Simulationen nutzen, um die Chipfertigung in die Vereinigten Staaten zurückzubringen

Obwohl Mikrochips schon immer für die moderne Welt wichtig waren, wurde erst durch den Lieferketten‑Schock von 2022 von Regierungen und Industrien ihre entscheidende Bedeutung für die globale Wirtschaft erkannt. Der Mangel war so gravierend, dass die Industrie keine andere Wahl hatte, als ihre riesigen Fertigungsstraßen stillzulegen.

Warum also sind Mikrochips für die globale Wirtschaft so wichtig? Kurz gesagt, Mikrochips sind das Rückgrat der modernen Technologiebranche und unverzichtbar für alles, von Personalcomputern, Smartphones, Küchengeräten, Autos, medizinischen Geräten bis hin zu manchen Haustieren, die zu Identifikationszwecken mit Chips versehen sind.

Doch trotz dieser entscheidenden Bedeutung können nur wenige Länder tatsächlich funktionierende Mikrochips herstellen, da dieses Unterfangen die Grenzen des Präzisionsengineerings und der technologischen Innovation auslotet. Schließlich ist die Chipfertigung nicht nur kapitalintensiv, sondern erfordert zudem Arbeitskräfte mit hochspezialisierten Fähigkeiten, zu denen Physik, Materialwissenschaften und Elektrotechnik gehören – und nicht darauf beschränkt sind.

Zudem erfordern die Anlagen, in denen diese Mikrochips hergestellt werden – die sogenannten Fabs – strenge Umweltbedingungen für den Produktionsprozess. Das beinhaltet die Aufrechterhaltung spezifischer Temperatur- und Feuchtigkeitswerte sowie die Minimierung von Kontaminationen so weit wie möglich.

Selbst wenn solche perfekten Bedingungen erreicht werden, umfasst der Fertigungsprozess mehrere Schritte, und jeder Schritt muss fehlerfrei ausgeführt werden. Jegliche Fehler können die Mikrochips unbrauchbar machen.

Darüber hinaus verlangen fortlaufende technologische Fortschritte kleinere, effizientere Chips, was zusätzlichen Druck auf die Fabs ausübt. Und wenn sie erst die Produktion einer bestimmten Chipgeneration gemeistert haben, kann diese bereits aufgrund fehlender Nachfrage veraltet sein.

Solche enormen Hürden machen die Massenfertigung von Mikrochips für die meisten Länder zu einer gewaltigen Herausforderung, selbst für die mit den tiefsten Taschen.

Selbst die Vereinigten Staaten, die globale Technologiemacht und führend im Halbleiterdesign, stehen nicht an der Spitze der Chipfertigung – dieser begehrte Platz gehört Taiwan. Das ist das Ergebnis jahrzehntelanger Investitionen Taiwans in die Halbleiterfertigung und der Präsenz von Unternehmen wie Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).

Diese Komplexität zeigt, wie schwierig es ist, in Bezug auf Mikrochips Selbstständigkeit zu erlangen. Allerdings laut einem kürzlich veröffentlichten Artikel auf der Website des Princeton Plasma Physics Laboratory des US‑Energieministeriums entwickeln die Wissenschaftler Computerprogramme, die die Simulation von Plasmaprozessen, die in der Chipfertigung verwendet werden, erheblich verbessern werden. 

Diese neuen Algorithmen können traditionelle Simulationsmethoden in Bezug auf Genauigkeit und Effizienz übertreffen, den Chipproduktionsprozess beschleunigen und damit dazu beitragen, die Chipfertigung zurück in die Vereinigten Staaten zu bringen.

Ein dualer Ansatz

Das Princeton Plasma Physics Laboratory führte gleichzeitig zwei Forschungsprojekte durch, deren Schwerpunktbereiche sich in den Zielen unterschieden.

• Die erste Forschung konzentrierte sich darauf, die Genauigkeit dieser Simulationen zu verbessern.
• Das zweite Forschungsziel war, die Simulationszeitrahmen für Plasmareaktoren, die bei der Chipfertigung eingesetzt werden, zu beschleunigen.

