Paradigmenwechsel in der Halbleiterindustrie – Das Ende von Moore’s Law?

Immer schneller, immer kleiner, immer leistungsfähiger – die Halbleiterindustrie ist seit ihrer Geburt vor rund 50 Jahren durch die Jagd nach immer kleineren Chipstrukturen und neuesten Fertigungstechnologien geprägt. Das berühmte Moore’sche Gesetz aus dem Jahr 1965, wonach sich die Leistung von Mikrochips in bestimmten Zeitabständen exponentiell erhöht, gab den Takt an. Nur wer bei den neuesten Technologiegenerationen zu den ersten gehörte, konnte von den damit einhergehenden sinkenden Stückkosten profitieren und damit seine Wettbewerbsfähigkeit sicherstellen.

Dieses Wettrennen wird – für die meisten Marktteilnehmer – extrem schwierig und bewirkt einen Paradigmenwechsel. Während sich zwar mit jedem Technologiesprung die Anzahl der Transistoren pro Chip und damit auch pro Siliziumscheibe (Wafer) um mehr als das Doppelte erhöht, steigt der Aufwand für Forschung und Entwicklung, lithografische Masken und das Fertigungs-Equipment noch schneller. Alleine die Masken für einen Chip mit Strukturbreiten von 65 Nanometer – das sind 65 Millionstel eines Millimeters – kostet heute bis zu zwei Millionen Euro. Für die Herstellung eines serienreifen Chip-Prototyps kann schnell ein Multi-Millionenbetrag zusammenkommen, und das ohne Berücksichtigung der Entwicklungskosten.

Die technischen Möglichkeiten des sogenannten „Shrinkings“ sind mit 65 Nanometern noch lange nicht ausgeschöpft: Die Vorbereitung auf 45 Nanometer ist bereits in vollem Gange, die Entwicklung von Produktionsverfahren für Halbleiter-Bauelemente mit 32-Nanometer-Strukturen, die bereits in wenigen Jahren eine Rolle spielen werden, hat begonnen. Angesichts des enormen Kapitalbedarfs, der mit der weiteren Miniaturisierung einhergeht, steht die Halbleiterindustrie vor der Frage: Müssen und können wir diesen Weg uneingeschränkt weiter gehen?

Tatsächlich gibt es immer mehr Produkte, die ihre Wettbewerbsfähigkeit nicht aus der reinen Strukturverkleinerung ziehen. Während vor 20 Jahren noch rund 70 Prozent aller Chips auf Basis der neuesten Technologie gefertigt wurden, sind es heute nur noch rund 40 Prozent, im Wesentlichen Speicherchips und Prozessoren. Im übrigen Geschäft mit Logikchips hingegen, also dem Markt, den Infineon Technologies adressiert, ist Moore’s Law nur noch für bestimmte Segmente interessant, beispielsweise in der Mobilkommunikation. Nicht nur die Strukturverkleinerung bestimmt hier den Fortschritt, sondern Innovationen im Produkt-Design, Systemkompetenz und Anwendungswissen. Und das alles möglichst kundenorientiert. Beispiele hierfür sind integrierte nichtflüchtige Speicher für Chipkarten und Chips für die Automobilindustrie oder die Integration von Hochfrequenzschaltungen mit Sprachverarbeitung für Einchip-Telefone.

Dieser Paradigmenwechsel hatte für die über lange Zeit fertigungs- und prozessgetriebene Halbleiterindustrie tiefgreifende strukturelle Veränderungen zur Folge. Das Aufbrechen der Wertschöpfungskette in spezialisierte Unternehmen hat bereits vor Jahren eingesetzt. Um die großen integrierten Halbleiterhersteller, die von der Entwicklung über die Fertigung bis hin zum Vertrieb fast alle Stufen der Wertschöpfungskette abdeckten, entstanden spezialisierte Unternehmen. Wesentliche Teile der Chipfertigung liegen heute in der Hand von Auftragsfertigern, dazu kommen Design-Häuser und IP-Lieferanten, die sich ausschließlich um die Chipentwicklung kümmern, sowie Lösungsspezialisten, die sich auf bestimmte Endkundensegmente fokussieren. Allerdings stößt diese strikte Auftrennung der Wertschöpfungskette für die hochspezialisierten Firmen heute schon an ihre Grenzen. Auftragshersteller (Foundries) werden versuchen sich zu differenzieren, indem sie mehr Design-Wissen erwerben und anbieten. Firmen, die nur Produkt-Design machen (Fabless), werden sich mehr mit den Fertigungstechnologien beschäftigen müssen, um die technische Komplexität moderner Technologien beherrschen zu können.

Dieser Strukturwandel schreitet weiter voran und betrifft aktuell vor allem die Aufstellung der integrierten Halbleiterhersteller, genauer gesagt, deren Fertigungsmodelle. „Fab-light“ heißt das Stichwort, unter dem inzwischen die Mehrheit der großen Player dazu übergegangen ist, für Bauteile ab einer bestimmten Strukturgröße auf eine eigene Fertigung zu verzichten. Die meisten Hersteller investieren nur noch in den Bereichen in eine eigene Fertigung, in denen eine enge Verknüpfung zwischen Technologieentwicklung, Produktdesign und Fertigung erforderlich ist und die eigene Fertigung einen wesentlichen Wettbewerbsfaktor darstellt. Die Herstellung von Produkten, die die neuesten Fertigungsprozesse erfordern, erfolgt verstärkt bei Auftragsfertigern.

Infineon setzt bei der Technologieentwicklung schon seit langem auf Kooperationen, bei denen sich die Partner die Kosten und Risiken der Entwicklung des Fertigungsprozesses teilen und eng miteinander kooperieren. Jedes der beteiligten Unternehmen kann die gemeinsam konzipierten Entwicklungsprozesse dann später in die eigene Herstellungsumgebung integrieren beziehungsweise bei einer Foundry herstellen lassen. Damit erhält sich Infineon die Kompetenz in der gesamten Wertschöpfungskette ohne in Fertigungskapazitäten investieren zu müssen und. Damit sind wir in der Lage, effizient Produkte für unsere Kunden zu entwickeln und die Prozesstechnologien damit optimal auszunutzen.

Ein Beispiel für eine solche Allianz ist die Kooperation von Infineon, Chartered, IBM, Samsung und Freescale. Infineon lässt seine 65-Nanometer-Produkte für Mobiltelefone bei Chartered fertigen; der zugrundeliegende Produktionsprozess wurde gemeinsam von allen Unternehmen entwickelt. Mit Allianzen wie diesen erhalten Halbleiterherstellern Zugang zu modernsten Chip-Fertigungstechnologien, ohne dabei in eigene Fertigungskapazitäten investieren zu müssen. Gleichzeitig können sie die Skaleneffekte eines größeren Fertigungsverbundes nutzen – ein wichtiges Thema, wenn man bedenkt, dass eine 300-Millimeter-Fabrik pro Woche 10.000 Wafer produzieren muss, um wirtschaftlich rentabel zu sein und eine solche Fabrik schon bei Strukturbreiten von 65 Nanometern von einem Unternehmen alleine kaum auszulasten ist.

Entwicklungs- und Fertigungsallianzen werden weiter an Bedeutung gewinnen. In Kombination mit einer Fertigung in eigenen Werken für Technologien mit Differenzierungspotenzial können Halbleiterunternehmen für die unterschiedlichen Produktgruppen die jeweils kosteneffektivste Fertigungsmethode heranziehen und gleichzeitig an vorderster Front der Technologieentwicklung mit dabei sein.