Der globale Kampf um Mikrochips - einfach erklärt
Warum streiten sich alle Großmächte um Mikrochips - und was ist das eigentlich?
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Intel fordert weitere 5 Milliarden Euro Subventionen für neue Mikrochip Fabrik in Magdeburg - diese Schlagzeile machte diese Woche die Runde.
Und generell hab ich in den letzten Jahren immer öfter über das Thema Mikrochips gelesen - von Supply Chain Krise bis Wirtschaftskampf.
Als ich dann diese Woche verstehen wollte, was Intel ausgerechnet in Magdeburg will ist mir klargeworden, dass mein Wissen zu dem gesamten Thema ziemlich lückenhaft ist. Mikrochips okay klar, sind in meinem Handy und so ziemlich in jedem Produkt - aber wenn es die überall gibt, warum ist es scheinbar trotzdem so schwer sie herzustellen? Und warum hört man immer wieder von extremen Sanktionen, mit denen Länder sich gegenseitig daran hindern, noch mehr Mikrochips zu produzieren?
Ich bin also abgetaucht in’s Rabbit Hole - und weil Lernen gemeinsam viel mehr Spaß macht, hab ich alles, was ich herausgefunden habe aufgeschrieben. Heute kommt also ein Erklärpost und ich versuche folgende Fragen zu beantworten:
Was ist eigentlich ein Mikrochip?
Wie werden moderne Mikrochips hergestellt?
Wie sieht die Supply Chain aus?
Warum herrscht ein geopolitischer Kampf um Mikrochips?
Also los:
Was ist eigentlich ein Mikrochip?
Wie du bestimmt schon mal gehört hast, kann man alles was mit Computern zu tun hat am Ende der Kette auf 0 oder 1 herunterbrechen. Denn das sind die einzigen beiden Ziffern, die wir brauchen, um im Binärsystem zu rechnen. Und so wird aus der richtigen Verkettung von Nullen und Einsen jede andere denkbare Zahl, die dann wiederum für alles andere stehen kann. Ordnet man z.B. verschiedene Zahlen verschiedenen Schattierungen von Schwarz zu, kann eine Reihe von Zahlen einfache Pixel repräsentieren und es entsteht ein einfaches Bild.
Nur 0 und 1 zu brauchen ist deswegen so praktisch, weil die beiden Zahlen sich sehr einfach mit einer physikalischen Messgröße repräsentieren lassen: 0 = Strom aus, 1 = Strom an. So einfach das klingt, aber einer der großen Durchbrüche der letzten 100 Jahre war die Erfindung des Transistors. Denn der kann in einem Schaltkreis als Ein/Aus Schalter verwendet werden.
Und wenn ich jetzt mehrere Schalter zusammen nutze, kann ich so nur mit einem Stromkreis ganz einfach Logik nachstellen. Du kennst das bestimmt aus deinem eigenen Zuhause - wenn du in einem Raum zwei Lichtschalter hast, die beide die gleiche Lampe steuern, gibt es verschiedene Möglichkeiten - je nach dem wie gut dein Elektriker gearbeitet hat. Im Normallfall kann jeder Schalter die Lampen an und aus machen, egal wie der andere Schalter steht. Wenn dein Elektriker nicht so konzentriert bei der Sache war, kann es sein, dass beide Schalter auf An stehen müssen, damit Licht leuchtet. Wenn es ganz verkehrt gelaufen ist, dann geht das Licht nur an, wenn ein Schalter auf An und der andere auf Aus Steht.
Mit ein paar dieser UND, ODER, und NICHT Schalter ist schnell ein ganz simpler binärer Taschenrechner erzeugt. Ein gutes Erklärvideo dazu gibt es hier.
Transistoren waren früher mal recht große Bauteile, um große Rechenaufgaben zu übernehmen, brauchte man sehr viele davon. Und deswegen waren Computer lange Zeit riesige Maschinen, die teilweise ganze Räume füllten.
Schon im Laufe der 50er Jahre kamen Ingenieure in den USA auf die Idee, dass man einen Transistor aus einem halbleitenden (semiconducting) Material herstellen kann.
Ein solcher Halbleiter ist z.B. Silizium, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element in unserer Erdkruste.
Statt also große Schaltkreise aus Bauteilen zusammenzustecken, um die eben genannten Logik- und Rechenoperationen durchzuführen, kam man auf die Idee, die Schaltkreise direkt auf dem Halbleitermaterial zu erzeugen (wie das funktioniert, dazu im nächsten Abschnitt mehr). Dadurch wurde der Platz, den man brauchte um Rechenpower und Speicherplatz zu bieten, drastisch kleiner und der Mikrochip war geboren.
