Die Portfoliomanager für Technologieaktien Alison Porter, Graeme Clark und Richard Clode sprechen über Herausforderungen und Chancen in dem sich verändernden Halbleitersektor, der ein wichtiger Motor für die technologische Entwicklung ist.

Zentrale Erkenntnisse:

  • Halbleiterfirmen ringen um die Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes, Grundlage für technologische Innovationen. Das führt zu strukturellen Veränderungen im Technologiesektor.
  • Das US-Unternehmen Intel, Ursprung des Mooreschen Gesetzes, entwickelt sich zwar weiterhin dynamisch, leidet jedoch unter der Entscheidung, keine Chips für das iPhone zu liefern sowie unter dem verschärften Wettbewerb und dem Outsourcing-Verzicht.
  • Der Halbleitersektor steht vor komplexen Herausforderungen, darunter auch geopolitischen Spannungen. Das hat die Technologielandschaft verändert und birgt Risiken und Chancen für Anleger.

Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Dichte von Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis ungefähr alle zwei Jahre verdoppeln kann. Diese relativ einfache Theorie aus dem Jahr 1965 stammt von Gordon Moore, einem der Mitbegründer von Intel in Portland, Oregon, und bildet die Grundlage für alle technologischen Innovationen, die es seither in einem halben Jahrhundert gegeben hat. Die Möglichkeit, die Leistung zu steigern und gleichzeitig Kosten zu senken, und so bessere, schnellere und günstigere Produkte zu erhalten, war der Hauptmotor für die technologische Entwicklung und die Marktanteilsgewinne von Technologieunternehmen. Kurz nachdem das Mooresche Gesetz erstmals formuliert wurde, landete der erste Mensch auf dem Mond, und die gesamte Rechnerleistung der NASA entsprach damals der eines einzigen iPhones. Der neueste NVIDIA Ampere (Mikro-) Chip, mit dem künstliche Intelligenz trainiert wird, packt 54 Milliarden Transistoren auf einen Chip, der kleiner ist als drei Quadratzentimeter.

Das nahe Ende des Mooreschen Gesetzes kurbelt Innovationen im Technologiesektor an

Es ist erstaunlich, wie lange sich das Mooresche Gesetz in dem extrem dynamischen Technologiesektor, in dem es nur wenige Konstanten gibt, gehalten hat. Die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes werden jedoch seit Langem diskutiert; Jensen Huang, CEO des Halbleiterriesen NVIDIA verkündet nun als Letzter dessen Niedergang. Das ist ein Grund dafür, dass er den Rivalen ARM Holdings übernehmen will. In den meisten Fällen wurden Herausforderungen bislang mit innovativen Lösungen gemeistert. Als ASML sich verzweifelt bemühte, bei seinen Lithografiesystemen die erforderliche Auflösung für die Herstellung dieser extrem feinen Schaltkreise zu erreichen, die an ihre eigenen physikalischen Grenzen stießen, wurde eine neue Lösung entwickelt, bei der der höhere Brechungsindex von Wasser genutzt wird, um Unschärfe zu reduzieren. Dies war die Geburtsstunde der Immersionslithografie. Vor 15 Jahren begann mit der Dennard-Skalierung die Möglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs in Übereinstimmung mit dem Mooreschen Gesetz zu bröckeln.

Früher bestand ein Intel-Prozessor aus einem großen Kern, wobei die Frequenz oder Verarbeitungsgeschwindigkeit jedes Jahr exponenziell anstieg. Seit die Taktfrequenz eines Intel Pentium 4 im Jahr 2002 3 GHz (oder 3 Milliarden Zyklen pro Sekunde) erreichte und damit im Vergleich zum ersten kommerziellen PC aus dem Jahr 1974, der mit einem Intel 8080 mit 2 MHz (2 Millionen Zyklen pro Sekunde) ausgestattet war, enorm gesteigert wurde, verlangsamt sich die Entwicklung deutlich. Moderne Intel-Prozessoren erreichen knapp 5 GHz. Das Problem ist, dass die Transistoren in diesem Nanometer-Bereich so nah nebeneinander liegen, dass elektrische Leckströme entstehen. In der Folge entsteht mehr Abwärme die zulasten der Leistung geht. Damit verbunden ist das Problem von sogenanntem Dark Silicon. Dabei handelt es sich um jenen Teil der Transistoren, die aufgrund des Wärmeproblems abgeschaltet werden. Die Lösung dafür bestand darin, Chips mit vielen kleineren, statt einem großen Kern zu bauen. Diese Multi-Core-Architektur wird heute bei allen Prozessoren von Intel, Advanced Micro Devices (AMD), NVIDIA oder Apple verwendet. Mit dem jüngst angekündigten Schulterschluss von NVIDIA und ARM schließen sich die Multi-Core-Führer im Bereich Grafikprozessoren (GPU) und mobile zentrale Recheneinheiten (CPU) zusammen.

