Fortschritte bei Halbleitern – Könnten ‘Donut’-Strahlen und ‘Lego’-Blöcke die Branchenansätze umkrempeln?

Ein wesentlicher Bestandteil elektronischer Geräte, Halbleiter haben sich in das Gefüge unseres täglichen Lebens eingewoben. Diese winzigen, aber leistungsstarken Elemente sind das Fundament der modernen Technologie und treiben Innovationen in Computing, Kommunikation, sauberer Energie, Gesundheitswesen, Transport, Militärsystemen und einer Vielzahl anderer kritischer Anwendungen voran. 

In einem eindrucksvollen Beweis für ihren allgegenwärtigen Einfluss wird erwartet, dass die Größe des globalen Halbleitermarktes tatsächlich auf $1.38 trillion by 2029, gegenüber $573,44 Milliarden im Jahr 2022.

Ein Blick auf die Fortschritte bei Halbleitern

Halbleiter sind Materialien, die Strom besser leiten als ein Isolator, aber weniger als ein reiner Leiter. Diese Materialien, die entweder reine Elemente oder Verbindungen sein können, erfahren eine erhebliche Veränderung ihrer Leitfähigkeit, wenn ihnen kleine Mengen von Verunreinigungen zugesetzt werden.

Dank der Halbleiter haben wir Zugang zu Radios, Fernsehern, Smartphones, Computern, Videospielen und fortschrittlichen medizinischen Diagnosegeräten. Die Fortschritte in der Halbleitertechnologie in den vergangenen Jahrzehnten haben es ermöglicht, dass diese elektronischen Geräte kleiner, schneller, günstiger und zuverlässiger werden.

Auch als integrierte Schaltkreise (ICs) oder Mikrochips bezeichnet, haben Halbleiter die Art und Weise, wie wir leben, revolutioniert und beeinflussen, wie wir arbeiten, kommunizieren, reisen, Krankheiten behandeln, uns unterhalten und Energie nutzen.

Als grundlegende Bausteine der modernen Technologie treiben Halbleiter weiterhin die bedeutendsten Durchbrüche der Welt voran und besitzen enormes Potenzial.

Einige der spannendsten Innovationen in der Halbleiterindustrie umfassen Quantencomputing, das neue Arten von Halbleitern erfordert, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten; neuromorphes Computing, das darauf abzielt, Computerchips zu entwickeln, die die Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns für intelligente Maschinen nachahmen; Siliziumphotonik, die Licht nutzt, um Daten zwischen Computerchips zu übertragen; und fortschrittliches Packaging, das für die Entwicklung leistungsstarker elektronischer Geräte unerlässlich ist.

Diese fortschrittlichen Halbleiterlösungen werden eine Schlüsselrolle in der Künstlichen Intelligenz (KI) spielen, die in verschiedenen Branchen immer wichtiger wird. Halbleiter können KI-Anwendungen dabei helfen, komplexe Aufgaben effizienter zu bewältigen. Halbleiter haben zudem ein enormes Potenzial in autonomen Fahrzeugen, intelligenten Bildverarbeitungssystemen und erneuerbaren Energiesystemen.

Halbleiterfertigung

In der Halbleiterindustrie liegt der Fokus darauf, kleinere, schnellere und günstigere Produkte zu schaffen, ein Ziel, das direkt mit dem Prinzip verknüpft ist, dass winzige Bauteile mehr Leistung auf demselben Chip ermöglichen. Diese Kompaktheit ist entscheidend, weil je mehr Transistoren ein Chip hat, desto schneller arbeitet er.

Hier kommt das Moore’sche Gesetz ins Spiel, das besagt, dass „die Anzahl der Transistoren in einem dichten integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt wird.“ Dies verdeutlicht den Druck auf Chip-Hersteller, ständig zu innovieren und effizientere sowie günstigere Halbleiter bereitzustellen, während gleichzeitig Qualitätskontrolle und schnelle Verfügbarkeit des Produkts für den Verkauf gewährleistet werden.