Der Bedarf an Geschwindigkeit und Präzision bei Plasmasimulationen

Die komplexen Muster, die in Siliziumwafern für die Chipherstellung eingraviert werden, entstehen größtenteils mithilfe von Plasmareaktoren. Das Verfahren hängt vom Verhalten des Plasmas ab, einem elektrisch geladenen Gas, das sorgfältig gesteuert werden muss, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Traditionell war die Anregung des Plasmaprozesses, um Ergebnisse vorherzusagen und Produktionsmethoden zu verbessern, eine mühsame und zeitaufwändige Aufgabe. Hier kommt die erste Forschung des PPPL ins Spiel. Sie versucht, diese Situation zu ändern, indem sie Computeralgorithmen entwickelt, die die für diese Simulationen benötigte Zeit erheblich verkürzen können.

Und sie waren dabei erfolgreich, denn ihr Team reduzierte den Simulationszeitrahmen von Wochen auf potenziell Tage oder sogar Stunden, ohne dabei wesentliche Details zu opfern. Wie die Wissenschaftler des PPPL dies erreichten, indem sie die Geschichte erneut aufgriffen und die alten Algorithmen, insbesondere jene aus den 1980er‑Jahren, verfeinerten, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Verbesserung der Simulationsgenauigkeit

In ihrer zweiten Forschungsrichtung gingen die Forscher des PPPL das Problem der Simulationsgenauigkeit an. Angesichts der Komplexität des Plasmas ist es entscheidend, dass Simulationen die realen Reaktionen genau widerspiegeln, um effiziente Chipproduktionsmethoden zu ermöglichen. Allerdings war der Bedarf an signifikanten Rechenleistung, um das Verhalten unzähliger Plasma‑Teilchen exakt zu simulieren, historisch gesehen eine große Herausforderung.

Um dieses Problem zu lösen, vereinfachte das PPPL‑Forschungsteam die Darstellung von Plasma‑Teilchen in den Simulationen. Anstatt jedes Teilchen einzeln zu berücksichtigen, entwickelten sie eine Methode, sie zu größeren, handhabbaren Einheiten zu gruppieren. Dieser Ansatz reduziert die Rechenlast erheblich und führt zu schnelleren und leichter zugänglichen Simulationen.

Ursprünglich bestand jedoch das Risiko, dass diese Vereinfachung die wahren Dynamiken des Plasma‑Verhaltens verzerrt und zu weniger genauen Vorhersagen führt. Um dieses Hindernis zu überwinden, passten die Forscher die Simulationsparameter an, indem sie die Teilchencluster größer und weniger dicht machten. Diese Modifikation stellt sicher, dass die Vorhersagen der Simulation erhalten bleiben, da die Teilcheninteraktionen die tatsächlichen Plasma‑Interaktionen genauer nachahmen.

Dieses sorgfältige Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Vereinfachung birgt ein erhebliches Potenzial, die Chipfertigungsprozesse zu verbessern.

Ein Katalysator für Veränderung

Die Forschung des PPPL hat über den technischen Bereich hinaus Bedeutung, da sie Auswirkungen auf die strategischen Dynamiken des globalen Halbleitermarktes, insbesondere für die Vereinigten Staaten, hat. Schließlich birgt diese Entdeckung das Potenzial, die Chipfertigungslandschaft in den USA neu zu definieren, indem sie Werkzeuge bereitstellt, die die Zeit und Kosten der Chipproduktion reduzieren können. Die Fähigkeit, Produktionsprozesse schnell anzupassen und zu verbessern, ist in einer Branche, in der die Marktführerschaft häufig vom Innovationstempo abhängt, entscheidend.

Zudem könnte die Verfügbarkeit fortschrittlicher Simulationswerkzeuge das Spielfeld ebnen, indem sie US‑Start‑ups und kleineren Unternehmen ermöglicht, effektiver gegen etablierte globale Giganten zu konkurrieren. Dies könnte eine Welle von Innovationen im amerikanischen Halbleitersektor auslösen, wenn mehr Unternehmen in den Markt eintreten und neue Ideen sowie Methoden für das Design und die Produktion von Mikrochips einbringen.

