Die große Chipkrise bedroht das Versprechen von Moore’s Law

Diese extreme Ultraviolett-Lithografiemaschine ermöglicht es Herstellern, Spitzenchips mit Merkmalen von wenigen Nanometern Größe herzustellen. ASML

Ein Jahr nach Beginn der Covid-19-Pandemie feierte Apple die wachsende Zahl von Geräten mit seinem benutzerdefinierten M1-Chip mit großem Tamtam, darunter a Mission Unplausible-Werbung im Fernsehen mit einem jungen Mann, der über die Dächer seines Raumschiff-Campus in Cupertino rennt und die Einrichtung infiltriert, um den bahnbrechenden Mikroprozessor von einem MacBook zu stehlen und ihn in ein iPad Pro zu stecken.

Apples kundenspezifischer Chip ist der neueste Triumph für Moores Gesetz , wurde die Beobachtung zur sich selbst erfüllenden Prophezeiung, dass Chiphersteller die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle paar Jahre verdoppeln können. Der M1 packt 16 Milliarden Transistoren auf einen Mikroprozessor in der Größe einer großen Briefmarke. Es ist ein Wunder der heutigen Leistungsfähigkeit der Halbleiterfertigung.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2021

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Aber selbst als Apple den M1 feierte, stand die Welt vor einer wirtschaftlich verheerenden Krise Mangel an Mikrochips , insbesondere die relativ billigen, die viele der heutigen Technologien ermöglichen.

Autohersteller haben Fließbänder stillgelegt und Arbeiter entlassen, weil sie nicht genug 1-Dollar-Chips bekommen können. Hersteller haben darauf zurückgegriffen, Fahrzeuge ohne die Chips zu bauen, die für Navigationssysteme, digitale Rückspiegel, Display-Touchscreens und Kraftstoffmanagementsysteme erforderlich sind. Insgesamt könnte die globale Automobilindustrie mehr als verlieren 110 Milliarden Dollar für den Mangel im Jahr 2021.

Auch die Produktion von Smartphones, Laptops, Videospielkonsolen, Fernsehern und sogar intelligenten Geräten hat sich verlangsamt, alles wegen des Mangels an billigen Mikrochips. Ihre Verwendung ist so wichtig und so weit verbreitet, dass einige Beobachter glauben, dass die Chipkrise die globale wirtschaftliche Erholung von der Pandemie gefährden könnte.

Die weltweite Knappheit wirft ein grelles Schlaglicht auf die Fähigkeit der Halbleiterindustrie, billigere und leistungsfähigere Mikrochips zu liefern. Das langjährige Versprechen von Chips mit immer mehr Fähigkeiten inspirierte Ingenieure, Programmierer und Produktdesigner dazu, Generationen neuer Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln. Das Mooresche Gesetz war mehr als nur ein Fahrplan für die Halbleiterindustrie – es hat den technologischen Wandel im letzten halben Jahrhundert bestimmt.

Jetzt bröckelt dieses Versprechen von mehr Rechenleistung überall, aber nicht, weil die Chiphersteller endlich an die physikalischen Grenzen der Technologie gestoßen sind, um immer kleinere Transistoren herzustellen. Stattdessen haben die wachsenden Kosten für die Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes die Konsolidierung unter den Chipherstellern gefördert und weitere Engpässe im immens komplexen Geschäft der Chipproduktion geschaffen.

Auch wenn Mikrochips in so vielen Produkten unverzichtbar geworden sind, wird ihre Entwicklung und Herstellung von einer kleinen Anzahl von Herstellern mit begrenzter Kapazität – und begrenztem Appetit – für die Produktion der Standardchips, die eine Grundvoraussetzung für die heutigen Technologien sind, dominiert. Und da die Herstellung von Chips Hunderte von Fertigungsschritten und monatelange Produktionszeit erfordert, kann die Halbleiterindustrie nicht schnell umschwenken, um den pandemiebedingten Nachfrageschub zu befriedigen.