Der Großteil der Nachfrage in der Halbleiterindustrie stammt aus Smartphones und Industrieausrüstungen, doch das Aufkommen von KI, dem IoT und autonomen Fahrzeugen hat die Perspektive der Branche verändert. 

Jetzt erfordert die wachsende Nachfrage von Halbleiterfirmen einen stärkeren Fokus auf Forschung und Entwicklung, eine erhöhte Funktionalität und effizientere Produktionszeiten. Diese Anforderungen haben folglich erhebliche Herausforderungen für die Branche mit sich gebracht, wobei die größte darin besteht, kleinere, leistungsfähigere Chips zu erschwinglichen Kosten bereitzustellen.

Zudem haben Innovationen die Komplexität der Fertigungsprozesse in der Halbleiterindustrie erhöht. Dieser Anstieg an Komplexität erfordert naturgemäß effizientere Lieferketten, ein Bedarf, der durch die ständig steigende Nachfrage von KI-Unternehmen weiter verstärkt wird. Dies erfordert nicht nur ein breites Spektrum an Leistungsfähigkeiten, sondern auch kürzere Lieferzeiten.

Die Herstellung von Halbleiterchips umfasst die Reinigung des Wafers, das Aufbauen mehrerer Schichten zur Schaffung integrierter Schaltkreise und anschließend die Montage und das Verpacken mehrerer Komponenten zum Endprodukt.

Daher müssen Halbleiterhersteller die Herausforderung von Materialhandhabung, Recycling und Prozessverbesserungen meistern, die kritische Aspekte ihrer Operationen darstellen. Doch ihr Herausforderungsspektrum beschränkt sich nicht nur darauf; Faktoren wie geopolitische Spannungen beeinflussen ebenfalls erheblich die Verfügbarkeit von Ressourcen und den Handel, wie am Beispiel der USA und China deutlich wurde.

Seit einiger Zeit gehören Lieferkettenprobleme tatsächlich zu den größten Problemen der Branche. Diese Situation wird durch Faktoren wie geopolitische Spannungen und Handelsstreitigkeiten weiter verkompliziert, wobei Schwarze-Schwan-Ereignisse wie die Pandemie das Problem der Chipverfügbarkeit noch verschärfen.

Zusätzlich zu diesen Herausforderungen muss die Branche auch die wachsende Kluft zwischen der Nachfrage nach Fachkräften und der Verfügbarkeit qualifizierter Personen bewältigen. Angesichts des intensiven Wettbewerbs und des schnellen Fortschritts im Sektor ist ein Fachkräftemangel und eine Qualifikationslücke nicht überraschend.

Trotz all dieser Herausforderungen gedeiht die Branche jedoch weiterhin. Durchbrüche, die das Potenzial haben, die Zukunft zu verändern, geschehen ständig und zeigen die Widerstandsfähigkeit und den Innovationsgeist des Sektors.

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‘Donut’-Strahlen ermöglichen die Ansicht unglaublich kleiner Objekte

In diesem Monat hat eine neue Studie detaillierte Bilder winziger Objekte mit donutförmigen Lichtstrahlen aufgenommen, was mit herkömmlichen Mikroskopen nicht möglich gewesen wäre. Die Studie wurde von Forschern der CU Boulder durchgeführt und soll Wissenschaftlern helfen, die Grunddetails einer Reihe von „Nanoelektronik“ zu verbessern, einschließlich Mini-Halbleitern, die in Computerchips zu finden sind.

Dies ist der neueste Fortschritt im Bereich der Ptychographie, einer rechnergestützten Bildgebungstechnik für mikroskopische Aufnahmen. Ptychographie‑Werkzeuge, im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroskopen, betrachten sehr kleine Dinge nicht direkt; sie strahlen Laser auf ein Ziel und messen dann, wie das Licht gestreut wird.

Laut der leitenden Autorin der Studie, Margaret Murnane, scheiterte dieser Ansatz bis vor kurzem, obwohl er gut funktionierte, „vollständig bei stark periodischen Proben oder Objekten mit einem regelmäßig wiederholenden Muster“, weil er Nanoelektronik einschließt.

