Die weltweite Halbleiterknappheit, die durch die Coronavirus-Pandemie und Probleme in der Lieferkette noch verschärft wurde, zeigt keine Anzeichen einer Besserung, da die Industrie weltweit die Produktion stoppen musste, um auf Prozessoren zu warten.
Ein Bericht des US-Wirtschaftsministeriums, der diese Woche veröffentlicht wurde, zeigte einen "alarmierenden" Mangel an Computerchips auf, während die durchschnittliche Nachfrage nach diesen Chips im Jahr 2021 um 17 % höher war als 2019.
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"Dies ist ein großes Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage", heißt es in dem Bericht.
Handelsministerin Gina Raimondo sagte, der Mangel an Chips lasse den Autoherstellern und anderen Chip-Nutzern "keinen Spielraum für Fehler".
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"Die Situation, in der wir uns als Land befinden, ist wirklich alarmierend und zeigt, wie dringend wir unsere inländischen Kapazitäten ausbauen müssen", sagte Raimondo bei der Vorstellung der Ergebnisse ihrer Behörde.
Die jüngste Häufung von Coronavirus-Fällen in Malaysia, Vietnam und auf den Philippinen hat die Probleme in der bereits angeschlagenen Computerchip-Herstellung und Lieferkette weiter verschärft.
Letzte Woche veranstaltete das Weiße Haus ein Gipfeltreffen, bei dem Halbleiterhersteller und -abnehmer zusammenkamen, um Lösungen für dieses Problem zu finden. Ein wesentlicher Knackpunkt ist die Nachfrage nach älteren Chips und nicht nach den hochmodernen Halbleitern, die von den weltweit größten Chipherstellern TSMC, Intel und Samsung hergestellt werden.
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Die Verknappung begann vor der Pandemie
Das Problem begann bereits vor dem Ausbruch der weltweiten Pandemie im Jahr 2020. Ältere Halbleiterfabriken waren bereits an der Kapazitätsgrenze angelangt, so Alan Priestley, Vice President und Analyst bei Gartner Research. "Covid hat das Problem noch verschärft, weil die gesamte Nachfrageprognose für die Industrie in die Luft gejagt wurde", sagte er.
Letztes Jahr zwang der Mangel an Computerchips die Autohersteller, ihre Produktion zu schließen und bis zu 7,7 Millionen Autos zu drosseln, was wiederum zu einem massiven Fahrzeugmangel führte, gerade als die Länder begannen, die weit verbreiteten Quarantänen aufzuheben, so dass die Menschen wieder reisen konnten.
Auch andere Branchen stellten die Produktion ein, obwohl der Markt für Unterhaltungselektronik während der Pandemie einen Aufschwung erlebte. Unternehmen und ihre Angestellten kauften vermehrt Desktops und Laptops für den Einsatz im Home-Office, und die Verbraucher stürzten sich auf eine Vielzahl von Geräten wie Fernseher, Spielsysteme, Kopfhörer und andere elektronische Geräte.
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"Alle Marktprognosen wurden verzerrt, so dass die Hersteller ihre Produktionskapazitäten verlagern mussten, um der neuen Nachfrage gerecht zu werden", so Priestley. "Dann, im Jahr 2021, als die Konjunktur sich zu erholen begann, kamen die Industrien, die keine Produkte gekauft hatten, wieder auf den Markt, und die Hersteller mussten ihnen sagen, dass sie warten sollten - sie stellten diese Produkte zu dieser Zeit nicht her.
"Die Autoindustrie war eine der wichtigsten Branchen. Sie sagten: Gebt uns [Halbleiter], und die Hersteller sagten, dass wir sie zur Zeit nicht herstellen. Sie werden warten müssen", sagte Priestley. "Die Chipherstellung erfolgt nicht sofort. Es dauert drei oder vier Monate, um mit der Herstellung eines Chips zu beginnen, ganz zu schweigen davon, dass er versandfertig ist."
Diese Chips müssen dann in die verschiedenen Systeme eingebettet werden, aus denen ein bestimmtes Produkt besteht, z. B. ein Auto oder seine verschiedenen Subsysteme - und das bedeutet, dass die Chips nach Asien verschifft werden, wo die meisten Produkte hergestellt werden.
Im September hat das Handelsministerium eine Umfrage unter Halbleiterherstellern und Käufern von Computerchips durchgeführt, auf die 150 Antworten von fast allen großen Chipherstellern und vielen Verbrauchern dieser Technologie eingingen.
US-Handelsministerium
Umfrageteilnehmer aufgeschlüsselt nach ihrer Rolle in der Lieferkette und, bei Halbleiterverbrauchern, nach Branchen.
Die Umfrage ergab, dass die Lagerbestände an Halbleitern im Jahr 2021 mit weniger als fünf Tagen ihren Tiefpunkt erreicht haben, was einen deutlichen Rückgang gegenüber den durchschnittlichen Lagerbeständen von 40 Tagen im Jahr 2019 bedeutet. "In den Schlüsselindustrien sind diese Bestände sogar noch geringer", heißt es in dem Bericht.
