Chipfabriken: Plädoyer für eine Aufholjagd in der europäischen Halbleiterindustrie
Was machst die Entwicklung von Halbleitern so komplex? Warum braucht Europa eine technologisch führende Chipfabrik? Und wieso ist die Fabrik alleine noch nicht genug?
VON RAFAEL LAGUNA DE LA VERA UND ERICH CLEMENTI
Beim Thema digitale Souveränität herrscht in Europa ein breiter Konsens: Das Ziel der EU muss es sein, die Kontrolle über ihre Daten und die Privatsphäre ihrer Bürger zu verteidigen, und wirtschaftlich weitgehend selbstbestimmt handeln zu können. Die Digitalisierung verändert jede Industrie mit hohem Tempo, etabliert neue Betriebe und gefährdet die, die sich nicht verändern. Allem zugrunde liegen Halbleitertechnologien, Chips eben. Software braucht Hardware, und Chips sind die Grundbausteine für alles Digitale.
Trotz ausgezeichneter Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen ist Europa heute technologisch im Rückstand. Die Hoffnung, den Anschluss an die Spitze über die Dominanz des Mobiltelefonmarktes, die sich mit Nokia, Ericsson und Siemens anfangs 2000 abzeichnete, zu sichern, wurde durch den Umstieg auf Smartphones zerschlagen. Die großen Profite und die neuen Märkte gingen an die USA, die Produktion nach Asien. Europäer konzentrierten sich auf weniger anspruchsvolle Märkte.
Die technologiegetriebenen Kostensteigerungen, vor allem in der Fertigung, haben zu Arbeitsteilung und Spezialisierung in der Halbleiterindustrie geführt. Viele Hersteller konzentrieren sich auf die Entwicklung und überlassen die Produktion spezialisierten Betrieben, die über Auftragsbündelung ihre gewaltigen Fixkosten stemmen können. Das neue Geschäftsmodell hat die Markteintrittsbarrieren gesenkt und zu einer erhöhten Vielfalt von Unternehmen geführt, die eigene Chips entwickeln, wie Apple, Google und Tesla. Auch Volkswagen hat die Absicht verkündet, dies zu tun.
Beim Thema digitale Souveränität herrscht in Europa ein breiter Konsens: Das Ziel der EU muss es sein, die Kontrolle über ihre Daten und die Privatsphäre ihrer Bürger zu verteidigen, und wirtschaftlich weitgehend selbstbestimmt handeln zu können. Die Digitalisierung verändert jede Industrie mit hohem Tempo, etabliert neue Betriebe und gefährdet die, die sich nicht verändern. Allem zugrunde liegen Halbleitertechnologien, Chips eben. Software braucht Hardware, und Chips sind die Grundbausteine für alles Digitale.
Trotz ausgezeichneter Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen ist Europa heute technologisch im Rückstand. Die Hoffnung, den Anschluss an die Spitze über die Dominanz des Mobiltelefonmarktes, die sich mit Nokia, Ericsson und Siemens anfangs 2000 abzeichnete, zu sichern, wurde durch den Umstieg auf Smartphones zerschlagen. Die großen Profite und die neuen Märkte gingen an die USA, die Produktion nach Asien. Europäer konzentrierten sich auf weniger anspruchsvolle Märkte.
Die technologiegetriebenen Kostensteigerungen, vor allem in der Fertigung, haben zu Arbeitsteilung und Spezialisierung in der Halbleiterindustrie geführt. Viele Hersteller konzentrieren sich auf die Entwicklung und überlassen die Produktion spezialisierten Betrieben, die über Auftragsbündelung ihre gewaltigen Fixkosten stemmen können. Das neue Geschäftsmodell hat die Markteintrittsbarrieren gesenkt und zu einer erhöhten Vielfalt von Unternehmen geführt, die eigene Chips entwickeln, wie Apple, Google und Tesla. Auch Volkswagen hat die Absicht verkündet, dies zu tun.
Foto: Niek Doup, UnsplashDie Entwicklung von Halbleitern ist ein komplexes Zusammenspiel. Unternehmen liefern sich gegenseitig Innovationen und sind zugleich untereinander von den Fortschritten abhängig.
