Das Smartphone-Chip-Designhaus MediaTek lobte die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company in einer Präsentation auf dem jüngsten Tech-Symposium des weltgrößten Vertrags-Chipherstellers nur. Der Erfolg von MediaTeks neuestem Flaggschiff-Prozessor „verwurzelt in der Arbeit, die unsere Partner bei TSMC gemeinsam mit uns geleistet haben“, hieß es.
Aber TSMC-Geschäftsführer 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 gesehen habe [that]ich bin fast vom Stuhl gefallen“, sagte Wei.
Chiphersteller stoßen bei ihrem Bestreben, Halbleiter immer schneller und energieeffizienter zu machen, gegen die Gesetze der Physik, um sich schnell entwickelnde Anwendungen von High-End-Gaming auf Smartphones bis hin zu Servern für die Simulation des Klimawandels zu ermöglichen.
75 Jahre nach der Erfindung des Transistors, eines Schalters, der den elektrischen Strom steuert und das Herzstück jedes Halbleiters bildet, wird das Prinzip, dass sich die Anzahl der auf jedem Chip gepackten Transistoren etwa alle zwei Jahre verdoppelt, was ein explosionsartiges Wachstum der Rechenleistung ermöglicht, bröckelt. Sie zu verkleinern wird zu schwierig.
„Nur auf Transistoren zu setzen, reicht heute nicht mehr aus, um unseren Ansprüchen gerecht zu werden [the requirements of] die Produkte, die Sie entwerfen“, sagte Wei einem Publikum von TSMC-Kunden.
1965 hatte Gordon Moore, Mitbegründer von Fairchild Semiconductor und später von Intel, die Verdopplung der Transistoranzahl pro Chip etwa alle 24 Monate beobachtet und ein solches exponentielles Wachstum für das nächste Jahrzehnt vorhergesagt. Das sogenannte Moore’sche Gesetz galt viel länger, als sein Erfinder vorhergesehen hatte – ein IC-Gerät kann laut TSMC heute bis zu 100 Milliarden Transistoren enthalten –, aber es erreicht jetzt eine Grenze.
Diese Herausforderung, technische Alternativen zu finden, macht den Wettbewerb zwischen den weltbesten Chipherstellern unberechenbarer, obwohl TSMC vorerst einen klaren Vorsprung in der Fertigungstechnologie hat.
Sein Foundry-Geschäftsmodell, Halbleiter nur nach den Entwürfen anderer Unternehmen herzustellen, hat ihm geholfen, mehr als die Hälfte des globalen Marktes für kundenspezifische Chips zu erobern, mit mehr als 12.000 verschiedenen hergestellten Produkten und engen technischen Beziehungen zu über 500 Kunden.
Zuvor verschwendete Intel seinen Fertigungsvorsprung gegenüber TSMC mit einer Reihe von Fehltritten bei seinen letzten beiden Prozessknotenübergängen und wird nun mit einem Rückstand von rund zwei Jahren gerechnet. Aber Analysten sagen, dass sich das ändern könnte, zumal Regierungen von den USA bis Japan die Chiphersteller dazu drängen, die Produktion mit großen Subventionen zu lokalisieren, die Intel und TSMCs anderen Hauptkonkurrenten Samsung begünstigen könnten.
„[TSMC] stolpern könnte. Wenn der Übergang zum nächsten Technologieknoten schwieriger wird, könnte jeder stolpern“, sagte Chris Miller, Wirtschaftshistoriker an der Tufts University, der ein Buch über die Geschichte der Chipindustrie geschrieben hat. „Oder wenn die nächsten paar Übergänge der Prozesstechnologie-Knoten schwieriger sind als erwartet, könnte der Vorsprung von TSMC an Bedeutung verlieren.“
Chiphersteller kämpfen seit mehr als einem Jahrzehnt erfolgreich gegen die Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes. Als beim Verpacken von mehr Transistoren Probleme auftraten, fingen sie an, sie übereinander zu stapeln. Sie verpacken auch verschiedene Chips zusammen auf einem Stück Silizium und nicht auf einem PC-Motherboard – TSMC verwendet diese Multi-Die-Package-Technologie, um den Epyc, den Prozessor für Rechenzentren von AMD, herzustellen.