Nachdem wir uns jahrzehntelang darüber geärgert haben, wie wir Merkmale von nur wenigen Nanometern auf Siliziumwafern herausarbeiten können, wird der Geist des Mooreschen Gesetzes – die Erwartung, dass billige, leistungsstarke Chips leicht verfügbar sein werden – jetzt von etwas weitaus Alltäglicherem bedroht: Unflexibilität Lieferketten.

Eine einsame Grenze

Vor zwanzig Jahren gab es weltweit 25 Hersteller, die Spitzenchips herstellten. Nur heute Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) in Taiwan, Intel in den Vereinigten Staaten und Samsung in Südkorea verfügen über die Einrichtungen oder Fabriken, die die fortschrittlichsten Chips produzieren. Und Intel, seit langem ein Technologieführer, hat Mühe, Schritt zu halten, da es wiederholt Fristen für die Produktion seiner neuesten Generationen verpasst hat.

Ein Grund für die Konsolidierung ist, dass der Bau einer Anlage zur Herstellung der fortschrittlichsten Chips zwischen 5 und 20 Milliarden US-Dollar kostet. Diese Fabriken stellen Chips mit Merkmalen von nur wenigen Nanometern her; im Fachjargon heißen sie 5-Nanometer- und 7-Nanometer-Knoten. Ein Großteil der Kosten für neue Fabriken fließt in den Kauf der neuesten Ausrüstung, z. B. eines Werkzeugs namens an Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUV)-Maschine, die mehr als 100 Millionen Dollar kostet. EUV-Maschinen, die ausschließlich von ASML in den Niederlanden hergestellt werden, werden verwendet, um detaillierte Schaltungsmuster mit Merkmalen in Nanometergröße zu ätzen.

Chiphersteller arbeiten seit mehr als zwei Jahrzehnten an der EUV-Technologie. Nach Investitionen in Milliardenhöhe wurden EUV-Maschinen 2018 erstmals in der kommerziellen Chipproduktion eingesetzt. Dieses Tool ist 20 Jahre zu spät und zehnmal über dem Budget, weil es erstaunlich ist, sagt David Kanter, Executive Director eines offenen Engineering-Konsortiums, das sich auf maschinelles Lernen konzentriert. Es ist fast magisch, dass es überhaupt funktioniert. Es ist total wie Science-Fiction.

Solch ein gigantischer Aufwand machte es möglich, die Milliarden winziger Transistoren in Apples M1-Chip zu schaffen, der von TSMC hergestellt wurde; Es gehört zur ersten Generation von Spitzenchips, die sich vollständig auf EUV verlassen.

Nur die größten Technologieunternehmen sind bereit, Hunderte Millionen Dollar für die Entwicklung eines Chips für Spitzenknoten zu zahlen.

Für die besten Chips zu bezahlen macht für Apple Sinn, denn diese Chips stecken in den neuesten MacBook- und iPhone-Modellen, die sich millionenfach zu Luxusmarkenpreisen verkaufen. Das einzige Unternehmen, das EUV tatsächlich in großem Umfang einsetzt, ist Apple, und sie verkaufen Smartphones im Wert von 1.000 US-Dollar, für die sie eine wahnsinnige Marge haben, sagt Kanter.

Nicht nur die Fabriken zur Herstellung solcher Chips sind teuer, sondern die Kosten für die Entwicklung der immens komplexen Schaltungen sind heute für viele Unternehmen unerschwinglich. Neben Apple sind nur die größten Tech-Unternehmen, die höchste Rechenleistung benötigen, wie z Qualcomm , AMD , und NVIDIA , sind bereit, Hunderte von Millionen Dollar zu zahlen, um einen Chip für Spitzenknoten zu entwerfen, sagt Sri Samavedam, Senior Vice President für CMOS-Technologien bei Imec, einem internationalen Forschungsinstitut mit Sitz in Leuven, Belgien.