Intel hat ein Problem

Trotz der oben genannten Herausforderungen galt das Mooresche Gesetz vor allem unter seinem traditionellen Hüter Intel weiter, der mit den kleinsten Transistoren und leistungsstärksten Computerchips Branchenführer war. Der Grund für diese einzigartige Kompetenz lag teilweise in der konträren Haltung gegenüber den Rivalen in den USA und Japan, die ihre Halbleiterfertigung zunehmend an Auftragsfertiger (Foundries) auslagerten. Intel stand dagegen felsenfest zu seiner Zusage, Chip-Produktion und -Design im Haus zu behalten. Ab 2013/14 tauchten jedoch langsam Probleme am 14-nm-Fertigungsknoten auf, wo erneut Intel als Erster auf den Markt kam, wenn auch mit einigen Verzögerungen. Angesichts des geringen Wettbewerbs war dies für die von Intel belieferten PC- und Servermärkte kein großes Problem. Der Beschluss des Unternehmens 2005, die Herstellung von Chips für das iPhone einzustellen markierte jedoch den Anfangspunkt für zukünftige Probleme. Intel war nicht das einzige Unternehmen, das den Erfolg des iPhones deutlich unterschätzt hat. Heute ist Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) die weltweit größte Foundry. Das Unternehmen stellt jedes Jahr über 200 Millionen iPhone-Prozessoren für Apple her und testet damit die Grenzen des Mooreschen Gesetzes. Apples Innovationskadenz, die Größe des Smartphone-Marktes und die beträchtlichen Gewinne von TSMC führten dazu, dass die Wettbewerbsprobleme von Intel, als die Fertigungsprobleme Intel am 10-nm-Knotenpunkt schmerzlich trafen (und zu einer vierjährigen Verzögerung führten), viel gravierender waren. Intels schärfster Rivale AMD folgte dem Trend zur Auslagerung der Produktion, indem er zunächst sein Fertigungsgeschäft in GlobalFoundries ausgliederte und nach einigen Jahren enttäuschender Ausführung schließlich den folgenschweren Beschluss fasste, die Fertigung an TSMC zu übertragen. Dafür nahm es sogar eine satte Beendigungszahlung an GlobalFoundries in Kauf.

Als sich das Mooresche Gesetz bei Intel in Oregon seinen Grenzen näherte, brachte TSMC im Hsinchu Science Park in Taiwan mit zuverlässiger Regelmäßigkeit jedes Jahr einen neuen iPhone-Chip heraus und ermöglicht es AMD nun erstmals, Chips herzustellen, die der Leistung von Intel entsprechen. Nachdem Intel vor Kurzem Verzögerungen beim 7-nm-Prozess bekanntgegeben hat, rechnen Investoren nun mit einem Ende des Mooreschen Gesetzes bei Intel, einem Wechsel zu einem Outsourcing-Modell an eine Foundry, der Wahrscheinlichkeit erheblicher Marktanteilsgewinne für AMD in den kommenden Jahren sowie Ambitionen von NVIDIA, im Anschluss an die geplante ARM-Übernahme Rechenzentrumsanteile von Intel zu übernehmen.

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Schlüsselfragen für die Halbleiterindustrie

Die gegenwärtige Situation könnte nicht nur den Halbleiter- sondern den gesamten Technologiesektor grundlegend verändern, vor allem angesichts der eskalierenden Spannungen zwischen den USA und China. Geht dem Mooreschen Gesetz langsam die Puste aus? Oder ist es ein reines Intel-Problem? Wird TSMC in Zukunft der Hüter des Mooreschen Gesetzes sein? Oder wird es ein neues „Morris-Gesetz“ geben, benannt nach Morris Chang, dem Gründer und langjährigen CEO bzw. Vorsitzenden von TSMC?

