineon vorhersagen, wann eine Maschine wahrscheinlich ausfallen wird, und Wartungsarbeiten einplanen, bevor es zu Produktionsunterbrechungen kommt. Diese Strategie hat zu einer erheblichen Verringerung der Ausfallzeiten und Wartungskosten geführt und letztlich die Produktionseffizienz verbessert.
Nachhaltigkeit und umweltfreundliche Herstellungspraktiken
Nachhaltigkeit ist in der Halbleiterindustrie zu einem zentralen Thema geworden, da die Unternehmen bestrebt sind, ihre Umweltauswirkungen zu minimieren. Es werden Anstrengungen unternommen, um energieeffiziente Herstellungsverfahren und Produkte zu entwickeln, die dazu beitragen können, den Kohlenstoff-Fußabdruck zu verringern. Daneben gibt es Initiativen, die darauf abzielen, Materialien zu recyceln und die Abfallmenge während des gesamten Herstellungsprozesses zu minimieren, was zu einer Kreislaufwirtschaft beiträgt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Wassereinsparung, wobei die Unternehmen wassersparende Technologien in ihren Betrieben einsetzen. Darüber hinaus ist die Förderung von Vielfalt und Integration innerhalb der Belegschaft von entscheidender Bedeutung, um Talente anzuziehen und zu halten, während die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie als Schlüssel zur Behebung des Talentmangels in diesem Bereich angesehen wird.
Nachhaltigkeit wird in der Halbleiterfertigung immer wichtiger, da die Unternehmen erhebliche Schritte zur Verringerung ihrer Umweltauswirkungen unternehmen. So hat sich Intel beispielsweise dazu verpflichtet, bis 2040 weltweit keine Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen. Das Unternehmen führt energieeffiziente Fertigungsprozesse ein, reduziert den Wasserverbrauch und setzt verstärkt auf erneuerbare Energien. Intel hat außerdem fortschrittliche Recyclingprogramme eingeführt, um Abfallmaterialien wiederzuverwenden und so zu einer Kreislaufwirtschaft beizutragen. Intels Halbleiterwerke verbrauchen große Mengen an Wasser, und das Unternehmen hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, eine 100-prozentige Wasserwiederherstellung zu erreichen, d. h. mehr Süßwasser aufzufüllen, als es verbraucht.
In ähnlicher Weise macht die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) Fortschritte bei umweltfreundlichen Praktiken. TSMC hat stark in grüne Energie investiert und plant, bis 2050 100 % seiner Energie aus erneuerbaren Quellen zu beziehen. Das Unternehmen konzentriert sich auch auf die Reduzierung der Emissionen von perfluorierten Verbindungen (PFC), einem starken Treibhausgas, das bei der Halbleiterherstellung verwendet wird. TSMCs Initiativen zur Wassereinsparung haben zu einer erheblichen Verringerung des Wasserverbrauchs in seinen Fabriken geführt, während seine Abfallmanagementprogramme den Schwerpunkt auf Recycling und Wiederverwendung legen und damit die Nachhaltigkeit weiter in seine Betriebsstrategie einbinden. Diese Beispiele verdeutlichen den allgemeinen Wandel der Branche hin zu umweltfreundlichen Praktiken, die angesichts der weiter steigenden Nachfrage nach Halbleitern von entscheidender Bedeutung sind.
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