Die Entwicklung von Halbleitern ist ein komplexes Zusammenspiel. Unternehmen liefern sich gegenseitig Innovationen und sind zugleich untereinander von den Fortschritten abhängig. Ohne Fabrikation und Zugriff auf die hochkomplexen und teuren Anlagen wird Forschung erschwert. Wie man in den USA sagt: „move production and innovation follows“. So geschehen in Richtung Asien. Vor Jahrzehnten haben europäische und amerikanische Unternehmen den Grundstein für die asiatische Industrie gelegt, indem sukzessive immer höherwertige Prozesse ausgesiedelt wurden. Inzwischen werden mehr als 90% der leistungsfähigsten Chips in Taiwan und Südkorea gebaut – mitten in einem geopolitisch nicht unkritischen Raum.
Die EU hat inzwischen erkannt, wie wichtig Innovation und Wachstum in diesem Bereich für den Wirtschaftsraum sind, und ambitionierte Ziele verkündet. Mit dem im September angekündigten „EU Chips Act“ sollen Forschung und Entwicklung, Chip-Design und -Fabrikation massiv gefördert werden. Die USA sind zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen: Allerdings führen sie in weiten Bereichen der Halbleiterindustrie und müssen „nur“ im Fabrikationsbereich wieder an die Weltspitze. Dazu wurde der „US Chips Act“ mit einem Umfang von mehr als 50 Milliarden US-Dollar im US-Senat bereits verabschiedet.
Vor diesem Hintergrund findet derzeit eine Diskussion zu den Handlungs- und Förderprioritäten und besonders zur möglichen Ansiedlung einer technologisch führenden Chipfabrik von Intel in Europa statt. Intels erklärte Absicht ist es, zukünftig Chips mit einer dann weltweit führenden Strukturgröße im Bereich von 2 bis 3 Nanometern in Europa herzustellen und eine Auftragsfertigung für den Drittmarkt zu etablieren.
Die EU hat inzwischen erkannt, wie wichtig Innovation und Wachstum in diesem Bereich für den Wirtschaftsraum sind, und ambitionierte Ziele verkündet. Mit dem im September angekündigten „EU Chips Act“ sollen Forschung und Entwicklung, Chip-Design und -Fabrikation massiv gefördert werden. Die USA sind zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen: Allerdings führen sie in weiten Bereichen der Halbleiterindustrie und müssen „nur“ im Fabrikationsbereich wieder an die Weltspitze. Dazu wurde der „US Chips Act“ mit einem Umfang von mehr als 50 Milliarden US-Dollar im US-Senat bereits verabschiedet.
Vor diesem Hintergrund findet derzeit eine Diskussion zu den Handlungs- und Förderprioritäten und besonders zur möglichen Ansiedlung einer technologisch führenden Chipfabrik von Intel in Europa statt. Intels erklärte Absicht ist es, zukünftig Chips mit einer dann weltweit führenden Strukturgröße im Bereich von 2 bis 3 Nanometern in Europa herzustellen und eine Auftragsfertigung für den Drittmarkt zu etablieren.
Eine einmalige Chance für Europa. Warum sollte das gefördert werden?
Erstens, weil autonomes Aufholen nahezu unmöglich ist. Kein europäisches Unternehmen kann die nötigen Ausgaben für solch eine Fabrik allein erbringen. Zudem fehlen die Absatzmärkte und das technologische Know-how. Die Tatsache, dass ein Hersteller wie Intel in Europa produzieren und einen beträchtlichen Teil der Kosten über den Export abdecken will, kann es der europäischen Industrie ermöglichen aufzuholen – bei richtiger Gestaltung der Zusammenarbeit.
Zweitens, weil die Nachfrage nach Hochleistungschips, die bei künftigen Sprunginnovationen entstehen wird, exponentiell verläuft. Die Batterieherstellung für Elektrofahrzeuge ist eine gute Parallele dafür. Anfänglich sollte diese China überlassen werden, heute gilt sie der EU-Kommission als ein „Important Project of Common European Interest“. Auch beim autonomen Fahren versucht Europa eine Aufholjagd. Bei aller Zukunftsmalerei wissen wir, dass dafür im Auto zwei oder drei Supercomputer verbaut werden müssen, um die Flut an Kamera- und Sensordaten zu verarbeiten. Ist autonomes Fahren erstmal Realität, wird es sich nicht auf die obere Automobilklasse beschränken.