Kurz gesagt ist ein Mikrochip ein winziges elektronisches Bauteil, dass sehr viele Transistoren (Ein/Aus Schalter) miteinander in einem kleinen Schaltkreis so verbindet, dass sich dadurch Logikfolgen ergeben, mit denen man rechnen und Daten speichern kann. Noch mal als Erinnerung - ein Transistor ist einfach gesagt ein Ein/Aus Schalter für Strom. Ein = 1, Aus = 0 und mit 0 und 1 können wir dank dem Binärsystem alle anderen Zahlen repräsentieren und diese Zahlen können dann wiederum für alles andere stehen (Pixel, Wörter, und und und).
Wie werden moderne Mikrochips hergestellt?
Die Strukturen auf modernen Mikrochips sind extrem klein. Wenn ich sage extrem klein, dann meine ich das auch so. Die kleinsten Strukturen auf den modernsten Chips haben einen Abstand von <10nm. Das ist ein 700tel(!) des Durchmessers eines einzelnen roten Blutkörperchens.
Dieser Abstand ist in den vergangenen Jahren konstant kleiner geworden - er führt dazu, dass noch mehr Transistoren auf einen einzelnen Chip passen. Ein moderner Chip mit der Größe eines Fingernagels hat heute mehrere Milliarden Transistoren.
Je mehr Transistoren auf dem Chip sind, desto mehr Rechenpower oder Speicherkapazität lässt sich damit abbilden, bei sinkendem Energiebedarf. Das erklärt z.B. warum die modernen MacBooks ein vielfaches der Rechenpower von den MacBooks von vor wenigen Jahren haben und die Batterie trotzdem länger hält.
Aber wie schafft man es solche extrem kleinen Strukturen auf einen Halbleiter aus Silizium zu bringen - ganz sicher sitzt da keiner mit dem kleinsten Lötkolben und der ruhigsten Hand der Welt und bastelt unter’m Mikroskop den neusten Mikrochip.
Stattdessen passiert das mit Hilfe von Licht. Eine dünne Silizium-Platte (Wafer) wird mit einem photoresistenten Material beschichtet. Dann brennt ein hochpräziser Laser eine bestimmte Struktur in diesen Wafer. Der Wafer wird “gebacken” um die Strukturen permanent zu machen und das überschüssige photoresistente Material wird weggewaschen. In einem chemischen Prozess wird das unbelichtete Material entfernt und so entsteht eine komplexe dreidimensionale Struktur aus dem Halbleiter. Dieser Prozess wird dann in vielen Schichten immer wieder wiederholt, am Ende wird der Wafer in einzelne Chips aufgeteilt. Die Strukturen auf den Chips bilden dann die eben genannten Milliarden von Transistoren, die wiederum einen komplexen Schaltkreis ergeben.
Für diesen Herstellungsprozess muss ein komplexes System aus Planung, Design, Materialien und Maschinen nahtlos ineinandergreifen. Und damit wären wir beim nächsten Punkt:
Wie sieht die Mikrochip Supply Chain aus?
Der typische Prozess bei Mikrochips besteht aus getrenntem Design und Produktion. Viele Firmen, die oft als Chip-Hersteller bezeichnet werden, sind eigentlich nur die Entwickler und überlassen die Produktion anderen. Man nennt dieses Modell Fabless - ein bekanntes Beispiel ist z.B. Nvidia, die vor allem Grafikprozessoren entwickeln, aber eben nicht fertigen.
Dass das so ist lässt sich unter anderem auf geopolitische Entscheidungen der 80er Jahre zurückführen. Bis dahin waren vor allem japanische Firmen führend in der Entwicklung und Herstellung von Mikrochips. Mit dem Ziel, die amerikanische High Tech Wirtschaft zu stärken, führte Ronald Reagan Ende der 80er Jahre hohe Importzölle auf japanische Mikrochips ein und begann die amerikanische Chip-Wirtschaft zu subventionieren. Gleichzeitig erkannte die taiwanesische Regierung die Chance, eine heimische Halbleiterindustrie aufzubauen und positionierte sich als perfekter Produktionspartner für amerikanische Chip-Entwickler. Fortan sich dieses Modell durch - Entwicklung und Design auf der einen Seite - Produktion auf der anderen Seite. In dieser Zeit entstand so unter anderem TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), heute die wichtigste und wertvollste Halbleiter Produktionsfirma weltweit.
Am Anfang der Supply Chain steht das Mikrochip Design. Die Planung der eben beschriebenen extrem komplexen Strukturen ist aufwändig und bedarf langjähriger Erfahrung, gutausgebildeten Mitarbeitern und guter Software. Ein Großteil des Chip Designs findet in den USA, Südkorea und China statt.
