Als Microsoft-Chef Satya Nadella vor einer Woche die Bühne des World Economic Forums in Davos betritt, spricht er eine Warnung aus, die für den CEO eines Tech-Riesen seltsam erscheint: «Der Welt wird bald die Rechenleistung ausgehen», sagte Nadella seinem Publikum vorher. «Moores Gesetz geht der Dampf aus.» Wolle man die Datenmengen verarbeiten, die künftig in der digitalen Gesellschaft anfallen, benötige man neue Chiptechnologien.
Nadella ist so pessimistisch, weil der Markt für Chips auf mehrere Engpässe hinsteuern könnte: Der Bedarf ist so hoch wie nie zuvor, gleichzeitig aber drohen sowohl bei der Entwicklung wie auch bei der Produktion Probleme, da die Industrie an physikalische wie monetäre Grenzen stösst.
Satya Nadella: Der Microsoft-Chef sprach am WEF über Computerchips.
An den Chipherstellern führt kein Weg vorbei
Das begünstigt die grossen Marktakteure: Hersteller wie der amerikanische Chippionier Intel, Marktführer Samsung aus Korea und der führende Auftragsfertiger TSMC aus Taiwan sowie Chipdesigner wie Nvidia und Qualcomm sind mächtig wie nie zuvor, da sie die Lieferanten für den wichtigsten Rohstoff der modernen Digitalgesellschaft sind. An ihnen führt kein Weg vorbei.
Insbesondere zwei technische Entwicklungen treiben die Umsätze der Chipindustrie in nie gekannte Höhen: «Zum einen werden hochkomplexe Chips in immer mehr Produkten eingebaut, die es entweder früher gar nicht gab oder die früher keine solchen Chips benötigten. Autos und Drohnen etwa, aber auch Industriemaschinen im industriellen Internet der Dinge», erklärt Chipmarktexperte Jon Erensen vom Analysedienst Gartner. «Zum anderen fallen durch den Einsatz dieser neuen Produkte immer mehr Daten an, die – etwa durch den Einsatz von sehr rechenintensiven selbstlernenden Algorithmen – analysiert werden müssen. Deswegen steigt der Bedarf für riesige Datenzentren mit Zehntausenden oder sogar Hunderttausenden Servern an.» Chips sind das neue alte Gold der Informationsgesellschaft.
Umsatz steigt immer weiter
Laut den jüngsten Zahlen des Industrieverbands Semiconductor Industry Association wächst der globale Umsatz mit Halbleitern aktuell so schnell wie noch nie. Er erreichte im November 2017 den Rekordwert von 37,7 Milliarden Dollar pro Monat – über 20 Prozent mehr als im Vorjahresmonat.
Welche Hersteller vor allem von diesem Wachstum profitieren, wird in den aktuellen Bilanzkonferenzen deutlich: Intel-Chef Brian Krzanich meldete für das vierte Quartal einen Gewinnsprung von 34 Prozent, Samsung legte sogar um 64 Prozent gegenüber dem Vorjahresquartal zu. Der koreanische Elektronikkonzern verdankt das vor allem seiner Halbleitersparte. Der weltgrösste Auftragsfertiger Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC) meldete leicht sinkende Gewinne – das aber vor allem wegen Milliardeninvestitionen in neue Fabriken.
Morris Chang: Der TSMC-Chef kündiget Milliardeninvestitionen in neue Fabriken an.
Moores-Gesetz stösst an Grenzen
Für die nächste Fabrik würden in diesem Jahr mehr als 20 Milliarden Dollar fällig, kündigte Unternehmenschef Morris Chang an. Damit sichert sich Chang auf Jahre hinaus die Aufträge der wichtigsten Designschmieden Qualcomm, AMD und Nvidia. TSMC setzt ihre Designs in handfestes Silikon um und fertigt auch Apples hauseigene A-Chips für iPhone und iPad. An den drei Riesen im Chipmarkt kommt kein Auftraggeber vorbei.