Seit Beginn der Halbleiterknappheit haben die Hersteller ihre Produktionskapazitäten drastisch erhöht und ihre Anlagen zu mehr als 90 % ausgelastet. Diese hohe Produktionsrate ist ungewöhnlich, da Halbleitermaschinen regelmäßig gewartet werden müssen und viel Strom verbrauchen.
Verband der Halbleiterindustrie
Die Halbleiterhersteller steigerten die Produktion ihrer Anlagen, die oft zu mehr als 90 % ausgelastet waren.
Fazit: Die Produktionskapazitäten reichen nicht aus, um den sprunghaften Anstieg der Nachfrage vor dem Ausbruch von COVID-19 zu decken.
Die steigende Nachfrage nach älteren Prozessoren zur Unterstützung neuer Technologien wie Elektrofahrzeuge und selbstfahrende Autos sowie intelligente Technologien, bei denen Sensoren in Produktionsanlagen, Gebäuden und Produkten eingebaut werden, um Daten zu sammeln und Systeme zu automatisieren, haben die Halbleiterindustrie bereits unter Druck gesetzt.Diese Systeme erfordern keine hochmodernen Chips, d. h. der Strommangel betrifft nicht in erster Linie die neuesten GPUs und CPUs, die auf 7-Nanometer-Technologie (nm) basieren, so Priestley.
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Stattdessen betrifft der Mangel an Chipkapazitäten vor allem ältere Halbleiter, die auf älteren Logikchips aufgebaut sind, wie z. B. die 40nm-, 90nm-, 150nm-, 180nm- und 250nm-Knoten. Diese älteren Transistoren sind den primären Computerprozessoren untergeordnet, werden aber für Dinge wie Computerbildschirme, HF-Komponenten von Mobiltelefonen, analoge Operationen und die Verwaltung der Systemleistung benötigt. Die letztgenannten Funktionen sind für die Herstellung von Computern, medizinischen Geräten, Breitbandsystemen und Automobilen erforderlich.
"Leider sind das die Dinge, die man braucht, um Produkte zu bauen. Man kann über den Mikroprozessor der neuesten Generation oder den Anwendungsprozessor in einem Smartphone sprechen, aber viele andere Chips gehen um ihn herum", so Priestley. "Die Lieferung eines neuen Laptops verzögert sich heute wegen der Display-Controller. Sie brauchen nicht die kleinsten Transistoren".
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Und da die bestehenden Halbleiterfabriken ausgelastet sind, ist es unwahrscheinlich, dass in absehbarer Zeit mehr ältere Chips produziert werden. Außerdem haben viele Fabriken ihre Maschinen auf die Produktion neuerer Chips umgerüstet, die vor der Pandemie gefragt waren; sie werden wahrscheinlich nicht auf die aktuelle Nachfrage nach älteren Prozessoren umrüsten.
Laut Priestley hat vor allem die weltweite Automobilindustrie den Nachhall gespürt. In den USA, wo die Automobilherstellung ein wichtiger Bestandteil der Volkswirtschaft ist, reagierte die Bundesregierung im letzten Jahr mit Gesetzen und neuen Programmen, die auf die Steigerung der heimischen Halbleiterherstellung abzielen. Mit solchen Programmen wird versucht, künftige Unterbrechungen der Lieferkette zu verhindern, indem die Abhängigkeit von Halbleiterproduktionsanlagen in Asien verringert wird.
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Die meisten Halbleiter werden außerhalb der USA hergestellt
In den letzten 30 Jahren ist der Anteil der USA an der weltweiten Halbleiterproduktion von 37 % auf nur noch 12 % gesunken, wie aus den letzte Woche vom Weißen Haus veröffentlichten Zahlen hervorgeht.Heute werden drei Viertel der Halbleiterproduktion in Ostasien hergestellt. Und 90 % der modernsten Halbleiter, z. B. Wafer im 7-nm-Verfahren, werden in Taiwan hergestellt.
Im Juni verabschiedete der Senat das US-Innovations- und Wettbewerbsgesetz (USICA), an dessen Fertigstellung das Repräsentantenhaus und der Senat noch arbeiten. Dazu gehört auch die vollständige Finanzierung des CHIPS for America Act, der 52 Milliarden Dollar zur Förderung von Investitionen des Privatsektors bereitstellen würde.
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"Die Realität ist, dass der Kongress handeln muss", sagte Raimondo. "Mit jedem Tag, den wir warten, fallen wir weiter zurück."
Aber für eine Halbleiterindustrie, die bis zu 20 Milliarden Dollar ausgibt, um eine neue Produktionsanlage in Betrieb zu nehmen, sind 52 Milliarden Dollar ein Tropfen auf den heißen Stein, so Priestley.