Aber jetzt ist die Industrie gezwungen, sich nach anderen Verbesserungen umzusehen. Da der in den letzten zehn Jahren verwendete sogenannte FinFET-Prozess nicht mehr genügend Geschwindigkeits- und Leistungsgewinne liefern kann, wird eine neue Transistorarchitektur eingesetzt.
Beginnend mit N2 – der Generation von Chips, die TSMC ab 2025 in Massenproduktion produzieren will – wird es eine Technologie namens Nanosheet verwenden, die auch als Gate-All-Around (GAA) bekannt ist.
Bei dieser Architektur umgibt das Transistorgate, das den Stromfluss durch die Schaltungskanäle steuert, die Kanäle vollständig, anstatt sich wie bei der vorherigen Lösung auf drei Seiten zu befinden. Dies maximiert die Oberfläche und „ermöglicht es dem Gerät, mit sehr niedriger Spannung zu arbeiten und Energieeffizienzgewinne zu erzielen“, sagte Kevin Zhang, Vizepräsident bei TSMC.
Der Übergang erweist sich jedoch als schwierig. Samsung, das versucht hat, GAA bei der N3-Generation voranzutreiben, hat Mühe, seine Ausbeute zu erhöhen – den Anteil der produzierten nicht defekten Chips. Die Massenproduktion begann im Juni bei N3 – kurz vor TSMC, das noch vor Ende des Jahres mit der Massenproduktion beginnen soll.
Das Ertragsproblem von Samsung macht es schwierig, große Kunden für die hochmoderne Chipproduktion zu gewinnen. Analysten erwarten nicht, dass die frühere Einführung von GAA dazu beitragen wird, TSMC bald einzuholen, sagten jedoch, dass es große Kunden wie Google und Tesla anziehen könnte, sobald es nächstes Jahr einen GAA N3-Prozess der zweiten Generation einführt und eine stabile Ausbeute sichert.
TSMC-Führungskräfte gaben an, dass sich ihre Entscheidung, bei der vorherigen Architektur von N3 zu bleiben, auszahlt. „Damit konnten wir N3 schneller auf den Markt bringen“, sagte Zhang. Das Unternehmen sagte, es erziele „gute Erträge“, und die Kundennachfrage nach N3 sei so stark, dass es seine Engineering-Kapazitäten belastet. TSMC hat Zusagen von Apple, Intel, AMD und mehreren anderen Kunden für N3.
In der Zwischenzeit hat sich Intel das ehrgeizige Ziel gesetzt, die Prozesstechnologie von TSMC bis 2024 zu erreichen und ein Jahr später zu überholen – obwohl der anhaltende Rückgang des Aktienkurses zeigt, dass die Wall Street noch nicht davon überzeugt ist, dass sie ihre früheren Fehltritte sowohl beheben als auch aufholen kann Bis dahin schreitet die rasante Technologie von TSMC voran. Der US-Chiphersteller plant, im nächsten Jahr einen verspäteten Wechsel zu den fortschrittlichsten EUV-Fertigungsanlagen vorzunehmen und 2024 eine eigene Version von GAA einzuführen, um einen Chip mit 2 nm breiten Merkmalen herzustellen.
Doch so sehr TSMC sich seiner führenden Position jetzt sicher ist, in Zukunft drohen noch größere Herausforderungen. Chiphersteller gehen davon aus, dass wichtige Werkzeuge und Materialien, die jahrzehntelang für die Herstellung von Halbleitern verwendet wurden, in Kürze erheblich geändert oder sogar ersetzt werden müssen, und schließlich werden die Tage von Silizium selbst, dem Grundmaterial der Industrie seit ihren Anfängen, gezählt sein.