Einiges deutet darauf hin, dass zumindest das Mooresche Gesetz wie wir es kennen, nie mehr dasselbe sein wird. Die Herstellung eines Chips mit Milliarden von Transistoren im einstelligen Nanometerbereich ist eine unglaubliche Herausforderung. Außerdem gibt es viel Propaganda unter den Protagonisten, wobei TSMC derzeit mit 5-nm-Strukturen fertigt, Intel dagegen mit umständlicheren 10-nm-Strukturen. Dennoch sind die meisten unabhängigen Beobachter der Meinung, dass TSMC sich derzeit in etwa auf Augenhöhe mit Intel befindet. Außerdem ist der Hauptkunde von TSMC für 5-nm-Chips Apple, und die Größe eines iPhone-Prozessors unterscheidet sich um den Faktor fünf bis zehn von Prozessoren, die in Servern verwendet werden. Die Herstellung eines größeren Chips ist exponentiell schwieriger. Daher ist die Riege der TSMC-Spitzenkunden auf Apple, Qualcomm und Huawei/HiSilicon geschrumpft. AMD und NVIDIA verwenden den 7-nm-Prozess von TSMC. AMD geht sogar noch weiter, um die Herausforderungen zu meistern, und spaltet den Chip selbst in „Chiplets“ auf, die dann durch Advanced-Packaging-Prozesse wieder miteinander verbunden werden. Da wir sowohl beim Mooreschen Gesetz als auch bei den Möglichkeiten der Lithografie an Grenzen stoßen, hat Intel angekündigt, dass es zum 7-nm-Prozess übergehen wird. Diese kleineren „Chiplets“ oder „Kacheln“, wie Intel sie nennt, sind vergleichsweise einfach herzustellen, verursachen allerdings höhere Kosten und gehen auf Kosten der Leistung.

Intel hat einen Plan

Intel bleibt offiziell dabei, dass es seine Chips selbst herstellt. Das ist in der Firmen-DNA verankert. Bei vielen Chips lagert Intel die Fertigung bereits aus, Kernprozessoren werden allerdings intern hergestellt. Angesichts der anhaltenden Verzögerungen und der jüngsten Äußerungen des Managements, dass es im Falle weiterer Verzögerungen einen Plan B für die 7-nm-Fertigung gibt, der das Outsourcing an TSMC vorsieht, zweifeln Investoren inzwischen an dem offiziellen Bekenntnis. In diesem Zusammenhang müssen einige Faktoren berücksichtigt werden. Intel wollte eine Wiederholung des 10-nm-Debakels vermeiden. Damals reagierten Kunden, die sich bei ihren Produkt-Roadmaps auf Intel verlassen, zunehmend verzweifelt, da ihre Pläne über Jahre massiv gestört wurden. Daher soll es dieses Mal einen soliden Back-up-Plan geben, um die Kunden zu beruhigen. Intel beteuerte ferner, dass die Umstellung auf Kacheln dem Unternehmen ein flexibleres Outsourcing ermöglicht, weil bei Bedarf die Fertigung einer Kachel statt des gesamten Chips ausgelagert werden kann. Hinzu kommen geopolitische Erwägungen. Die amtierende US-Regierung und auch die potenziellen künftigen Hausherrn des Weißen Hauses haben versprochen, die US-Halbleiterindustrie und vor allem die Kapazitäten für die Herstellung modernster Chips strategisch zu unterstützen. Von einer Foundry auf einer Insel vor der chinesischen Küste abhängig zu sein, dürfte vielen US-Firmenbossen und auch dem Pentagon den Schlaf rauben. Derzeit ist Intel der führende US-Halbleiterhersteller. Samsung betreibt eine kleinere Fertigungsanlage im texanischen Austin und TSMC will 2024 eine noch kleinere Produktionsstätte im texanischen Phoenix bauen. Es erscheint unwahrscheinlich, dass Intel seine Fertigung vollständig an TSMC auslagert, mit den damit verbundenen Problemen für die nationale Sicherheit und dem damit einhergehenden Verlust von Tausenden Arbeitsplätzen in der Fertigung von Spitzenhalbleitern. Obwohl es nicht unmöglich ist, insbesondere wenn Intel weiter die Grenzen des Mooreschen Gesetzes testet, scheint Plan A für das Unternehmen darin zu bestehen, intern mit dem Mooreschen Gesetz wieder auf Kurs zu kommen.