Auch der Mobilfunk wird eine große Nachfrage entwickeln. Die massive Ausweitung der Kommunikationsbandbreiten durch 5G und nachfolgende Mobilfunkgenerationen werden aufgrund ihrer geringeren Reichweite und der dadurch erforderlichen, höheren Anzahl der Zellen deutlich energieeffizientere und leistungsstärkere Chips benötigen. Und auch Künstliche Intelligenz durchdringt immer mehr industrielle Anwendungsbereiche. Man spricht von ‚embedded AI‘, also hochspezialisierte Chiparchitekturen mit enormen Datenverarbeitungskapazitäten in den Endgeräten. Diese setzen technologisch führende Strukturbreiten voraus, um die erforderliche Menge an Rechnerleistung und Speicherkapazität energieeffizient liefern zu können.
Zweitens, weil die Nachfrage nach Hochleistungschips, die bei künftigen Sprunginnovationen entstehen wird, exponentiell verläuft. Die Batterieherstellung für Elektrofahrzeuge ist eine gute Parallele dafür. Anfänglich sollte diese China überlassen werden, heute gilt sie der EU-Kommission als ein „Important Project of Common European Interest“. Auch beim autonomen Fahren versucht Europa eine Aufholjagd. Bei aller Zukunftsmalerei wissen wir, dass dafür im Auto zwei oder drei Supercomputer verbaut werden müssen, um die Flut an Kamera- und Sensordaten zu verarbeiten. Ist autonomes Fahren erstmal Realität, wird es sich nicht auf die obere Automobilklasse beschränken.
Auch der Mobilfunk wird eine große Nachfrage entwickeln. Die massive Ausweitung der Kommunikationsbandbreiten durch 5G und nachfolgende Mobilfunkgenerationen werden aufgrund ihrer geringeren Reichweite und der dadurch erforderlichen, höheren Anzahl der Zellen deutlich energieeffizientere und leistungsstärkere Chips benötigen. Und auch Künstliche Intelligenz durchdringt immer mehr industrielle Anwendungsbereiche. Man spricht von ‚embedded AI‘, also hochspezialisierte Chiparchitekturen mit enormen Datenverarbeitungskapazitäten in den Endgeräten. Diese setzen technologisch führende Strukturbreiten voraus, um die erforderliche Menge an Rechnerleistung und Speicherkapazität energieeffizient liefern zu können.
Drittens, weil die neuen Anwendungsbereiche neue Technologien erfordern, und führende Technologien nur bei engster Zusammenarbeit in allen Teilen der Wertschöpfungskette geschaffen werden können.
Die europäische Industrie ist heute stark abhängig vom britischen Unternehmen ARM, in dessen Lizenz die Mehrzahl der heutigen Mikroprozessoren und -controller entwickelt werden – und um dessen Übernahme sich das US-Unternehmen Nvidia bemüht. Die Zustimmung der Wettbewerbsbehörden steht zwar noch aus, aber nach einer Übernahme wäre ARM kein neutraler Teil der Lieferkette mehr, und auch nicht mehr autark und europäisch.
Um diese Abhängigkeit zu verringern, beteiligen sich derzeit große Teile der Chipindustrie am Aufbau des nächsten Chipstandards, RISC-V genannt. RISC-V hat aufgrund der Offenheit des Designs und der dazugehörigen Lizenzen eindeutige Vorteile. Mit Open Hardware zeichnet sich eine Entwicklung ab, wie sie in der Informationstechnologie durch Open Source Software bereits geschehen ist.
Das führt zu Viertens: Die Zusammenarbeit führender europäischer Forschungseinrichtungen wie Fraunhofer IPMS in Dresden, IMEC in Brüssel und CEA-Leti in Grenoble mit einer Intel Fabrik ermöglicht Zugriff auf sonst unerschwingliche Produktionseinrichtungen und auf Produktions-Know-how. Diese Zusammenarbeit sollte ausgeweitet werden auf Forschungs- und Entwicklungsinstitutionen in den USA, um den Know-how-Transfer noch weiter zu verbessern.
