TSMC kämpft um seinen Vorsprung

Der Smartphone-Chipdesigner MediaTek hat die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company in einer Präsentation auf dem jüngsten Tech-Symposium des weltgrößten Auftrags-Chipherstellers nur gelobt. Der Erfolg von MediaTeks neuestem Flaggschiff-Prozessor "ist auf die Arbeit zurückzuführen, die unsere Partner bei TSMC gemeinsam mit uns geleistet haben", hieß es.

Aber TSMC-Chef CC Wei zuckte zusammen, als die Präsentation zeigte, dass die weitere Miniaturisierung des Chips - um Schaltkreise mit einer Breite von etwa 4 Milliardstel Metern zu schaffen - nur zu einer Leistungssteigerung von 2 Prozent geführt hatte.

"Als ich das sah, bin ich fast vom Stuhl gefallen", sagte Wei.

Die Chiphersteller stoßen auf die Gesetze der Physik, wenn sie sich bemühen, Halbleiter immer schneller und energieeffizienter zu machen, um die sich schnell entwickelnden Anwendungen zu ermöglichen, von High-End-Spielen auf Smartphones bis hin zu Servern, die für die Simulation des Klimawandels eingesetzt werden.

Fünfundsiebzig Jahre nach der Erfindung des Transistors, eines Schalters, der den elektrischen Strom steuert und das Herzstück jedes Halbleiters bildet, bröckelt das Prinzip, dass sich die Anzahl der Transistoren auf jedem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt und so ein explosives Wachstum der Rechenleistung ermöglicht, immer mehr. Sie zu schrumpfen wird zu schwierig.

"Sich nur auf Transistoren zu verlassen, reicht nicht mehr aus, um unsere heutigen Anforderungen und die Anforderungen der Produkte, die Sie entwerfen, zu erfüllen", sagte Wei vor einem Publikum von TSMC-Kunden.

Gordon Moore, Mitbegründer von Fairchild Semiconductor und später Intel, hatte 1965 beobachtet, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Chip etwa alle 24 Monate verdoppelte, und sagte ein solches exponentielles Wachstum für das nächste Jahrzehnt voraus. Das so genannte Mooresche Gesetz galt viel länger, als sein Erfinder vorausgesehen hatte - ein IC-Baustein kann laut TSMC heute bis zu 100 Mrd. Transistoren enthalten -, aber es stößt jetzt an eine Grenze.

Die Herausforderung, technische Alternativen zu finden, macht den Wettbewerb zwischen den weltweit führenden Chipherstellern unberechenbarer, auch wenn TSMC derzeit einen klaren Vorsprung in der Fertigungstechnologie hat.

Sein Foundry-Geschäftsmodell, bei dem es ausschließlich Halbleiter nach den Entwürfen anderer Unternehmen herstellt, hat dem Unternehmen geholfen, mehr als die Hälfte des Weltmarktes für maßgeschneiderte Chips zu erobern. Es stellt mehr als 12.000 verschiedene Produkte her und unterhält enge technische Beziehungen zu über 500 Kunden.

In der Vergangenheit hat Intel seinen Produktionsvorsprung gegenüber TSMC durch eine Reihe von Fehltritten bei den letzten beiden Prozessknotenübergängen verspielt und liegt nun schätzungsweise zwei Jahre zurück. Analysten meinen jedoch, dass sich das ändern könnte, zumal Regierungen von den USA bis Japan die Chiphersteller mit hohen Subventionen zur Lokalisierung der Produktion drängen, was Intel und TSMCs anderen Hauptrivalen Samsung begünstigen könnte.

"[TSMC] könnte straucheln. Wenn der Wechsel zum nächsten Technologieknoten schwieriger wird, könnte jeder straucheln", sagte Chris Miller, ein Wirtschaftshistoriker der Tufts University, der ein Buch über die Geschichte der Chipindustrie geschrieben hat. "Oder, wenn die nächsten paar Prozessknotenübergänge schwieriger sind als wir erwarten, könnte der Vorsprung von TSMC an Bedeutung verlieren.

