Halbleiter bilden die Grundlage und treibende Kraft für die rasante Entwicklung der heutigen Informationstechnologiebranche. Sie sind in verschiedenste Bereiche der wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Entwicklung tiefgreifend integriert. Ihr technologisches Niveau und ihr Entwicklungsstand zählen zu den wichtigsten Indikatoren für die industrielle Wettbewerbsfähigkeit und die umfassende nationale Stärke eines Landes.

Im Jahr 2020 geriet die Weltwirtschaft aufgrund der COVID-19-Pandemie in eine Rezession. Der globale Halbleitermarkt verzeichnete jedoch entgegen diesem Trend Wachstum, angetrieben durch Bedürfnisse wie Homeoffice und Homeschooling sowie virtuelle Meetings. 2020 erreichte der globale Halbleitermarkt ein Volumen von 440 Milliarden US-Dollar, ein Plus von 6.8 % gegenüber dem Vorjahr. Halbleiterprodukte, insbesondere Speicherchips und Spezialchips, erlebten einen Boom. Die Nachfrage nach integrierten Schaltungen in China blieb weiterhin hoch, mit einem jährlichen Umsatz von 1,633.97 Milliarden Yuan, ein Plus von 8.26 % gegenüber dem Vorjahr. Für 2021 wird ein weiteres Marktwachstum erwartet.

Ein „spiralförmiges Aufwärtsentwicklungsmodell“

Die Entwicklung des globalen Halbleitermarktes folgt einem spiralförmigen Aufwärtstrend und wird nach einer Verlangsamung oder einem Rückgang eine weitere, stärkere Erholung erleben. Im Jahr 2000 platzte die Internetblase, was die Halbleiterindustrie zu einer zweijährigen Anpassungsphase zwang. Anschließend erlebte der Halbleitermarkt mit zunehmender Energieerzeugung und der Einführung von 12-Zoll-Siliziumwafern ein rasantes Wachstum. Der Ausbruch der globalen Finanzkrise im vierten Quartal 2008 führte zu einer kurzen Anpassungsphase des Halbleitermarktes.

Seit 2010 hat der Aufstieg mobiler Endgeräte wie iPhone und iPad das Zeitalter des mobilen Internets eingeläutet, und der Halbleitermarkt verzeichnete ein historisches Wachstum. Mit dem explosionsartigen Anstieg des Speichermarktes überstieg der globale Halbleitermarkt 2017 die Marke von 400 Milliarden US-Dollar. In der zweiten Jahreshälfte 2018 begann für den globalen Halbleitermarkt erneut eine Anpassungsphase. 2019 sanken die Preise am Speichermarkt aufgrund des verlangsamten Nachfragewachstums bei Solid-State-Speichern, Smartphones und PCs, hoher Lagerbestände und einer rückläufigen globalen Halbleiternachfrage. Verstärkt durch die zunehmende Unsicherheit infolge globaler Handelskonflikte schrumpfte der globale Halbleitermarkt 2019 deutlich um 12.0 %. Dies ist der größte Rückgang des globalen Halbleitermarktes in den letzten 15 Jahren.

Trotz der Auswirkungen der COVID-19-Pandemie erholte sich der globale Halbleitermarkt im Jahr 2020 kräftig und erreichte ein Marktvolumen von 440 Milliarden US-Dollar, was einem Anstieg von 6.8 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Halbleiterprodukte wie Speicherchips und Spezialchips erlebten einen Boom. Branchenweit verzeichneten Logikchips das größte Wachstum (11.1 %), gefolgt von Sensoren (10.7 %) und Speichern (10.4 %).