Die europäische Industrie ist heute stark abhängig vom britischen Unternehmen ARM, in dessen Lizenz die Mehrzahl der heutigen Mikroprozessoren und -controller entwickelt werden – und um dessen Übernahme sich das US-Unternehmen Nvidia bemüht. Die Zustimmung der Wettbewerbsbehörden steht zwar noch aus, aber nach einer Übernahme wäre ARM kein neutraler Teil der Lieferkette mehr, und auch nicht mehr autark und europäisch.
Um diese Abhängigkeit zu verringern, beteiligen sich derzeit große Teile der Chipindustrie am Aufbau des nächsten Chipstandards, RISC-V genannt. RISC-V hat aufgrund der Offenheit des Designs und der dazugehörigen Lizenzen eindeutige Vorteile. Mit Open Hardware zeichnet sich eine Entwicklung ab, wie sie in der Informationstechnologie durch Open Source Software bereits geschehen ist.
Das führt zu Viertens: Die Zusammenarbeit führender europäischer Forschungseinrichtungen wie Fraunhofer IPMS in Dresden, IMEC in Brüssel und CEA-Leti in Grenoble mit einer Intel Fabrik ermöglicht Zugriff auf sonst unerschwingliche Produktionseinrichtungen und auf Produktions-Know-how. Diese Zusammenarbeit sollte ausgeweitet werden auf Forschungs- und Entwicklungsinstitutionen in den USA, um den Know-how-Transfer noch weiter zu verbessern.
RAFAEL LAGUNA DE LA VERA ist Direktor der Bundesagentur für Sprunginnnovationen SPRINDChip-Fabriken sind extrem teuer und hochkomplex. Nur noch wenige Firmen weltweit können sich das leisten und sind selbst dann noch auf staatliche Subventionen angewiesen. Diese staatliche Förderung in Asien – von steuerlichen Begünstigungen über freie Grundstückszuweisungen bis hin zu subventionierter Energie – sowie die niedrigen Arbeitskosten und laxeren Umweltvorgaben haben den Wettbewerb über Jahre in hohem Ausmaß verzerrt.
Für den Aufbau einer Chip-Fabrik in Europa werden von Intel für die ersten zwei „Module“ 20 Milliarden Dollar an Investitionskosten veranschlagt. In der Endphase, bei gutem Nachfrageverlauf, plant Intel zusätzliche 6 bis 8 Module zu bauen – also ein Gesamtinvestitionsvolumen zwischen 60 und 80 Milliarden Dollar. Jedes dieser Module schafft „nur“ rund 1500 hochqualifizierte Arbeitsplätze plus insgesamt weitere 10-30 Tausend für deren Infrastruktur. Die Ansiedlung dieser Fabrik in Europa müsste mit ca. 35% der Investitionskosten subventioniert werden, um sie konkurrenzfähig mit den stark subventionierten asiatischen Konkurrenten zu machen und um damit den Grundstein für ein Aufholen zu legen.
Mehr als ein Drittel der Baukosten gehen in die Lithographie, also die Belichtungstechnik, die derzeit nur von einem Hersteller auf der Welt kommen kann: ASML aus den Niederlanden, die mit ihren Zulieferern wie Zeiss und Trumpf aus Deutschland die komplexeste Maschine überhaupt baut. Dank dieser weltweit führenden Technologie ist die Philips-Ausgründung ASML heute mit weit über 300 Milliarden Dollar Börsenkapitalisierung das wertvollste europäische Unternehmen. Die ersten 7 Milliarden Dollar flössen also schon einmal zurück in den europäischen Wirtschaftsraum und würden helfen, die Führungsposition dieses strategischen Lieferanten zu festigen. 15 Prozent der Kosten geht in den Bau der Fabrik. Steht sie hier, wird der Großteil dieser Leistung hier aus dem Wirtschaftsraum kommen. Also werden 50 Prozent der Kosten der Fabrik bereits im Europäischen Wirtschaftsraum verausgabt. Das ist mehr als die benötigten Subventionen.