Viele weitere Unternehmen produzieren Laptops, Fernseher und Autos, die Chips verwenden, die mit älteren Technologien hergestellt wurden, und eine steigende Nachfrage nach diesen ist der Kern der aktuellen Chipknappheit. Einfach ausgedrückt, eine Mehrheit der Chipkunden kann sich die neuesten Chips nicht leisten – oder will nicht dafür bezahlen; Ein typisches Auto verwendet heute Dutzende von Mikrochips, während ein Elektrofahrzeug viel mehr verwendet. Es summiert sich schnell. Stattdessen sind Hersteller von Dingen wie Autos bei Chips geblieben, die mit älteren Technologien hergestellt wurden.

Darüber hinaus benötigen viele der heute beliebtesten Elektronikgeräte einfach keine Spitzenchips. Es macht beispielsweise keinen Sinn, einen A14 [iPhone und iPad]-Chip in jeden einzelnen Computer, den wir auf der Welt haben, einzubauen, sagt Hassan Khan, ein ehemaliger Doktorand an der Carnegie Mellon University, der die Auswirkungen auf die öffentliche Ordnung untersucht hat das Ende von Moore's Law und arbeitet derzeit bei Apple. Sie brauchen es nicht in Ihrem intelligenten Thermometer zu Hause, und Sie brauchen nicht 15 davon in Ihrem Auto, weil es sehr stromhungrig und sehr teuer ist.

Das Problem ist, dass sich die Giganten der Halbleiterindustrie auf den Bau neuer Spitzenfabriken konzentriert haben, obwohl sich immer mehr Benutzer auf ältere und billigere Chiptechnologien verlassen. TSMC, Samsung und Intel haben kürzlich Investitionen in Milliardenhöhe für die neuesten Fertigungsanlagen angekündigt. Ja, sie sind teuer, aber darin liegen die Gewinne – und in den letzten 50 Jahren liegt darin die Zukunft.

TSMC, der weltweit größte Vertragshersteller für Chips, erwirtschaftete fast 60 % seines Umsatzes im Jahr 2020 mit der Herstellung von Spitzenchips mit Merkmalen von 16 Nanometern und kleiner, darunter Apples M1-Chip, der im 5-Nanometer-Fertigungsprozess hergestellt wurde.

Erschwerend kommt hinzu, dass niemand Halbleiterherstellungsanlagen zur Unterstützung älterer Technologien baut, sagt Dale Ford, Chefanalyst bei der Electronic Components Industry Association, einem Handelsverband mit Sitz in Alpharetta, Georgia. Und so stecken wir hier irgendwie zwischen einem Felsen und einer harten Stelle fest.

Low-End-Chips

All dies ist für die Nutzer von Technologie nicht nur wegen der Versorgungsunterbrechung, die sie heute verursacht, von Bedeutung, sondern auch, weil sie die Entwicklung vieler potenzieller Innovationen gefährdet. Zusätzlich dazu, dass billigere Standardchips schwerer zu bekommen sind, werden sie auch relativ teurer, da jede Chipgeneration teurere Ausrüstung und Einrichtungen erforderte als die Generationen davor.

Einige Verbraucherprodukte erfordern einfach leistungsfähigere Chips. Der Ausbau schnellerer 5G-Mobilfunknetze und die Zunahme von Computeranwendungen, die auf 5G-Geschwindigkeiten angewiesen sind, könnten Investitionen in spezialisierte Chips erzwingen, die für Netzwerkgeräte entwickelt wurden, die mit Dutzenden oder Hunderten von mit dem Internet verbundenen Geräten kommunizieren. Fahrzeugfunktionen wie fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und fahrzeuginterne Infotainmentsysteme können ebenfalls von Spitzenchips profitieren, wie der Hersteller von Elektrofahrzeugen beweist Teslas gemeldete Partnerschaften mit TSMC und Samsung On-Chip-Entwicklung für zukünftige selbstfahrende Autos.

