Beheerders van technologieportefeuilles Alison Porter, Graeme Clark en Richard Clode bespreken de uitdagingen en kansen in de dynamische halfgeleidersector, die een belangrijke rol speelde bij technologische ontwikkelingen.

   Kernpunten:

  • Halfgeleiderbedrijven hebben er alles voor over om de wet van Moore, de basis van technologische innovatie, te laten voortduren, wat tot een verschuiving in de structuur van de techsector heeft geleid.
  • Hoewel het Amerikaanse Intel, waar de wet van Moore zijn oorsprong vindt, zijn momentum wist te benutten, had het bedrijf te lijden onder de beslissing om geen chips voor de iPhone te leveren, de toegenomen concurrentie en het niet volgen van de uitbestedingstrend.
  • De vele complexe problemen waarmee de halfgeleiderindustrie te maken heeft, zoals geopolitieke spanningen, hebben het technologisch landschap laten verschuiven, wat beleggingsrisico's en -kansen met zich meebrengt.

Volgens de wet van Moore kan de dichtheid van transistoren op een geïntegreerd circuit ruwweg elke twee jaar verdubbelen. Deze relatief eenvoudige constatering uit 1965 van Gordon Moore, een van de oprichters van het in Portland, Oregon gevestigde Intel, bleek de basis voor alle technologische innovaties in de halve eeuw daarna. Het vermogen om prestaties te verbeteren terwijl de kosten dalen, leidt tot betere, snellere en goedkopere producten. Dit is een van de belangrijkste factoren geweest voor de ontwikkeling van technologie en van de winst op de aandelen van technologiebedrijven. Niet lang nadat de wet van Moore voor werd vastgelegd, zette de mens voor het eerst voet op de maan. De volledige rekenkracht van NASA uit die tijd is nu beschikbaar op een enkele iPhone en op de nieuwste NVIDIA Ampere (micro)chip die kleiner is dan drie vierkante centimeter, en die gebruikt wordt voor de training van kunstmatige intelligentie, passen 54 miljard transistoren.

De teloorgang van de wet van Moore heeft technologische innovatie de sporen gegeven

In een dynamische sector als technologie, die maar weinig constanten kent, is het feit dat de wet van Moore zolang stand hield, zeer opmerkelijk. Er is echter veel discussie geweest over de uitdagingen die de houdbaarheid van de wet van Moore aantasten. Jensen Huang, de CEO van halfgeleidergigant NVIDIA, verklaarde onlangs dat de wet niet langer houdbaar is en dat dit een van de redenen is waarom hij rivaal ARM Holdings wil overnemen. Tot nu toe zijn de uitdagingen in de meeste gevallen op een innovatieve manier opgelost. Toen ASML moeite had om te voldoen aan de resolutie-eisen die lithografie stelt aan het printen van deze buitengewoon fijne circuits en ze tegen de fysieke grenzen van licht aanliepen, leidde dat tot een baanbrekende oplossing. ASML ging de hogere brekingsindex van water gebruiken voor meer scherpte. Dit was het begin van de immersielithografie. 15 jaar geleden begon de Dennard-schaal, die het vermogen weergeeft om energieverbruik in lijn met de wet van Moore te verminderen, gebreken te vertonen.

Een Intel-processor bestond voorheen uit een grote kern waarvan de frequentie, of de verwerkingssnelheid, elk jaar exponentieel toenam. Maar sinds de kloksnelheid van een Intel Pentium IV in 2002 3 GHz (of 3 miljard cycli per seconde) bereikte, wat een buitengewone verbetering is ten opzichte van de eerste commerciële PC in 1974 die een Intel 8080-processor van 2 MHz (2 miljoen cycli per seconde) gebruikte, is die verbetering steeds geleidelijker verlopen. Tegenwoordig halen Intel-processors slechts 5 GHz. Het probleem is dat de transistoren op zulke kleine oppervlaktes zo dicht op elkaar staan dat er elektriciteitslekken optreden. Dat leidt tot grote warmteproblemen en beperkt de prestaties. Een bijkomend probleem is 'dark silicon'. Dit is het deel van transistoren dat vanwege deze thermische problemen niet ingeschakeld kan worden. De oplossing was om chips te bouwen met heel veel kleinere kernen in plaats van één grote kern. Dit is de multi-core architectuur die momenteel in alle processoren van Intel, Advanced Micro Devices (AMD), NVIDIA of Apple gebruikt wordt. De onlangs aangekondigde deal tussen NVIDIA en ARM betekent een samenvoeging van de marktleiders voor multi-core processoren voor grafische verwerkingseenheden (GBU's) en voor mobiele centrale verwerkingseenheden (CPU's) met een lager vermogen.