Für den Aufbau einer Chip-Fabrik in Europa werden von Intel für die ersten zwei „Module“ 20 Milliarden Dollar an Investitionskosten veranschlagt. In der Endphase, bei gutem Nachfrageverlauf, plant Intel zusätzliche 6 bis 8 Module zu bauen – also ein Gesamtinvestitionsvolumen zwischen 60 und 80 Milliarden Dollar. Jedes dieser Module schafft „nur“ rund 1500 hochqualifizierte Arbeitsplätze plus insgesamt weitere 10-30 Tausend für deren Infrastruktur. Die Ansiedlung dieser Fabrik in Europa müsste mit ca. 35% der Investitionskosten subventioniert werden, um sie konkurrenzfähig mit den stark subventionierten asiatischen Konkurrenten zu machen und um damit den Grundstein für ein Aufholen zu legen.
Mehr als ein Drittel der Baukosten gehen in die Lithographie, also die Belichtungstechnik, die derzeit nur von einem Hersteller auf der Welt kommen kann: ASML aus den Niederlanden, die mit ihren Zulieferern wie Zeiss und Trumpf aus Deutschland die komplexeste Maschine überhaupt baut. Dank dieser weltweit führenden Technologie ist die Philips-Ausgründung ASML heute mit weit über 300 Milliarden Dollar Börsenkapitalisierung das wertvollste europäische Unternehmen. Die ersten 7 Milliarden Dollar flössen also schon einmal zurück in den europäischen Wirtschaftsraum und würden helfen, die Führungsposition dieses strategischen Lieferanten zu festigen. 15 Prozent der Kosten geht in den Bau der Fabrik. Steht sie hier, wird der Großteil dieser Leistung hier aus dem Wirtschaftsraum kommen. Also werden 50 Prozent der Kosten der Fabrik bereits im Europäischen Wirtschaftsraum verausgabt. Das ist mehr als die benötigten Subventionen.
ERICH CLEMENTI ist Senior Associate Fellow im Programm Technologie und Außenpolitik der Deutsche Gesellschaft für Auswärtige Politik e.V. (GDAP)Hier entsteht die Zukunft, und wer die vorhersagen will, muss sie machen.
Vertrauensvolle Kooperation ist essentiell bei der Weiterentwicklung der Chip-Technologien und der Entwicklung von geheimen Sicherheitschips. Diese kann nur in sehr enger Zusammenarbeit und mit einem Zugang zur Fabrikation funktionieren. Hier entsteht die Zukunft, und wer die vorhersagen will, muss sie machen. Machen sie andere anderswo, bleiben wir Zuschauer.
Fazit: Eine technologisch führende Fabrik alleine tut es nicht. Eine Fabrik als Teil einer weiterführenden Strategie, die Europa im Bereich der Chip-Architekturen und der Forschung entlang der gesamten Wertschöpfungskette, in Partnerschaft mit der US-Chip-Industrie und Intel, und mit der „richtigen“ Ausgestaltung der IP-Rechte begleitet, ist eine einmalige und letzte Möglichkeit für die europäische Industrie, den Anschluss an die Spitze herzustellen. Von den positiven „Nebeneffekten“ von mehreren Milliarden ausländischen Direktinvestitionen, mehr Exporten, hochqualifizierten Arbeitsplätzen und anderen Synergien ganz zu schweigen.
Fazit: Eine technologisch führende Fabrik alleine tut es nicht. Eine Fabrik als Teil einer weiterführenden Strategie, die Europa im Bereich der Chip-Architekturen und der Forschung entlang der gesamten Wertschöpfungskette, in Partnerschaft mit der US-Chip-Industrie und Intel, und mit der „richtigen“ Ausgestaltung der IP-Rechte begleitet, ist eine einmalige und letzte Möglichkeit für die europäische Industrie, den Anschluss an die Spitze herzustellen. Von den positiven „Nebeneffekten“ von mehreren Milliarden ausländischen Direktinvestitionen, mehr Exporten, hochqualifizierten Arbeitsplätzen und anderen Synergien ganz zu schweigen.
Mit freundlicher Genehmigung der Tagesspiegel Background Redaktion, die den Beitrag erstmals am 28.10.2021 hier veröffentlicht hat.