Aus regionaler Sicht ist China seit vielen Jahren der weltweit größte Halbleiter-Abnehmermarkt. 2020 erreichte Chinas Marktanteil mit 34.4 % seinen Höchststand. Die Marktanteile der USA, Europas, Japans und anderer Märkte lagen bei 21.7 %, 8.5 %, 8.3 % bzw. 27.1 %. Der US-Markt verzeichnete ein starkes Wachstum von 21.3 %, der asiatisch-pazifische Markt wuchs um 5.1 %, der japanische Markt wuchs schwach um 1.3 % und der europäische Markt schrumpfte um 5.8 %. Der Grund für das starke Wachstum des US-Marktes liegt darin, dass dieser 2019 mit einem Rückgang von 23.7 % den größten Einbruch erlitt, der 11.7 Prozentpunkte über dem weltweiten Durchschnitt lag. Auch Japan verzeichnete einen Rückgang von 10.0 %, Europa, China und andere Regionen von 7.4 %, 9.3 % bzw. 8.8 %.

Die durch die Pandemie bedingten Auswirkungen führten zu einem rasanten Anstieg von Anwendungen wie Bürosoftware und Fernunterricht, was die schnelle Erholung des Marktes für Kommunikations- und Computerprodukte beflügelte. Auch 2020 entfiel der weltweite Halbleiterverbrauch weiterhin größtenteils auf Kommunikations- und Computeranwendungen mit Marktanteilen von 33.5 % bzw. 29.1 %. Dank der Popularität von 4G- und 5G-Anwendungen stieg der Marktanteil von Kommunikationschips von 22.2 % im Jahr 2010 auf 33.5 % im Jahr 2020. Gleichzeitig wurde der Marktanteil von PCs zunehmend von neuen Elektronikprodukten wie Smartphones und Tablets überholt; sein Marktanteil sank von 40.9 % im Jahr 2010 auf 29.1 % im Jahr 2019.

Der Wettbewerb auf dem Markt wird immer härter.

Für den globalen Halbleitermarkt ist 2020 ein Jahr, das besondere Aufmerksamkeit verdient. Der von IBM entwickelte neue 2-nm-Chip ist ein echter Hingucker. Er besteht aus Nanosheet-Stacked-Transistoren, sogenannten GAA-Transistoren. Verglichen mit dem derzeit fortschrittlichsten 7-nm-Chip bietet er eine um 45 % höhere Leistung bzw. eine um 75 % reduzierte Energieaufnahme. Laut IBM lassen sich mit der 2-nm-Technologie bis zu 50 Milliarden Transistoren auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels unterbringen.

Die Umsatzentwicklung von Halbleiterunternehmen steht ebenfalls im Fokus der Branche. Unter den zehn umsatzstärksten Halbleiterunternehmen weltweit im Jahr 2020 befanden sich sechs amerikanische Firmen. Gemessen am Gesamtumsatz entfielen 59.2 % des Gesamtumsatzes der zehn größten Unternehmen auf diese sechs US-amerikanischen Firmen, während zwei südkoreanische Unternehmen 32.4 % des Gesamtumsatzes der zehn größten Firmen erwirtschafteten.

Aus Sicht der Wertschöpfungskette gibt es unter den zehn größten Halbleiterunternehmen der Welt im Jahr 2020 sechs IDM-Unternehmen mit einem Gesamtumsatz von 197.09 Milliarden US-Dollar, was 78.3 % des Gesamtumsatzes der zehn größten Unternehmen entspricht; es gibt vier Designunternehmen mit einem Gesamtumsatz von 54.70 Milliarden US-Dollar, was 21.7 % des Gesamtumsatzes der zehn größten Unternehmen entspricht.

Intel blieb auch 2020 weltweit führend im Umsatz der Halbleiterhersteller. Mit einem Umsatz von 70.244 Milliarden US-Dollar, ein Plus von 3.7 % gegenüber dem Vorjahr, behauptete Intel seine Position als größter Halbleiterlieferant der Welt. Dieses Wachstum wurde durch die Kerngeschäfte mit Client- und Server-CPUs getragen. Unter den zehn größten Halbleiterunternehmen weltweit verzeichnete MediaTek 2020 das größte Umsatzwachstum, gefolgt von Nvidia und Qualcomm. Texas Instruments war das einzige Unternehmen, das einen Umsatzrückgang hinnehmen musste.