Intel heeft een probleem

Ondanks de hierboven genoemde problemen bleef de wet van Moore bij zijn oorspronkelijke hoeder Intel nog steeds van toepassing zolang het bedrijf toonaangevend was voor de productie van de kleinste transistoren en de krachtigste chips. Dat unieke vermogen contrasteerde deels met dat van Amerikaanse en Japanse sectorgenoten die de productie van halfgeleiders steeds vaker uitbesteedden. Intel bleef echter vastbesloten zowel de productie als de ontwikkeling van hun processoren in eigen huis te houden. In 2013/2014 begonnen er echter problemen te ontstaan bij de productie van een node van 14 nanometer. Ook hiervoor was Intel weer de eerste op de markt, maar liep de introductie vertraging op. Vanwege de beperkte concurrentie was dit echter geen groot probleem op de pc- en servermarkten die Intel bediende. Het besluit om in 2005 geen chips te maken voor de iPhone bleek echter de basis voor toekomstige problemen. Intel was niet de enige die het succes van de iPhone ernstig onderschatte. Nu maakt Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), de grootste gieterij ter wereld elk jaar meer dan 200 miljoen iPhone-processoren voor Apple die de limieten van de wet van Moore dicht naderen. Tegen de tijd dat Intel te maken kreeg met productieproblemen bij de node van 10 nanometer (wat tot een vertraging van vier jaar leidde) zorgden het ritme van Apples innovaties, de omvang van de smartphonemarkt en de aanzienlijke winsten die TSMC opstreek ervoor dat de concurrentieproblemen van Intel ernstiger werden. AMD, Intels grootste concurrent, was de eerste die de trend om productie uit te besteden, volgde en met GlobalFoundries een eigen productietak oprichtte. Na enkele jaren van tegenvallende uitvoering nam het bedrijf het besluit de productie onder te brengen bij TSMC, ondanks dat ze GlobalFoundries hiervoor een flinke vertrekpremie moesten betalen.

Terwijl de wet van Moore de grenzen van Intel in Oregon bereikte, bleef TSMC in Hsinchu Science Park in Taiwan met de regelmaat van de klok elk jaar een nieuwe iPhone-chip uitbrengen, en produceert AMD chips die de prestaties van Intel voor het eerst evenaren. Nu Intel onlangs aankondigde dat het productieproces voor 7 nanometer-nodes is vertraagd, beginnen beleggers na te denken over de gevolgen van de teloorgang van de wet van Moore bij Intel, de verschuiving naar uitbestede productie, de waarschijnlijkheid van een aanzienlijke groei van het marktaandeel van AMD in de komende jaren, en de ambities van NVIDIA om marktaandeel in de datacentersector van Intel af te snoepen na de voorgestelde acquisitie van ARM.

Circuit board, semiconductor, chip, microchip

De belangrijkste vragen voor de halfgeleiderindustrie

De huidige situatie kan niet alleen zorgen voor een hervorming van de halfgeleiderindustrie maar van de hele technologiesector, vooral als we de escalerende spanningen tussen de Verenigde Staten en China daarbij in ogenschouw nemen. Komt de wet van Moore eindelijk tot stilstand? Of is het slechts een probleem van Intel? Zal TSMC de toekomstige hoeder van de wet van Moore zijn? Zal er een nieuwe wet vernoemd worden naar Morris Chang, oprichter en sinds jaar en dag de CEO/voorzitter van TSMC?