Murnane, Fellow bei JILA – einem gemeinsamen Forschungsinstitut von CU Boulder und NIST – erklärte die Herausforderungen, denen Wissenschaftler bei der Anwendung der Ptychographie auf die Strukturen einiger Halbleiter gegenüberstehen. Diese Strukturen, bestehend aus Atomen wie Silizium, die in unglaublich einheitlichen kleinen Gittern angeordnet sind, stellen Schwierigkeiten dar, weil ihnen Variation fehlt.

In der neuen Studie erzeugten die Forscher daher Strahlen von extrem ultraviolettem Licht anstelle von herkömmlichen Lasern in ihren Mikroskopen, um Schattenpuppen zu erzeugen. Dann drehten sie mithilfe einer Spiralphasenplatte ihre Form zu Donuts, und wenn diese Strahlen auf wiederholende Strukturen trafen, waren die erzeugten Schattenpuppen viel komplexer als die von traditionellen Lasern. Dies ermöglichte die genaue Erfassung von Bildern winziger und empfindlicher Strukturen. 

Diese Strukturen sind etwa 10 bis 100 Nanometer groß, und das Team plant in Zukunft, noch kleinere Strukturen zu vergrößern. Die Idee ist, diese Donut‑Strategie noch genauer zu machen, was dem Team ermöglichen wird, noch fragilere Objekte zu sehen, vielleicht sogar biologische Zellen, eines Tages.

Bis jetzt konnten Bildgebungswerkzeuge mit Linsen nur bis zu einer Auflösung von etwa 200 Nanometern sehen, wodurch Wissenschaftler viele Viren nicht genau erfassen konnten. Aber jetzt, mit dieser Forschung, wurden die grundlegenden Grenzen von Mikroskopen verschoben, und Wissenschaftler werden in Zukunft in der Lage sein, diese Erreger in Echtzeit in Aktion zu erfassen. „Anstatt eine Linse zu verwenden, um das Bild zu erhalten, nutzen wir Algorithmen“, sagte sie.

Zudem schaden die Strahlen den winzigen Elektroniken im Prozess nicht und können daher „zur Inspektion der Polymere, die zur Herstellung und zum Druck von Halbleitern verwendet werden, auf Defekte, ohne diese Strukturen im Prozess zu beschädigen“, verwendet Murnane.

Insgesamt hat diese neue Studie ein großes Potenzial, die Halbleiterindustrie zu beeinflussen, indem sie die Inspektion von Nanoelektronikkomponenten mit präziserer Qualitätskontrolle verbessert. Dies könnte Forschern auch ermöglichen, empfindliche Halbleiterstrukturen zu inspizieren, ohne deren Integrität zu gefährden. Mit fortschreitenden Entwicklungen in der Ptychographie könnten wir vielseitigere Bildgebungsverfahren für die Halbleiterforschung und -entwicklung sehen.

Photonische Chips, die die Halbleiterlandschaft „umgestalten“ werden

In einer weiteren neuen Studie haben Forscher der Nanowissenschaftseinrichtung des University of Sydney Nano Institute in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Australian National University eine neuartige Halbleiterarchitektur entworfen, in der sie Elektronik mit Photonen integrierten, um die Bandbreite und Filtersteuerung zu erweitern. Das bedeutet, dass mehr Informationen durch den Chip fließen können, während gleichzeitig fortschrittliche Filterkontrollen ermöglicht werden.