Das liegt vor allem daran, dass die gesamte Branche aktuell an die Grenzen der Physik stösst: Eine bekannte These von Intel-Gründer Gordon Moore besagt, dass sich die verfügbare Rechenleistung, gemessen in Transistoren pro Chip, alle 18 Monate verdoppelt. Doch die Chipdesigner mussten in den vergangenen Jahren feststellen, dass sie nicht mehr länger einfach immer mehr Transistoren auf einen Chip packen können. Zu gross wird der Energieverbrauch, die Produktion unökonomisch. Immer weniger Hersteller sind in der Lage, den Wettlauf um schnellere und komplexere Chips mitzumachen.
Je komplexer, desto teurer
Chips werden hergestellt, indem Milliarden von mikroskopisch feinen Transistorstrukturen per Belichtung mit ultraviolettem Licht auf runde hochreine Silikonkristallscheiben – sogenannte Wafer – kopiert und per Ätzverfahren mit Säure fixiert werden. Je komplexer die Chips werden, desto mehr Transistoren werden darin verbaut – Nvidias Anfang Januar vorgestellter Xavier-Prozessor für selbstfahrende Autos ist der aktuell komplexeste Chip der Welt mit mehr als neun Milliarden Transistorstrukturen. Je komplexer ein Chip wird, desto grösser ist er, desto weniger Chips passen auf einen Wafer, desto teurer wird die Produktion.
Nvidia-Chef Jensen Huang stellt den praktisch marktreifen Chip «Drive Xavier» Anfang Jahr auf der CES vor.
Das Gegenmittel ist eine weitere Miniaturisierung: Die drei grössten Chiphersteller Samsung, Intel und TSMC bauen mittlerweile allesamt Chips, deren Transistorbahnen nur noch zehn Nanometer gross sind. Noch im Jahr 2000 lagen Intels Pentium-4-Chips mit einer Strukturgrösse von 180 Nanometern an der Grenze des technisch Machbaren.
Kostspielige Entwicklung
Doch auch der Trend zum Schrumpfen stösst an ökonomische wie physikalische Grenzen: Der Bau von Chips mit Leiterbahnen, die feiner als zehn Nanometer sind, ist extrem herausfordernd: Die Wellenlänge selbst von extrem kurzwelligem ultraviolettem Licht ist zu lang, um damit feinere Strukturen als fünf Nanometer abzubilden. Auch stösst die Chipphysik unterhalb dieser Strukturgrösse auf Quantum-Phänomene – die Chips werden, extrem vereinfacht gesagt, vergesslich. Kurz: Die weitere Entwicklung ist sehr teuer.
Für jede neue Strukturgrösse muss ein Hersteller zudem komplett neue Chipfabriken bauen. Je kleiner die Chipstrukturen werden, desto teurer ist der Bau einer Fabrik. Eine einzige neuen Produktionsstätte mit einer Kapazität von etwa 25 Millionen Chips pro Monat kostet mittlerweile laut Analystenschätzungen des taiwanesischen Fachdienstes SemiconductorEngineering (SEMI) zwischen fünf und acht Milliarden Dollar und dauert mehrere Jahre.
Milliardeninvestitionen in Fabriken
Intel etwa baut aktuell und noch bis 2020 in Arizona an seiner Fabrik Nummer 42 für 7-Nanometer-Chips und plant dafür Investitionen in Höhe von sieben Milliarden Dollar. Laut der SEMI-Prognose von Herbst 2017 investieren die drei führenden Hersteller Samsung, TSMC und Intel zwischen 2016 und 2018 jeder für sich zwischen 16 und knapp 40 Milliarden Dollar in neue Fabriken.
Diese Summen können sich nur noch wenige Unternehmen weltweit leisten. Auch deswegen kommt bei bestimmten Chiptypen niemand an den Marktführern vorbei: Für klassische Server- und PC-CPUs haben Intel und AMD – gefertigt in Fabriken von TSMC – ein De-facto-Duopol. Bei Speicherchips ist Samsung weltweit führend. Für Smartphone-Chipsätze der neuesten Generation gibt es nur noch drei ernst zu nehmende Anbieter weltweit: Intel sowie Qualcomm und Mediatek, die beide wiederum bei TSMC fertigen lassen. Bei GPUs, die sowohl für Grafikkarten wie auch für künstliche Intelligenz unumgänglich sind, haben Nvidia, gefertigt bei TSMC, und AMD, gefertigt bei TSMC, ein De-facto-Duopol.