Veel wijst erop dat de wet van Moore zoals we die kennen op zijn minst nooit meer hetzelfde zal zijn. Een chip maken met miljarden transistoren op een oppervlakte van minder dan tien nanometer is ongelooflijk moeilijk. De hoofdrolspelers uit dit drama zijn voortdurend in het nieuws nu TMSC al nodes van 5 nanometer produceert terwijl Intel blijft steken op 10 nanometer. Desondanks denken de meeste commentatoren dat TSMC ruwweg op gelijke hoogte met Intel ligt. Daarnaast is Apple TSMC's belangrijkste klant voor 5 nanometer, en de grootte van de processor die in een iPhone wordt gebruikt, verschilt met een factor vijf tot tien van de processoren die gebruikt worden in servers. Een grotere chip renderend maken is exponentieel moeilijker. Daarom is het aantal toonaangevende klanten van TSMC teruggebracht tot vrijwel alleen Apple, Qualcomm en Huawei/HiSilicon. AMD en NVIDIA gebruiken TSMC's 7 nanometer-proces, terwijl AMD nog verder gaat om de problemen te overwinnen door de chip zelf in 'chiplets' op de knippen en ze vervolgens via een geavanceerde verpakking weer met elkaar te verbinden. Nu we de tegen grenzen van zowel de wet van Moore als van de lithografie aanlopen, heeft ook Intel aangekondigd dat ze vanaf de 7 nanometer dit traject gaan volgen. Deze kleinere 'chiplets' of 'tegels' zoals Intel ze noemt, zijn relatief eenvoudiger te produceren, hoewel de kosten hoger zijn en er op prestaties wordt ingeleverd.

Intel heeft een plan

Intel maakt er geen geheim van dat ze de productie van chips in eigen huis zullen houden en dat dit deel uitmaakt van het DNA van het bedrijf. Hoewel Intel al veel chips uitbesteedt, worden de belangrijkste processors intern geproduceerd. Beleggers zijn kritisch over deze instelling gezien de voortdurende vertragingen en het recente bericht dat ze een plan B hebben voor 7 nanometer als de vertraging verder oploopt, namelijk outsourcing aan TSMC. Hierbij moeten we rekening houden met een aantal factoren. Intel wilde een herhaling van het 10 nanometer-debacle voorkomen. Toen werden klanten die op Intel rekenden voor hun productontwikkeling steeds bozer omdat hun plannen jarenlang in de war werden gestuurd. Een solide back-upplan is bedoeld om klanten gerust te stellen. Intel stelde daarnaast dat de overstap naar tegels hen in staat stelt flexibeler te kunnen outsourcen omdat dit ze de mogelijkheid biedt om zo nodig een tegel uit te besteden in plaats van de hele chip. Daarnaast zijn er veel politieke overwegingen. De huidige Amerikaanse regering en de mogelijke toekomstige bewoners van het Witte Huis hebben beloofd de Amerikaanse halfgeleiderindustrie strategisch te ondersteunen, vooral op het gebied van de productie van geavanceerde chips. Afhankelijkheid van een gieterij op een eiland voor de kust van China zou veel Amerikaanse CEO's en het Pentagon waarschijnlijk slapeloze nachten bezorgen. Momenteel is Intel de toonaangevende halfgeleiderfabrikant, heeft Samsung een kleinere productielocatie in Austin, Texas, en wil TSMC in 2024 een zelfs nog kleinere fabriek in Phoenix, Texas openen. Het idee dat Intel zijn productie volledig zou uitbesteden aan TSMC, wat tot binnenlandse veiligheidsproblemen en het verlies van duizenden technische banen zou leiden, lijkt onwaarschijnlijk. Hoewel dat niet onmogelijk is, vooral als de wet van Moore bij Intel uitgedaagd blijft worden, lijkt een terugkeer naar interne productie in lijn met de wet van Moore, voor het bedrijf plan A te zijn.