„Diese Arbeit ebnet den Weg für eine neue Generation kompakter, hochauflösender RF‑Photonik‑Filter mit breitbandiger Frequenzabstimmung, die insbesondere in luft- und weltraumgestützten RF‑Kommunikationsnutzlasten von Nutzen sind und Möglichkeiten für verbesserte Kommunikations‑ und Sensorkapazitäten eröffnen.“

– sagte Dr. Moritz Merklein, Senior Research Fellow und Mitautor der Studie

Um diesen Chip zu bauen, nutzten die Forscher eine aufkommende Technologie in der Siliziumphotonik, mit der sie verschiedene Systeme auf Halbleitern von weniger als 5 Millimetern Breite integrieren konnten, was dem Zusammenbauen von Lego‑Bausteinen ähnelt. Auf diese Weise kann ein skalierbarer und modularer Ansatz für das Chipdesign bereitgestellt werden, der neue Möglichkeiten für die Schaffung komplexer und hocheffizienter Halbleitergeräte eröffnet.

„Die kombinierte Nutzung ausländischer Halbleiterfoundries zur Herstellung des Grundchip‑Wafers zusammen mit lokaler Forschungsinfrastruktur und Fertigung war entscheidend für die Entwicklung dieser photonischen integrierten Schaltung.“

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, stellvertretender Direktor für photonische Integration an der School of Physics

Dieser neue kompakte Silizium‑Halbleiterchip erweitert die Radiofrequenz‑(RF‑)Bandbreite erheblich und kann den Informationsfluss durch die Einheit präzise steuern. Man kann seine Anwendung in fortschrittlichen Radarsystemen, drahtlosen Netzwerken, Satelliten und beim Rollout von 6G‑ und 7G‑Telekommunikation sehen. Außerdem bedeutet dies Geräte, die sich an verschiedene Anwendungen anpassen können, wodurch sie in einer breiten Palette von Szenarien einsetzbar sind.

Laut den Forschern kann diese verbesserte Fähigkeit weiter zur fortschrittlichen souveränen Fertigung und zur Schaffung hochmoderner, wertschöpfender Fabriken beitragen, ohne ausschließlich auf internationale Hersteller angewiesen zu sein. 

Diese Erfindung, so erklärt Pro‑Vice‑Chancellor Professor Ben Eggleton, ist ein bedeutender Fortschritt in der Forschung zu Mikrowellenphotonik und integrierter Photonik. Der Chip kann eine Bandbreite von 15 Gigahertz an abstimmbaren Frequenzen mit beeindruckender spektraler Auflösung bieten.

Er erklärte, dass „Mikrowellenphotonik eine entscheidende Rolle in modernen Kommunikations‑ und Radar‑Anwendungen spielt, indem sie die Flexibilität bietet, verschiedene Frequenzen präzise zu filtern, elektromagnetische Störungen zu reduzieren und die Signalqualität zu verbessern.“ Darüber hinaus, so Eggleton, könne die Integration fortschrittlicher Funktionalitäten in Halbleiterchips (Chalcogenid‑Glas mit Silizium) die lokale Halbleiterlandschaft „umgestalten“.

Top-Halbleiterhersteller 

Angesichts all dessen, was in der Halbleiterindustrie vor sich geht, werfen wir nun einen Blick auf einige der bedeutenden Halbleiterhersteller:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Die weltweit größte Halbleiter-Foundry ist mit der Herstellung integrierter Schaltkreise im Auftrag von Kunden beschäftigt. Mit einer Marktkapitalisierung von 523,56 Milliarden $, handeln die Aktien des Unternehmens bei 100,75 $, ein Anstieg von 35,52 % in diesem Jahr. Der Umsatz von TSM (TTM) lag bei 68,86 Mrd. $, das EPS (TTM) beträgt 5,36 und das KGV (TTM) 18,84, während eine Dividendenrendite von 1,81 % angeboten wird.

TSMC befindet sich derzeit auf dem Weg zur Serienproduktion seiner N2‑Chips (2 Nanometer), die laut Unternehmen „die fortschrittlichste Halbleitertechnologie der Branche sowohl in Bezug auf Dichte als auch Energieeffizienz sein wird, wenn sie eingeführt wird.“ Der Halbleiterhersteller arbeitet zudem an seiner globalen Expansion, die vor einigen Jahren mit einer neuen Anlage in Arizona begann und nun auch Japan und Deutschland umfasst.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Dieses globale Halbleiterunternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 217,13 Milliarden $, während die Aktien bei 133,52 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 107,52 % in diesem Jahr. Der Umsatz von AMD (TTM) lag bei 22,11 Mrd. $, das EPS (TTM) beträgt 0,13, jedoch wird keine Dividende angeboten.