Um aus dem Design auch Chips fertigen zu können, braucht man geeignete Materialien.
Der wichtigste Rohstoff ist Silizium Das ist weit verbreitet und wird weltweit in vielen Ländern abgebaut und verarbeitet. An vorderster Stelle steht dabei China, aber auch in den USA wird im großen Stil Silizium gefördert.
Außerdem wird eine ganze Reihe an Spezialchemikalien mit besonders hohen Reinheitsgraden benötigt. Deren Herstellung beherrschen nur wenige Firmen, die vorrangig in Nordamerika, Europa und Japan ansässig sind.
Auch mit dem perfekten Design und dem besten Material ist die Herstellung von Mikrochips extrem kompliziert. Das liegt u.a. daran, dass bei der Herstellung penibelste Sauberkeit herrschen muss. Bilder aus Mikrochip Fabriken sehen immer aus wie ein Biochemiewaffen-Labor aus einem Science Fiction Film.
Das liegt ganz einfach daran, dass die Umgebung absolut rein und vor allem staubfrei sein muss. Wenn man in Bereichen, die 700x kleiner sind, als unsere Blutkörper, agiert, kann man sich schnell ausmalen, welchen Schaden selbst ein einziges Staubkorn anrichten kann.
Fabriken dieser Art gibt es in vielen Ländern, auch hier in Deutschland. Aber die modernsten <10nm Mikrochips können aktuell nur in zwei Ländern der Welt hergestellt werden. Taiwan und Südkorea. Und Taiwan hat hier über 90% Marktanteil.
In diesen Fabriken ist die wichtigste Maschine ein Lithographiegerät. Diese führen den eben beschriebenen, extrem komplexen Belichtungsprozess mit einem ultra-feinen Laser durch.
Es gibt nur sehr wenige Hersteller, die diese Maschinen überhaupt herstellen können - dazu zählen Nikon, Canon und ASML. Und auch wenn ASML der unbekannteste Namen unter den Dreien ist, haben sie ca. 62% Marktanteil.
Die niederländische Firma, ganz unscheinbar in Veldhoven, knapp 70km von der deutschen Grenze, beheimatet, ist einer der zentralen Spieler im globalen Mikrochip Markt.
Denn für die Herstellung von <10nm Mikrochip benötigt man eine ganz besondere Technologie - Extrem Ultraviolet Lithography (EUV) - und dieses Verfahren beherrscht nur eine Firma: ASML.
Und genau deswegen versuchen die USA und weitere westliche Länder seit einiger Zeit zu verhindern, dass China Zugriff auf ASML’s Technologie erhält:
Warum herrscht ein geopolitischer Kampf um Mikrochips?
Wie wir verstanden haben, sind Mikrochips von extrem hoher Bedeutung für die Wirtschaft. Kaum ein modernes Produkt kommt mehr ohne sie aus. Je kleiner sie sind, desto energieeffizienter können sie mehr Rechenpower und Speicherkapazität bieten. Damit sind moderne Mikrochips die Grundlage für jeglichen technoligischen Fortschritt. Das gilt für alle Bereiche - von ganz harmlosen Anwendungsfällen wie smarten Kühlschränken bis zu den modernsten Waffensystemen.
Wie viele von uns während der Chip Supply Chain Krise in der ersten Corona-Pandemie Phase in 2020 und 2021 erleben konnten, zieht eine Krise im Angebot an Chips viele andere Branchen mit in die Krise.
All diese Aspekte führen dazu, dass auch politische Entscheider ein sehr großes Interesse daran haben, dass ihre heimische Wirtschaft Zugang zu einem ausreichenden Supply an Chips, und vor allem an den modernsten Mikrochips hat.
Lange Zeit wirkte die globale Supply Chain in gewisser Weise wie eine perfekte Win-Win Kette. Chips wurden in den USA und Europa designed, wurden mit westlicher und japanischer Technologie in Taiwan und Südkorea gefertigt, und dann in China in Tech Produkte jeder Art verbaut und diese dann in die ganze Welt verkauft.
Doch in den letzten Jahren hat China den Anspruch entwickelt, nicht nur das letzte Fertigungsglied in der Kette zu sein, sondern auch in größeren Anteilen an der vorherigen Wertschöpfungskette zu partizipieren. Gleichzeitig hat sich gezeigt, dass das chinesische und das westliche Weltbild, egal wie sehr sich China im Handel der Welt geöffnet hat, sehr unterschiedlich bleiben - u.a. bei Menschenrechten (vgl. Xinjiang Police Files) oder auch im Völkerrecht, wo China unbeirrt an der Seite Russlands steht und die Souveränität von Taiwan immer öfter öffentlich in Abrede stellt.