Schlüsselrolle von TSMC
«Natürlich gibt es weitere Anbieter, doch wer als Hersteller aktuelle Chipdesigns für seine Geräte einkaufen will, kommt nicht an den Marktführern vorbei», erklärt Jon Erensen. «Insbesondere TSMC als Auftragsfertiger der grossen fabriklosen Designschmieden wie Qualcomm und Nvidia hat sich mit seinen Milliardeninvestitionen in neueste Fertigungstechnik eine Schlüsselrolle erarbeitet.»
Das führt dazu, dass selbst gravierende Managementfehler oder Technikprobleme die Chipriesen nicht aus der Bahn werfen können: Intel musste Anfang Januar zugeben, dass sämtliche Chipdesigns der vergangenen Jahre mit gleich zwei Sicherheitslücken behaftet waren. Bislang hat Intel auch keine Updates für die Steuersoftware der Chips geliefert – erste hastig veröffentlichte Mikrocode-Patches musste der Konzern ebenso eilig wieder zurückziehen, da sie die Systeme zusammenbrechen liessen.
Qualcomm muss Federn lassen
Wie Intel-Chef Krzanich auf der Bilanzkonferenz sagte, werde Intel neue Modelle ohne den Fehler erst Ende des Jahres fertig designt haben, sie kommen voraussichtlich 2019 auf den Markt. Bis dahin müssen die Kunden weiter Chips mit eingebauten Problemen kaufen – den Ausblick auf die kommenden Quartale beeinträchtigte dies trotzdem nicht wesentlich.
Auch Smartphone-Chipmarktführer Qualcomm musste Federn lassen: Die EU-Kommissionverurteilte die Designschmiede aus Kalifornien zu einer Strafe von knapp einer Milliarde Euro, weil der Konzern Exklusivlieferungen mit Apple abgesprochen haben soll. Die dominante Marktposition des Konzerns beeinträchtigte das jedoch nicht.
Computerchip von Qualcomm: Die Entwicklung wird immer kostspieliger.
Konsolidierung im Chipmarkt
Auch die Entwicklung einzelner Chips wird mit steigender Komplexität aktuell immer teurer. Nvidia beispielsweise gab für den Chipriesen Xavier über zwei Milliarden Dollar aus. Damit sich eine solche Chipentwicklung überhaupt lohnt, müssen die Hersteller damit etwa das Zehnfache der Entwicklungskosten einnehmen.
«Die hohen Kosten der neuesten Chipgenerationen führen aktuell zu einer extremen Konsolidierung im Chipmarkt», erklärt Jon Erensen vom Analysedienst Gartner. Qualcommversucht derzeit, für 47 Milliarden Dollar den Konkurrenten NXP zu übernehmen. Intel kaufte 2017 für mehr als 15 Milliarden Dollar den Autochipspezialisten Mobileye. Und auch in diesem Jahr erwarten Analysten weitere Übernahmen.
Internetkonzerne wollen sich loslösen
Diese extreme Konsolidierung betrachten die wichtigsten Endkonsumenten-Kunden der grossen Designschmieden mit Sorge: Google, Amazon und Microsoft kaufen für ihre Datenzentren jedes Jahr Hunderttausende Chips ein – und wollen, siehe Nadella, nicht von den grossen drei abhängig sein. Die Internetgiganten sind die vielleicht einzigen Technologiefirmen, die genügend Entwicklungsbudget haben, um im Wettlauf der Chipschmieden mitspielen zu können.
Deswegen nehmen die Internetgiganten nun eigenes Geld in die Hand, um selbst die Chips der nächsten Generation zu entwickeln: Google baut mit seiner Tensorflow Prozessing Unit neuerdings Chips, die Nvidia im Markt für künstliche Intelligenz Konkurrenz machen sollen. Und Microsoft wie Google entwickeln im Wettlauf mit Intel die Chiptechnolgie der Zukunft. Sogenannte Quantum-Prozessoren sollen mit gewaltiger Rechenleistung Moores Gesetz wieder zu Gültigkeit verhelfen.
Dieser Artikel erschien zuerst bei der «Welt» unter dem Titel: «So funktioniert das unantastbare Chip-Kartell».