Uitdagingen en kansen

Voor TSMC blijft zich een aantrekkelijke kans voordoen in hoogwaardige computertechnologie. Die is zeer welkom omdat de fenomenale groei die de smartphonedivisie van het bedrijf in de afgelopen tien jaar doormaakte, afneemt, hoewel deze dankzij 5G op korte termijn weer kan opleven. In de komende jaren zou TSMC wel eens de nieuwe hoeder van de wet van Moore kunnen worden. De hoop dat Intel zijn productie op grote schaal gaat uitbesteden, is waarschijnlijk te optimistisch. Intels veranderingen creëren kansen voor klanten als AMD of NVIDIA/ARM om meer marktaandeel te verwerven, waarschijnlijk ten gunste van TSMC. Daarnaast kunnen er zich steeds meer kansen voordoen bij Intel, sommige van tijdelijke aard, maar andere meer permanent.

Bovendien moet TSMC door de oplopende spanningen tussen Amerika en China op eieren blijven lopen. De nieuwste restricties van de Amerikaanse overheid zijn specifiek gericht op het verbreken van de banden tussen TSMC en Huawei/HiSilicon*. Dit laat opnieuw zien welke gevolgen geopolitiek kan hebben. TSMC heeft al een productielocatie in China gebouwd, en heeft nu toegezegd er een in de VS te gaan bouwen, terwijl zijn concurrent in China, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), onlangs heeft aangekondigd aanzienlijk te zullen investeren in meer capaciteit om binnenlandse klanten te kunnen bedienen. Het loopt echter het risico om aan de Amerikaanse 'lijst van entiteiten' te worden toegevoegd, waardoor er een licentie nodig is voor producten waarvan 25% of meer van de intellectuele eigendom van Amerikaanse origine is. In de komende jaren zal TSMC tussen deze kansen en risico's door moeten laveren.

Samenvatting

Deze problemen herinneren ons eraan dat in de dynamische wereld van de technologie, waarin aandelenindexen eerder historische dan toekomstige successen belonen, actief beheer van technologieaandelen belangrijk blijft. Nog niet zolang geleden was Intels marktkapitalisatie hoger dan die van TSMC, maar inmiddels is die van TSMC bijna twee keer zo groot als die van Intel. Tegelijkertijd werd Intel onlangs ingehaald door NVIDIA en is AMD al halverwege.

Het verschuivende landschap van de halfgeleiderindustrie lijkt volop kansen voor beleggers te bevatten, mits deze door de juiste lens worden bekeken.

*In mei 2020 kondigde de Amerikaanse regering regels aan voor Huawei en diens dochteronderneming chipfabrikant HiSilicon, en eiste dat er een licentie moest worden verstrekt voor producten waarvoor Amerikaanse technologie of apparatuur wordt gebruikt.

Begrippenlijst:

Kloksnelheid is een indicator voor de snelheid van een processor. Het verwijst naar de frequentie waarmee de klokgenerator van een processor pulsen afgeeft voor het synchroniseren van de functies van de processoronderdelen. In het algemeen betekent een hogere kloksnelheid een snellere centrale verwerkingseenheid (CPU).

Immersielithografie is een techniek om de resolutie van fotolithografie te verbeteren bij de productie van geïntegreerde schakelingen (chips). Hierbij wordt de gebruikelijke luchtbel tussen de laatste lens en het waferoppervlak vervangen door een vloeistofmedium met een brekingsindex die hoger is dan één. De resolutie wordt verhoogd met een factor die gelijk is aan de brekingsindex van de vloeistof.

De Dennard-schaal toont aan dat wanneer transistoren kleiner worden, hun vermogensdichtheid constant blijft, zodat het stroomverbruik in verhouding tot het oppervlakte gelijk blijft. Hierdoor konden CPU-fabrikanten de klokfrequenties van de ene op de andere generatie verhogen zonder dat het totale stroomverbruik van een chip significant toenam.

Een GPU of grafische verwerkingsunit voert complexe wiskundige en geometrische berekeningen uit, noodzakelijk voor de weergave van graphics.

Een CPU of centrale verwerkingsunit is het belangrijkste onderdeel van een computer dat instructies verwerkt. Het stuurt het besturingssysteem en toepassingen aan, en ontvangt constant input van de gebruiker of actieve softwareprogramma's.