Erst von unten nach oben, dann von oben nach unten – China überlässt es der Entwicklungsbranche, die Probleme bei der Entwicklung der Chipindustrie zu lösen. China erforscht die Entwicklung einer neuen Generation von Chiptechnologie für die nächsten fünf Jahre und wird voraussichtlich Billionen von Dollar investieren, um seine Abhängigkeit von US-amerikanischer Technologie zu verringern.

Im vergangenen Monat fand in Peking das 18. Treffen der Nationalen Führungsgruppe für die Reform des Wissenschafts- und Technologiesystems und den Aufbau des Innovationssystems statt. Ziel der Sitzung war die Erarbeitung des nationalen Innovationsplans für Wissenschaft und Technologie im Rahmen des 14. Fünfjahresplans. Die Konferenz befasste sich zudem mit potenziellen disruptiven Technologien integrierter Schaltkreise für die Zeit nach Moore.

Die staatliche Unterstützung für neue Strategien im Bereich der Chiptechnologie wird auch eine neue Welle von Investitionsmöglichkeiten auslösen.

Das chinesische Bildungsministerium hat die Halbleiterwissenschaft und -technik als Schlüsseldisziplin eingestuft und ermutigt weitere Universitäten zur Einrichtung von Fachhochschulen für integrierte Schaltungen. Letzte Woche (22. Juni) gründeten die Fakultät für Neue Materialien und Neue Energien der Technischen Universität Shenzhen und SMIC gemeinsam die Fakultät für Integrierte Schaltungen, um hochqualifizierte, anwendungsorientierte Fachkräfte für die Entwicklung und Fertigung integrierter Schaltungen auszubilden.

Das IT-Beratungsunternehmen Gartner prognostiziert, dass sich der Umsatzanteil chinesischer Halbleiterhersteller am chinesischen Halbleitermarkt bis 2025 gegenüber dem Niveau von 2020 verdoppeln und von 15 % auf 30 % steigen wird; bis 2023 wird das Investitionsvolumen in chinesische Chipunternehmen im Vergleich zu 2020 um 80 % zunehmen.

Analysten sind jedoch der Ansicht, dass China bei der Entwicklung neuer Materialien für die Chiptechnologie der nächsten Generation noch immer vor Herausforderungen steht und der Industrie und der Talententwicklung Zeit geben muss, da die Herstellung der neuen Materialien die Unterstützung der gesamten Chip-Lieferkette sowie fortschrittlicher Ausrüstung und Produktionswerkzeuge, einschließlich Fotolithografiemaschinen, erfordert.

Ein autarkes Ökosystem aufbauen

China hat die Chipfertigungstechnologie zu einer nationalen strategischen Priorität erhoben, um die Verwirklichung der nationalen Ziele für eine fortschrittliche Fertigung bis 2030 zu unterstützen. Dem Plan zufolge soll Chinas lokale Chipversorgung in diesem Jahr auf 40 % steigen und bis 2025 weiter auf 70 % zunehmen.

Die amerikanische Rhodium Group prognostizierte bereits vor fünf Jahren, dass der Ausbau der chinesischen Halbleiterindustrie unerlässlich sei. Rongding erklärte, China sei stark von importierten Chips, insbesondere von High-End-Chips, abhängig. Diese Chips würden in allen Bereichen des nationalen Aufbaus eingesetzt und stellten ein Sicherheitsrisiko dar.

Dies bedeutet auch, dass China seine Investitionen in Technologiebereiche wie Chips und Software unbedingt erhöhen muss. In einem komplexen globalen Geschäftsumfeld baut China sein eigenes Technologie-Ökosystem auf, um seine Abhängigkeit von ausländischen Produkten zu verringern.

Vor dem Hintergrund von Beschränkungen für Unternehmen wie Huawei sucht China nach Wegen, die Entwicklung bahnbrechender neuer Chiptechnologien anzuregen. Dazu gehören umfassende Anreize für die gesamte Chipindustrie und der Sprung von den derzeitigen Siliziumwafer-Chips zu Chips der „dritten Generation“, die aus neuen Materialien hergestellt werden.