Aber der Kauf der neuesten Spitzenchips oder die Investition in spezialisierte Chipdesigns sind für viele Unternehmen möglicherweise nicht praktikabel, wenn sie Produkte für eine intelligente Zukunft entwickeln. Hersteller von Consumer-Geräten wie einem Wi-Fi-fähigen Sous-Vide-Gerät werden das Geld wahrscheinlich nicht ausgeben, um selbst spezialisierte Chips zu entwickeln, um noch ausgefallenere Funktionen hinzuzufügen, sagt Kanter. Stattdessen werden sie wahrscheinlich auf alle Chips zurückgreifen, die mit älteren Technologien hergestellt werden können.

Die Mehrheit der heutigen Chipkunden begnügt sich mit den billigeren Standardchips, die einen Kompromiss zwischen Kosten und Leistung darstellen.

Und billigere Artikel wie Kleidung, sagt er, haben hauchdünne Margen, die wenig Spielraum für teurere Chips lassen, die einen Dollar – geschweige denn 10 oder 20 Dollar – zum Preis jedes Artikels hinzufügen würden. Das bedeutet, dass der steigende Preis für Rechenleistung die Entwicklung von Kleidung verhindern könnte, die beispielsweise Sprachbefehle oder Wetteränderungen erkennen und darauf reagieren könnte.

Die Welt kann wahrscheinlich ohne ausgefallenere Sous-Vide-Maschinen leben, aber das Fehlen immer billigerer und leistungsfähigerer Chips würde einen echten Preis haben: das Ende einer Ära von Erfindungen, die durch Moores Gesetz und sein jahrzehntealtes Versprechen einer immer erschwinglicheren Rechenleistung angetrieben wird stehen für die nächste Innovation zur Verfügung.

Die Mehrheit der heutigen Chipkunden begnügt sich mit den billigeren Standardchips, die einen Kompromiss zwischen Kosten und Leistung darstellen. Und es ist das Angebot an solchen Commodity-Chips, das bei weitem nicht ausreichend erscheint, da die weltweite Nachfrage nach Rechenleistung wächst.

Es ist immer noch so, dass der Halbleiterverbrauch in Fahrzeugen steigt, der Halbleiterverbrauch in Ihrem Toaster und für alle möglichen Dinge steigt, sagt Willy Shih, Professor für Managementpraxis an der Harvard Business School. Die Frage ist also, wo wird der Mangel als nächstes zuschlagen?

Ein globales Anliegen

Anfang 2021 unterzeichnete Präsident Joe Biden eine Mandatserteilung Lieferkettenüberprüfungen für Chips und warf seine Unterstützung hinter einen überparteilichen Vorstoß im Kongress, zumindest zuzustimmen 50 Milliarden US-Dollar für die Halbleiterherstellung und -forschung . Biden hielt auch zwei Gipfeltreffen im Weißen Haus mit Führungskräften aus der Halbleiter- und Autoindustrie ab, darunter ein Treffen am 12. April, bei dem er prominent einen Siliziumwafer ausstellte.

Die Maßnahmen werden das Ungleichgewicht zwischen Chipnachfrage und -angebot in absehbarer Zeit nicht lösen. Experten sagen jedoch, dass die heutige Krise zumindest eine Gelegenheit für die US-Regierung darstellt, zu versuchen, die Lieferkette endlich zu reparieren und die allgemeine Verlangsamung der Halbleiterinnovation umzukehren – und vielleicht die Kapazität der USA zur Herstellung der dringend benötigten Chips zu stärken.

Schätzungsweise 75 % aller Chipherstellungskapazitäten befanden sich ab 2019 in Ostasien, wobei der US-Anteil bei etwa 13 % lag. Allein Taiwans TSMC hat fast 55 % des Foundry-Marktes, der Aufträge für die Herstellung von Verbraucherchips abwickelt.