Die Chiphersteller haben mehr als ein Jahrzehnt lang erfolgreich gegen die Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes gekämpft. Als das Packen von mehr Transistoren zu Problemen führte, begannen sie, diese übereinander zu stapeln. Sie packen auch verschiedene Chips zusammen auf ein Stück Silizium, anstatt sie auf einer PC-Hauptplatine unterzubringen - TSMC verwendet eine solche Multi-Die-Package-Technologie, um den Epyc, AMDs Prozessor für Rechenzentren, herzustellen.

Aber jetzt ist die Branche gezwungen, sich mit anderen Verbesserungen zu befassen. Da der so genannte FinFET-Prozess, der in den letzten zehn Jahren verwendet wurde, nicht mehr ausreicht, um Geschwindigkeit und Leistung zu steigern, wird eine neue Transistorarchitektur eingeführt.

Ab N2 - der Generation von Chips, die TSMC ab 2025 in Massenproduktion herstellen will - wird das Unternehmen eine Technologie verwenden, die es Nanosheet nennt und die auch als Gate-All-Around (GAA) bekannt ist.

Bei dieser Architektur umgibt das Transistor-Gate, das den Stromfluss durch die Schaltungskanäle steuert, die Kanäle vollständig und nicht wie bei der bisherigen Lösung nur an drei Seiten. Dadurch wird die Oberfläche maximiert und "das Gerät kann mit einer sehr niedrigen Spannung betrieben werden, was zu einer höheren Energieeffizienz führt", so Kevin Zhang, Vizepräsident bei TSMC.

Die Umstellung erweist sich jedoch als schwierig. Samsung, das bei der N3-Generation Pionierarbeit bei der GAA geleistet hat, hatte Schwierigkeiten, seine Ausbeute - den Anteil der produzierten nicht defekten Chips - zu erhöhen. Das Unternehmen hat im Juni mit der Massenproduktion von N3 begonnen - kurz vor TSMC, das noch vor Ende des Jahres mit der Massenproduktion beginnen soll.

Samsungs Ausbeuteproblem macht es dem Unternehmen schwer, große Kunden für die hochmoderne Chipproduktion zu gewinnen. Analysten gehen nicht davon aus, dass Samsung durch die frühere Einführung von GAA in absehbarer Zeit zu TSMC aufschließen kann, aber es könnte große Kunden wie Google und Tesla anziehen, sobald es im nächsten Jahr einen GAA N3-Prozess der zweiten Generation einführt und eine stabile Ausbeute sicherstellt.

Die Führungskräfte von TSMC erklärten, dass sich ihre Entscheidung, bei N3 an der bisherigen Architektur festzuhalten, auszahlt. "Dadurch konnten wir N3 schneller auf den Markt bringen", sagte Zhang. Das Unternehmen erzielt nach eigenen Angaben "gute Erträge" und die Kundennachfrage nach N3 ist so stark, dass sie die Entwicklungskapazitäten des Unternehmens belastet. TSMC hat Zusagen von Apple, Intel, AMD und mehreren anderen Kunden für N3.

In der Zwischenzeit hat sich Intel das ehrgeizige Ziel gesetzt, bis 2024 mit der Prozesstechnologie von TSMC gleichzuziehen und das Unternehmen ein Jahr später zu überholen. Der anhaltende Rückgang des Aktienkurses zeigt jedoch, dass die Wall Street noch nicht davon überzeugt ist, dass das Unternehmen bis dahin sowohl seine früheren Fehltritte korrigieren als auch mit den rasanten technologischen Fortschritten von TSMC gleichziehen kann. Der US-Chiphersteller plant, im nächsten Jahr mit Verspätung auf die fortschrittlichsten EUV-Fertigungsanlagen umzusteigen und 2024 seine eigene Version von GAA einzuführen, um einen Chip mit 2nm breiten Merkmalen zu produzieren.

Doch so sehr sich TSMC seiner Führungsposition jetzt auch sicher ist, für die Zukunft zeichnen sich noch größere Herausforderungen ab. Die Chiphersteller gehen davon aus, dass die wichtigsten Werkzeuge und Materialien, die seit Jahrzehnten für die Herstellung von Halbleitern verwendet werden, in absehbarer Zeit erheblich verändert oder sogar ersetzt werden müssen, und dass die Tage des Siliziums selbst, des Basismaterials der Branche seit ihren Anfängen, irgendwann gezählt sein werden.