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Der Mangel an Halbleiterlieferungen hat den Chipherstellern nicht geschadet. Der Weltmarkt war im Jahr2021 besonders stark. Laut Gartner stiegen die Halbleiterumsätze im Jahresvergleich um 25 % auf 583,5 Mrd. $ und überschritten damit erstmals die 500-Milliarden-$-Marke. Der wachsende Markt für 5G-Smartphones war ein wichtiger Treiber der Nachfrage, ebenso wie die anhaltende Stärke des weltweiten PC-Marktes.
Es ist wichtig zu wissen, dass das Wachstum nicht allein auf die hohe Nachfrage zurückzuführen ist. Der Mangel an Chips führte zu einem Anstieg der Logistik- und Rohstoffpreise, was den durchschnittlichen Verkaufspreis (ASP) von Halbleitern in die Höhe trieb. Alle 10 führenden Halbleiterhersteller verzeichneten von 2020 bis 2021 ein Umsatzwachstum, wobei einige laut Gartner Wachstumsraten von über 50 % für das Jahr erreichten.
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Hersteller wollen US-Produktion ankurbeln
Die Halbleiterunternehmen haben mehr Geld als je zuvor in den Ausbau ihrer Kapazitäten gesteckt. In ihrem Bericht für das Jahr 2021 prognostiziert die Semiconductor Industry Association, dass die Investitionsausgaben der Halbleiterindustrie im Jahr 2021 fast 150 Milliarden Dollar und im Jahr 2022 mehr als 150 Milliarden Dollar erreichen werden. Im Vergleich dazu hat die Branche vor dem letzten Jahr nie mehr als 115 Mrd. USD für jährliche Investitionen ausgegeben.
Intel
IntelsOcotillocampus, der sich über rund 700 Hektar Land in Chandler, Ariz, erstreckt. Letztes Jahr hat das Unternehmen den Grundstein für zwei neue Produktionsstätten auf dem Campus gelegt, die Fab 52 und Fab 62 heißen.
Im Oktober 2020 eröffnete Intel seine neueste Halbleiterfabrik, Fab 42, in Chandler, Arizona. Im März 2021 kündigte Intel an, weitere 20 Milliarden Dollar in den Bau von zwei weiteren Werken in der Region zu investieren. Dies ist Teil des Integrated Device Manufacturing Plans (IDM 2.0), einer langfristigen Strategie zur Steigerung der Produktion und zur Deckung der Nachfrage nach modernen Halbleitern.
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Einige neue Fabriken werden voraussichtlich schon in der zweiten Hälfte dieses Jahres in Betrieb gehen, aber die meisten sind noch zwei bis drei Jahre von der Eröffnung entfernt.
Intel-CEO Pat Gelsinger sagte, Intel plane, seine Produktion zu steigern, um "ein wichtiger Anbieter von Foundry-Kapazitäten in den USA und Europa zu werden, um Kunden weltweit zu bedienen".
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"Intel ist das einzige Unternehmen mit der Tiefe und Breite der Software, des Siliziums und der Plattformen, des Gehäuses und des Prozesses mit Großserienfertigung, auf die sich die Kunden für ihre Innovationen der nächsten Generation verlassen können", sagte Gelsinger in einer Erklärung.
Letzte Woche kündigte Intel außerdem an, 20 Milliarden Dollar in den Bau von zwei neuen Halbleiterfabriken in Ohio investieren zu wollen. Um die Entwicklung des neuen Standorts zu unterstützen, hat Intel zusätzliche 100 Millionen Dollar für Partnerschaften mit lokalen Universitäten zugesagt, um eine Pipeline von Fachkräften aufzubauen und die Forschungsprogramme in der Region zu stärken.
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Im November gab Samsung bekannt, dass es 17 Milliarden Dollar für den Bau einer neuen Halbleiterfabrik in Taylor, Texas, ausgeben wird. Dieses Werk wird sich auf Prozessoren für mobile Geräte, 5G, Hochleistungsrechner (HPC) und künstliche Intelligenz (KI) konzentrieren. Im selben Monat gab Texas Instruments bekannt, dass es 30 Milliarden Dollar für ein neues Werk in Sherman, Texas, ausgeben würde. Und Cree plant, 1 Milliarde Dollar für die Erweiterung eines bestehenden Werks in North Carolina auszugeben.
Gartner's Priestley sagte, er erwarte, dass sich das Halbleiterangebot im Laufe des kommenden Jahres verbessern werde, zum Teil weil die Nachfrage nach vielen elektronischen Geräten Anzeichen einer Verlangsamung zeige. Mit der Einführung von 5G-Kommunikations-Ökosystemen und dem weiteren Wachstum der Computer-Cloud-Branche dürfte die Nachfrage jedoch wieder steigen.
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In der Zwischenzeit werden Unternehmen und Verbraucher wie bei der Pandemie einfach lernen müssen, mit einer Verknappung einiger elektronischer Güter zu leben.
"Wir werden uns daran gewöhnen", sagte Priestley.