Über allem schwebt die Rivalität zwischen den USA und China. Chinas nationales Meisterunternehmen SMIC baut Fabriken, die immer noch fünf oder sechs Jahre hinter dem neuesten Stand der Chiptechnologien zurückliegen. Aber es ist möglich, dass chinesische Foundries in den kommenden Jahren dazu beitragen könnten, die weltweite Nachfrage nach Chips zu decken, die auf älteren Knoten aufgebaut sind. Angesichts der staatlichen Subventionen, die sie erhalten, ist es möglich, dass chinesische Gießereien die kostengünstigsten Hersteller sein werden, da sie Fabriken an den 22-Nanometer- und 14-Nanometer-Knoten errichten, sagt Khan. Chinesische Fabriken sind an der Grenze vielleicht nicht wettbewerbsfähig, aber sie könnten einen wachsenden Teil der Nachfrage decken.

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Die globale Halbleiterindustrie muss ihre Gesamtkapazität bis 2030 fast verdoppeln, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, so die Semiconductor Industry Association (SIA), eine in Washington ansässige Industriegruppe, die sich dafür eingesetzt hat, die globale Lieferkette zu stärken, anstatt zu versuchen, sie aufzubauen vollständig autarke inländische Produktionskapazität.

Aber in Anspielung auf die Bedeutung fortschrittlicher Chips für die nationale Sicherheit und kritische Infrastruktur schlägt der SIA vor, dass die USA marktorientierte Anreize für Unternehmen bieten, zwei oder drei neue Spitzenfabriken im Inland zu bauen. Das könnte dazu beitragen, dass die wichtigsten Telekommunikationsnetze und Rechenzentren des Landes – zusammen mit dem US-Militär – über eine inländische Versorgung mit Chips verfügen.

Die Fototermine des Weißen Hauses mit dem Präsidenten erinnerten an die Rolle, die die Regierung seit den Anfängen der Halbleiterindustrie gespielt hat, die dem Silicon Valley seinen Namen gab. Diese Front und Mitte zu schaffen, ist etwas, worüber der Präsident seit Ronald Reagan nicht mehr so ​​gesprochen hat, sagt Margaret O’Mara, Historikerin an der University of Washington in Seattle. Biden sitzt da und wedelt mit einer Waffel herum – ich glaube nicht, dass ich das jemals in einer Präsidentenhand gesehen habe.

Die US-Regierung wurde zum ersten und vielleicht größten Risikokapitalgeber des Valley, schrieb O’Mara in ihrem Buch von 2019 Der Code: Silicon Valley und die Neugestaltung Amerikas . Große Regierungsaufträge für Chips zur Versorgung des Apollo-Programms der NASA und der Minuteman-Interkontinentalraketen des Militärs ermutigten die Chiphersteller, mit der Massenproduktion zu beginnen, und trugen dazu bei, die Kosten der ersten Siliziumchips von jeweils 1.000 US-Dollar im Jahr 1960 auf nur 25 US-Dollar im Jahr 1965 zu senken.

Der Preisverfall machte Rechenleistung für viele erschwinglich, nicht nur für finanzkräftige Regierungsbehörden. Es leitete das goldene Zeitalter des Mooreschen Gesetzes ein, in dem Kunden die Vorteile billigerer Chips nutzten, die auch alle paar Jahre eine bessere Leistung lieferten. Und Sie wissen vielleicht nicht, dass sein Versprechen in Gefahr war, wenn Sie nur die neueste Anzeige von Apple weitermachen müssten.

Während ich O’Mara für diese Geschichte interviewte, tauchte wie aufs Stichwort ein Lieferbote vor ihrer Tür auf.

Apropos Chips, ich bekomme gerade meinen nagelneuen Computer geschenkt, sagte sie lachend. Ja, ich habe mein neues MacBook mit meinem M1-Chip.

Jeremy Hsu ist Technologie- und Wissenschaftsjournalist in New York City.

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