Gleichzeitig ist patriotische (oder sogar nationalistische) Wirtschaftspolitik vor allem in den USA, aber auch in Europa wieder en vogue geworden.
All diese Faktoren führen dazu, dass westliche Länder, auch hier wieder an vorderster Front die USA, möglichst verhindern wollen, dass China Zugriff auf die modernste Chip-Technologien erhält, und andererseits versuchen wollen, die jeweils heimische Chip Industrie zu stärken und sich vor allem bei der Produktion von Mikrochips unabhängiger von der Fabrikkapazität in Asien, vor allem Taiwan machen.
Schon seit 2018 hatte die amerikanische Regierung versucht, ASML daran zu hindern, die neuste Generation ihrer Lithographiemaschinen (mit der eben genannten EUV Technologie) an chinesische Chiphersteller zu liefern. Und damit hatten sie Erfolg, denn wohl auf Druck der US Regierung gab die niederländische Regierung der Firma nicht die notwendige Exportfreigabe.
Aktuell verhandelt die amerikanische Regierung wohl auch weiter mit der niederländischen, um auch den weiteren Export der Vorgängermodelle an chinesische Firmen zu unterbinden. Und wie wir seit dieser Woche wissen, wohl auch wieder erfolgreich.
Unter anderem geschieht dies mit der Argumentation, dass China die Maschinen dafür nutzen will, um moderne Chips für High-Tech Waffensysteme zu entwickeln, was wohl auch sehr gut möglich ist.
Bisher scheinen die Blockade Maßnahmen durchaus erfolgreich zu sein. Allen Experten zu Folge hinkt China bei der Produktion moderner Chips mehrere Jahre hinter Ländern wie Taiwan oder Südkorea hinterher.
Wie lange das aber so bleiben wird, ist fraglich. Auch ASML’s CEO Peter Wennink ist überzeugt davon, dass chinesische Firmen irgendwann in Zukunft selbst Technologie auf dem Level von ASML entwickeln werden können: “If they cannot get those machines, they will develop them themselves. That will take time, but ultimately they will get there.”
Gleichzeitig zu den Bestrebungen, die neuste Technologie von China wegzuhalten, subventionieren aktuell sowohl die USA, als auch die EU massiv die Ansiedlung oder den Umzug von hochmodernen Chipfabriken. Es gibt sowohl den amerikanischen, als auch den europäischen Chips Act. Beide sehen zweistellige Milliardeninvestments in die jeweils lokale Chipbranche vor.
Und tatsächlich entstehen gerade große neue Chipherstellungskapazitäten außerhalb von Asien. So baut TSMC gerade u.a ein riesiges neues Werk in Phoenix, Arizona und Intel buhlt um mehrere Milliarden Subventionen für ein neues Werk in Magdeburg, das wohl bis zu 30 Milliarden € kosten wird.
Mein Fazit
So gerne ich in einer Welt ohne Sanktionen und wirtschaftliche Konflikte und in einem perfekten Win-Win Szenario aus freiem Welthandel leben würde, so sehr muss ich der Realität in’s Auge blicken, dass der Traum von “Wandel durch Handel” in den letzten Jahren wohl leider nur das war: ein Traum.
Auch wenn hier längst nicht alles perfekt ist, ich lebe gerne in Europa und glaube an unsere “westlichen” demokratischen Grundwerte. Nicht zuletzt die Corona Pandemie oder der russische Angriffskrieg haben uns gezeigt, wie verwundbar wir westlichen Länder sind, wenn wir nicht genügend Kontrolle über die Supply Chain unserer wichtigsten Güter haben.
Daher stehe ich den geopolitischen Bemühungen, stärkere Kontrolle über den gesamten Entwicklungs- und Herstellungsprozess von hochmodernen Mikrochips zu haben, positiv gegenüber.
Noch glücklicher wäre ich aber, wenn Europa und die USA hier noch stärker Hand in Hand arbeiten würden und wenn aus dem America First oder EU First ein Democratic Countries First würde.
Zum Abschluss habe ich noch eine kurze Bitte - ich stecke jede Woche viele Stunden Zeit in die Recherche und das Schreiben dieses Newsletters. Es würde mich sehr freuen, noch mehr interessierte Leser zu erreichen. Wenn dir der heutige Post gefallen hat und du etwas gelernt hast, leite den Post doch an einen Freund, Bekannten oder Kollegen weiter.
Danke!
Danke für’s Lesen!
Beste Grüße und bis nächste Woche!
Robbie
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