Stärkung der nationalen Sicherheit und wirtschaftlichen Resilienz

Aktuelle globale Umbrüche und geopolitische Spannungen haben Lieferketten verwundbar gemacht. Diese Abhängigkeit von anderen Ländern für wesentliche Komponenten wie Mikrochips stellt ein nationales Risiko dar. Die USA erkannten das Ausmaß dieses Risikos während des Halbleiter‑Lieferketten‑Schocks von 2022 und kamen zu dem Schluss, dass jede Unterbrechung der Chipversorgung die globale Dominanz der US‑Technologiebranche stark beeinträchtigen könnte.

Die PPPL‑Studie steht im Einklang mit breiteren Regierungsinitiativen, wie dem CHIPS‑Act, der darauf abzielt, die amerikanische Vorherrschaft in der Halbleiterindustrie wiederherzustellen. Er trat am 9. August 2022 als CHIPS‑ und Science‑Act in Kraft und stellt fast 280 Milliarden US‑Dollar an Mitteln bereit, um die heimische Halbleiterfertigung zu stärken und die Abhängigkeit von ausländischen Quellen zu reduzieren. Die Finanzierung unterstützt Forschung und Entwicklung, Anreize für die inländische Fertigung sowie Maßnahmen zur Stärkung der Lieferkette.

Die Verlagerung hin zur Sicherung und Revitalisierung unserer Halbleiterfähigkeiten dient nicht nur der Aufrechterhaltung wirtschaftlicher Resilienz und nationaler Sicherheit; sie ist auch ein entscheidender Schritt, um den Weg für die nächste Revolution in Fertigung und Technologie – Industrie 4.0 – zu ebnen.

Den Schlüsselpfeiler für Industrie 4.0 bauen

IBM sieht Industrie 4.0 als ein Konzept, bei dem die intelligente Fertigung eine zentrale Rolle spielt. Anders ausgedrückt zielt Industrie 4.0 darauf ab, das Fertigungsfeld digital zu transformieren, wobei Entscheidungen in Echtzeit getroffen werden, um die Produktivität zu steigern und das ultimative Ziel zu erreichen, den Produktions‑ und Vertriebsprozess optimal flexibel und agil zu gestalten.

Damit die Vereinigten Staaten in Industrie 4.0 führend werden, sind Mikrochips mehr als nötig. Eine Studie von Goldman Sachs (GS ) hat bereits gezeigt, dass Chip‑Engpässe bis zu 169 Branchen betreffen können, darunter Med‑Tech, Landmaschinen, Unterhaltungselektronik, Energie und Unternehmen. Im Jahr 2021 konnte das weltweit angesehene Automobilunternehmen Renault beispielsweise nicht mehr als 500.000 Autos produzieren, weil Mikrochips fehlten. 

Diese Verwundbarkeit unterstreicht die kritische Bedeutung des Themas, da eine verstärkte Abhängigkeit von Taiwan, wie zuvor erwähnt, eine plötzliche Unterbrechung der Lieferkette bedeuten könnte, wie sie während der COVID‑19‑Pandemie geschah, was zum völligen Zusammenbruch des Systems führen würde. 

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Die Zukunft der Vereinigten Staaten in der Chipproduktion

Die Vereinigten Staaten haben erkannt, wie entscheidend Mikrochips für eine resiliente und selbstständige wirtschaftliche Zukunft sein können. Diese Erkenntnis hat das Land dazu veranlasst, Systeme zu fördern, die erstklassige Mikrochips hervorbringen.

Die George Washington University und vier weitere akademische Forschungspartner haben beispielsweise mit dem National Institute for Standards and Technology des US‑Handelsministeriums, Google und dem Halbleiterhersteller SkyWater Technology (SKYT ) zusammengearbeitet, um eine ‚in‑land, erschwingliche Versorgung mit solchen Mikrochips für Forscher und Start‑ups zu entwickeln. 

Diese Zusammenarbeit zielt darauf ab, Siliziumwafer zu produzieren, die Hunderte von Mikrochips für die Verteilung in der Gemeinschaft beherbergen. Die Forscher erhalten Zugang zu einer vorplanarisierten Chip‑Plattform, die ‚für die Integration und zum Benchmarking der Leistung ihrer neuartigen Geräte gegenüber anderen Geräten aus der Gemeinschaft geeignet‘ ist.