Betrachtet man die weltweiten Ausgaben für Forschung und Entwicklung im Halbleitersektor, so stiegen die F&E-Investitionen der zehn größten Halbleiterunternehmen in diesem Jahr um 11 % auf insgesamt 43.5 Milliarden US-Dollar, was 64 % der gesamten Branchenausgaben entspricht. Dies zeigt, dass die Marktkonzentration der führenden Unternehmen weiter zugenommen hat und der Wettbewerb sich verschärft hat.

In der zweiten Jahreshälfte 2020 fanden im globalen Halbleitersektor insgesamt fünf große und über zehn kleinere Fusionen und Übernahmen mit einem Rekordvolumen von 118 Milliarden US-Dollar statt. Damit war 2020 das Jahr mit dem höchsten Transaktionsvolumen in der Geschichte der Halbleiter-Fusionen und -Übernahmen. Allerdings sind die genannten Fusionen und Übernahmen noch nicht vollständig abgeschlossen und müssen noch genehmigt werden. Der starke Anstieg der Fusionen und Übernahmen in der globalen Halbleiterindustrie ist hauptsächlich auf die engen Allianzen zwischen großen Herstellern verschiedener Branchen zurückzuführen.

Zuvor hatte der Analogchip-Hersteller ADI die Übernahme des Analogsignal-/Hybrid-Unternehmens Maxim Integrated Products für 21 Milliarden US-Dollar angekündigt. Der Grafikkartenriese Nvidia gab im September 2020 die Übernahme des Prozessorarchitektur-Protokollanbieters Arm für 40 Milliarden US-Dollar bekannt. Arm befand sich zuvor im Besitz der japanischen SoftBank. Intel aus den USA kündigte den Verkauf seines NAND-Flash-Speichergeschäfts und seiner 300-mm-Waferfabrik in China an SK Hynix aus Südkorea für 9 Milliarden US-Dollar an. AMD aus den USA gab am 29. Oktober 2020 die Übernahme des FPGA-Anbieters Xilinx für rund 35 Milliarden US-Dollar bekannt. Die Transaktion sollte bis Ende 2021 abgeschlossen sein. Am selben Tag kündigte Marvell Electronics die Übernahme des Silicon-Valley-IC-Anbieters Inphi für 10 Milliarden US-Dollar in bar und Aktien an. Auch diese Transaktion sollte in der zweiten Jahreshälfte 2021 abgeschlossen werden. Die oben genannten Transaktionen sind jedoch noch nicht abgeschlossen und werden derzeit von den zuständigen Aufsichtsbehörden geprüft.

Bahnbrechende Technologien in der Post-Moore-Ära

Heterogene Integration ist eine typische Entwicklungstechnologie der Post-Moore-Ära. Diese Technologie findet Anwendung im Bereich der Gehäusetechnik. Bei entsprechender Anforderung kann die Chiplet-Technologie genutzt werden, um die Chip-Funktionalität schnell und effizient zu realisieren. Zu den Vorteilen dieser Technologie zählen außerdem ein geringer Designaufwand, eine komfortable Fertigung und niedrige Kosten.

Diese Entwicklung hat dazu geführt, dass sich die Chipentwicklung von einem blinden Streben nach reduziertem Stromverbrauch und gesteigerter Leistung hin zu einer pragmatischeren Erfüllung der Marktanforderungen verlagert hat. Viele Unternehmen planen solche „Kernchips“. Intel hat beispielsweise die Foveros-Technologie eingeführt, die das 3D-Packaging von Logik- und Speicherchips ermöglicht; TSMC hat die Multi-Chip-Stacking-SoIC-Technologie entwickelt, die das Wafer-zu-Wafer-Bonding ermöglicht. Gleichzeitig ist diese Technologie auch eine Schlüsselentwicklungstechnologie für Chinas Halbleiterindustrie in der Zeit nach Moore.