Herausforderungen und Chancen

Für TSMC stellen Hochleistungsprozessoren nach wie vor eine große Chance dar, die benötigt wird, da das phänomenale Wachstum bei Smartphones in den letzten zehn Jahren nachlässt, wenngleich in Kürze ein Schub durch 5G zu erwarten ist. Es sieht ganz danach aus, als würde TSMC in den nächsten Jahren der Hüter des Mooreschen Gesetzes sein. Die Hoffnungen, dass Intel in großem Stil outsourcen wird, sind wahrscheinlich zu optimistisch. Die Herausforderungen für Intel bescheren Kunden wie AMD oder NVIDIA/ARM Möglichkeiten, Marktanteile zu gewinnen, voraussichtlich zum Nutzen von TSMC. Für Intel könnte es zusätzliche Möglichkeiten geben, einige davon wohl nur vorübergehend, andere eher dauerhaft.

Daneben muss sich TSMC weiter auf dem schmalen Grat der eskalierenden Spannungen zwischen den USA und China bewegen. Die neuesten Restriktionen der US-Regierung, die speziell darauf abzielen, die Beziehungen zwischen TSMC und Huawei/HiSilicon* zu stören, erinnern erneut daran, welche Auswirkungen die Geopolitik haben kann. TSMC hat bereits eine Fabrik in China gebaut und nun zugesichert eine weitere in den USA zu bauen, während sein chinesischer Rivale Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) vor Kurzem angekündigt hat, massiv in den Ausbau seiner Kapazitäten zu investieren, um heimische Kunden zu bedienen. Das Unternehmen könnte jedoch auf die schwarze Liste der US-Regierung gesetzt werden. Diese schreibt eine Genehmigung für alle Produkte vor, die mindestens zu 25% geistiges Eigentum aus den USA enthalten. TSMC wird noch viele Jahre mit diesen Chancen und Risiken klarkommen müssen.

Zusammenfassung

Diese komplexen Zusammenhänge erinnern daran, dass im dynamischen Technologiesektor, in dem die Aktienindizes eher frühere als künftige Erfolge belohnen, eine aktive Verwaltung von Technologietiteln nach wie vor wichtig ist. Vor nicht allzu langer Zeit war die Marktkapitalisierung von Intel noch höher als die von TSMC. Inzwischen ist der Börsenwert von TSMC allerdings fast doppelt so hoch wie der von Intel.

Die Veränderungen der Landschaft in der Halbleiterindustrie birgt zahlreiche Chancen für Investoren, sofern der Blickwinkel stimmt.

*Im Mai 2020 erließ die US-Regierung Regeln, die auf Huawei und seine Chip-Tochtergesellschaft HiSilicon abzielen und eine Lizenz für alle Lieferungen von Herstellern verlangen, die Technologie oder Ausrüstung von US-Firmen verwenden.

Glossar:

Die Taktfrequenz gibt Auskunft über die Geschwindigkeit eines Prozessors. Sie bezeichnet die Frequenz, mit der der Taktgenerator eines Prozessors Impulse erzeugen kann, die zur Synchronisierung der Abläufe von Prozessor-Komponenten verwendet werden. Eine höhere Taktfrequenz bedeutet im Allgemeinen eine schnellere zentrale Recheneinheit (CPU).

Die Immersionslithografie ist eine fotolithografische Technik zur Verbesserung der Auflösung bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Ics). Dabei wird der übliche Luftspalt zwischen der letzten Linse und der Wafer-Oberfläche durch ein flüssiges Medium mit einem Brechungsindex von größer eins ersetzt wird. Die Auflösung wird um einen Faktor erhöht, der dem Brechungsindex der Flüssigkeit entspricht.

Die Dennard-Skalierung postuliert, dass die Energiedichte konstant bleibt, wenn die Transistoren kleiner werden, sodass der Energieverbrauch proportional zur Fläche bleibt. Dadurch konnten CPU-Hersteller die Taktfrequenzen von einer Generation zur nächsten erhöhen, ohne den Gesamtenergieverbrauch des Schaltkreises wesentlich zu erhöhen.

Eine GPU oder Grafikprozessor-Einheit führt komplexe mathematische und geometrische Berechnungen durch, die für die Grafikwiedergabe erforderlich sind.

Eine CPU oder zentrale Recheneinheit ist das Herzstück eines Computers, das Befehle verarbeitet. Sie führt das Betriebssystem und Anwendungen aus und erhält ständig Eingaben vom Benutzer oder von aktiven Softwareprogrammen.