Laut Gina Adam, Assistenzprofessorin im Fachbereich Elektrotechnik und Computer Engineering an der GW School of Engineering and Applied Science, wird die Partnerschaft Folgendes bereitstellen:

“Die Forschungsinfrastruktur, die nötig ist, um Fortschritte im Bereich der Nanotechnologie und Halbleitergeräte zu erzielen, insbesondere da die Vereinigten Staaten ihren strategischen Fokus auf die Rückverlagerung der Chipproduktion verlagern.”

Um die heimische Chipproduktion zu stärken, hat die US‑Regierung angekündigt, fast 162 Millionen US‑$ in das in Arizona ansässige Unternehmen Microchip Technology (MCHP ) zu investieren. Die Zusammenarbeit zwischen dem Unternehmen, der US‑Regierung und dem Unternehmen wird in Form eines unverbindlichen vorläufigen Memorandums of Terms (PMT) erfolgen. 

Die US‑Regierung wird Millionen an ‚Bundesanreizen‘ bereitstellen, die in zwei Ströme aufgeteilt werden: 90 Millionen US‑$ werden in die Modernisierung und Erweiterung der Fertigungsanlage des Unternehmens in Colorado Springs fließen, und die restlichen 72 Millionen US‑$ werden in die Erweiterung der Anlage des Unternehmens in Gresham, Oregon, investiert. 

Eine ähnliche Finanzierung von 35 Millionen US‑$ wurden zuvor BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, einer Geschäftseinheit von BAE Systems, Inc., angeboten. Ziel war die Unterstützung der Modernisierung des Microelectronics Center des Unternehmens. 

Zusammenfassend ist die USA sowohl auf politischer als auch auf Umsetzungsebene deutlich aktiv geworden, um die Chipproduktion im Land zu fördern. Und sie hat alle Gründe, mit solcher Kraft und Intensität aktiv zu sein. Es ist nicht nur wichtig, dass die Lieferketten von Computern, Smartphones und Autos ungestört bleiben. Wie wir bereits gesehen haben, kann die Verfügbarkeit von Mikrochips die nationalen Sicherheitsmechanismen und Cybersecurity‑Strukturen stärken. 

Der 360‑Grad‑Ansatz der US‑Behörden berücksichtigt die Notwendigkeit, die Fertigung zu incentivieren, Forschung und Entwicklung zu fördern, eine qualifizierte Arbeitskraft zu schaffen und die Aktivitäten im Bereich der internationalen Informations‑ und Kommunikationstechnologie‑Sicherheit sowie der Halbleiter‑Lieferkette zu stärken. 

Die Milliarden von Dollar, die die US‑Behörden bereit sind, in die Schaffung einer florierenden heimischen Chipproduktion zu investieren, haben zudem globale Akteure angezogen. 

Zum Beispiel hat der größte und bedeutendste Akteur auf der Karte, die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), über 12 Milliarden US‑$ für den Bau einer Halbleiterfertigungsanlage in Arizona zugesagt. Intel (INTC ) plant den Bau einer 20 Milliarden US‑$ schweren Halbleiterfertigungsanlage in Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) hat noch ambitioniertere Pläne und beabsichtigt, in den nächsten zwei Jahrzehnten bis zu 100 Milliarden US‑$ zu investieren, um eine massive Halbleiterfabrik im Norden des Bundesstaates New York zu errichten. 

Mit all diesen Initiativen und Aktionsplänen gibt es keinen Grund, warum die Vereinigten Staaten im Rennen um die Chipproduktion zurückfallen sollten. Um jedoch mit den ostasiatischen Ländern, die fast drei Viertel der globalen modernen Chipfertigung ausmachen, zu konkurrieren, muss die USA eine robuste Talent‑ und Lieferketten‑Pipeline aufbauen. Sie muss zudem die Nachfrage im Blick behalten, um vor den Risiken von Überkapazität und Überangebot geschützt zu sein. Außerdem sollte der Fokus darauf liegen, die Produktion der richtigen Chiptypen zu priorisieren. 

Laut Scott Kenedy, Senior Adviser beim Center for Strategic and International Studies: 

„Die USA müssen die Chipproduktion für eine bestimmte Art von Chips ausbauen, die direkt mit der amerikanischen nationalen Sicherheit verbunden sind.“

Ob die USA die Chipfertigung steigern können und das auch auf die richtige, optimierte Weise, ist etwas, das wir im Auge behalten müssen.