RISC-V-Architektur-Mikrocontroller werden die Marktstruktur verändern. RISC-V basiert auf der weit verbreiteten BSD-Lizenz, die es ermöglicht, das CPU-Design frei zu nutzen, eigene Befehlssätze zu entwickeln und hinzuzufügen sowie die Lizenzvereinbarungen zu veröffentlichen, kommerziell zu verkaufen oder die Technologie als Closed Source zu verwenden. RISC-V eignet sich aktuell besonders für AIoT und wird voraussichtlich mit ARM-Architektur-Prozessoren konkurrieren und ein RISC-V-Ökosystem in China bilden. Mikrocontroller zählen zu den vielversprechendsten Anwendungsgebieten für RISC-V. Dank ihrer Vorteile wie Open Source, geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten werden RISC-V-Architektur-Mikrocontroller Einfluss auf ARM-Architektur-Mikrocontroller ausüben und den Markt revolutionieren.

Photonische Chips könnten sich zu einem neuen Forschungsfeld in der Chipentwicklung entwickeln. Sie nutzen optische Signale zur Datenerfassung, -übertragung, -berechnung, -speicherung und -anzeige. Aktuell werden photonische Chips in der optischen Kommunikation eingesetzt, insbesondere im Zuge des Aufbaus von Rechenzentrumsinfrastrukturen. Siliziumphotonik integriert optische Komponenten auf Siliziumchips, um die Vorteile der kostengünstigen, skalierbaren und einfachen Herstellung und Montage von CMOS-Bauelementen zu nutzen. Im Vergleich zu elektronisch gesteuerten integrierten Schaltungen zeichnen sich photonische Chips durch extrem hohe Geschwindigkeit und extrem niedrigen Stromverbrauch aus. Theoretisch lässt sich die Größe photonischer Chips modulieren, und die Eigenschaften von Licht eignen sich inhärent für lineares Rechnen, einschließlich hochdichtem Parallelrechnen. Mit der rasanten Entwicklung der KI bietet die Matrixmultiplikationsleistung photonischer Chips das Potenzial, um ein Vielfaches besser zu sein als die bestehender elektronischer Chips. Dies hat das Interesse von Wissenschaft und Industrie geweckt, die Möglichkeiten des photonischen Rechnens zu erforschen.

Beeinflusst vom Trend zur Klimaneutralität, beschleunigt sich die Entwicklung der Halbleiterindustrie der dritten Generation, die die Energieumwandlungseffizienz steigern kann. Mit dem allmählichen Abklingen der COVID-19-Pandemie hat sich die Nachfrage nach Komponenten für die industrielle Energieumwandlung, wie Wechselrichter, Frequenzumrichter und Kommunikationsbasisstationen, stabilisiert. Da die Wechselrichter des Tesla Model 3 schrittweise auf Siliziumkarbid (SiC) umgestellt werden, gewinnen Halbleiter der dritten Generation im Automobilmarkt zunehmend an Bedeutung.

Halbleiter der dritten Generation, wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), zeichnen sich durch hohe Temperatur-, Spannungs-, Frequenz- und Leistungsbeständigkeit aus. Im Vergleich zu Siliziumbauelementen reduzieren sie den Energieverlust um mehr als 50 % und das Gerätevolumen um mehr als 75 %. Sie stellen einen wichtigen Entwicklungsansatz dar, um Energie zu sparen, Emissionen zu senken und das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Derzeit finden Halbleiter der dritten Generation bereits in vielen Schlüsselbereichen wie Rechenzentren und Elektrofahrzeugen Anwendung. Die gesamte Halbleiterindustrie der dritten Generation entwickelt sich stetig weiter und wird voraussichtlich zum Eckpfeiler der grünen Wirtschaft werden.

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