Kürzlich hat Advanced Micro seine neuen KI‑Chips aus der lang erwarteten MI300‑Produktreihe vorgestellt, um die Flaggschiff‑KI‑Prozessoren von Nvidia (NVDA ) herauszufordern, die etwa 80 % des KI‑Chip‑Marktes kontrollieren. Diese neuen Chips sind für Supercomputer und generative KI‑Anwendungen wie ChatGPT und Dall‑E konzipiert. Das Unternehmen hat zudem die Prognose für sein adressierbares Marktvolumen für KI‑Chips auf 400 Milliarden $ in den nächsten vier Jahren angehoben.

3. Applied Materials, Inc. 

Das Unternehmen, ein führender Anbieter von Fertigungsgeräten, Dienstleistungen und Software für die Halbleiterindustrie, verfügt über eine Marktkapitalisierung von 129,78 Milliarden $. Die Aktien des größten Herstellers von Halbleiterausrüstung in den USA werden derzeit bei 156,50 $ gehandelt, was in diesem Jahr einen beeindruckenden Anstieg von 59,3 % bedeutet. Finanztechnisch hat AMAT einen Umsatz (TTM) von 26,51 Mrd. $, ein EPS (TTM) von 8,11 und ein KGV (TTM) von 19,12 gemeldet und bietet zudem eine Dividendenrendite von 0,83 %.

Allerdings befindet sich Applied Materials (AMAT ) derzeit in schwierigen Gewässern, da es unter einer US‑Strafuntersuchung steht, weil es angeblich Ausrüstung an Chinas führenden Chip‑Hersteller SMIC gesendet hat, womöglich um Exportbeschränkungen zu umgehen. Diese Situation entsteht vor dem Hintergrund des Verbots der US‑Regierung, nicht nur fortschrittliche Chip‑Lieferungen, sondern auch Ausrüstung nach China zu exportieren. In einem Schritt, der seine globalen Ambitionen und strategische Expansion signalisiert, kündigte das Unternehmen Anfang dieses Jahres an, 400 Millionen $ über vier Jahre zu investieren, um ein gemeinsames Ingenieurzentrum in Indien zu etablieren.

4. ASML Holding NV 

Das in den Niederlanden ansässige ASML liefert fortschrittliche Lithographiesysteme, die von Chip‑Herstellern wie TSMC, Samsung und Intel (INTC ) verwendet werden, um Schaltungen auf Silizium‑Wafern zu erzeugen. Es hat eine Marktkapitalisierung von 286,32 Milliarden $, während die Aktien bei 714,42 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 30 % im Jahresverlauf, mit einem Umsatz (TTM) von 28,871 Mrd. $, einem EPS (TTM) von 20,42 und einem KGV (TTM) von 34,78. Die angebotene Dividendenrendite beträgt 0,91 %.

Das Unternehmen berichtete kürzlich über Q3‑Ergebnisse von etwas über 2 Mrd. $, wobei CEO Peter Wennink sagte: „Die Halbleiterindustrie befindet sich derzeit am Tiefpunkt des Zyklus, und unsere Kunden erwarten, dass der Wendepunkt bis Ende dieses Jahres sichtbar wird.“

Fazit

Halbleiter sind ein kritischer Bestandteil von Geräten, die integrale Teile unseres Lebens sind. Sie bilden tatsächlich das Rückgrat des florierenden Technologiesektors. Und da die Nachfrage nach Halbleitern weiter steigt, führt dies zu noch kleineren, schnelleren und energieeffizienteren Chips. All diese Fortschritte und Innovationen ermöglichen dann die Entwicklung neuer Gerätetypen und Anwendungen, die zuvor unmöglich waren!