Mit Chinas energischer Förderung der Chipindustrie sind auf dem chinesischen Halbleitermarkt eine Reihe von Unternehmen mit einem Marktwert von 100 Milliarden RMB entstanden, wie beispielsweise Semiconductor Manufacturing International Corporation, Weill Corporation, Zhuosheng Microelectronics, Sanan Optoelectronics, Northern Huachuang, Wingtech Technology, China Resources Micro, GigaDevice und Zhonghuan Technology.

Mao Junfa, Vizepräsident der Shanghai Jiao Tong Universität und Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte diesen Monat auf der Welthalbleiterkonferenz 2021 in Nanjing, dass China seine führende Position in der Chipindustrie durch „heterogene Integration“ – also die Integration einzeln gefertigter Komponenten – behaupten könne. „Die heterogene Integration ist die neue Richtung der Industrie nach dem Mooreschen Gesetz und bietet China die Chance, in der integrierten Schaltungstechnik aufzuholen“, so Mao Junfa.

Laut Mao Junfa gibt es derzeit zwei Hauptentwicklungswege für Chips. Der eine besteht darin, das Mooresche Gesetz fortzuführen, der andere darin, es zu umgehen. Das Mooresche Gesetz steht heute vor verschiedenen Herausforderungen, und es gibt viele Möglichkeiten, es zu umgehen; heterogene integrierte Schaltungen sind eine davon.

Da das Mooresche Gesetz an seine physikalischen Grenzen stößt, gelten die Verwendung neuer Chipmaterialien und heterogener Integrationsmethoden als die beiden Bereiche, die am ehesten bahnbrechende Innovationen hervorbringen können.

Neue Materialien für Chips der nächsten Generation, insbesondere für Chips der dritten Generation, umfassen Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Derzeit gehen die meisten Branchenanalysten jedoch davon aus, dass es noch einige Jahre dauern wird, bis China die Selbstversorgung mit Halbleitern erreicht.

Siliziumbasierte Wafer dominieren derzeit weiterhin die gesamte globale Wertschöpfungskette. Im Bereich der Siliziumwafermaterialien vereinen die drei größten Anbieter – die japanischen Unternehmen Shin-Etsu Chemical und SUMCO sowie das taiwanesische Unternehmen Global Wafer – rund zwei Drittel des globalen Marktanteils für Siliziummaterialien auf sich.

Laut einem Bericht von Gartner liegt der Marktanteil chinesischer Unternehmen in der Lieferkette der Chipherstellung bei Wafer-Ausrüstung und -Materialien bei unter 3 % bzw. 5 %, was technisch sehr schwierig ist; im Bereich der Chip-Design-Tools (EDA-Software) beträgt der Marktanteil weniger als 1 %.

Laut Gartner-Daten betrug der globale Marktanteil chinesischer Halbleiterhersteller im Jahr 2020 6.7 %, und der größte chinesische Halbleiterhersteller, Shenzhen HiSilicon Semiconductor Co., Ltd., hatte einen globalen Marktanteil von 1.75 %.

Gartner betonte jedoch, dass China eine wichtige Rolle in der globalen Lieferkette für elektronische Geräte spielt. Mehr als 70 % der weltweiten Elektronikgeräte werden in China hergestellt, und die Halbleiterproduktionskapazität des chinesischen Festlands beträgt 18 % der weltweiten.

Ein massiver Kapitalzufluss

Gartner geht davon aus, dass mehrere Faktoren das Angebot an lokalen Halbleitern in China beeinflussen werden.

Die erste Maßnahme ist die Förderung auf Regierungsebene. Im Oktober 2019 wurde die National Integrated Circuit Industry Investment Fund Phase II Co., Ltd. mit einem Stammkapital von 204.15 Milliarden Yuan gegründet und registriert. Der Fokus des Fonds liegt auf Investitionen in Unternehmen der Halbleiterindustrie, die Materialien und Ausrüstung herstellen.

SMIC hat angekündigt, die Massenproduktion des 14-nm-Prozesses im vierten Quartal 2019 aufzunehmen. Bis SMIC jedoch ein weltweit wettbewerbsfähiger Marktführer in der Chipherstellung wird, ist es noch ein langer Weg.

Branchenexperten sind der Ansicht, dass das Ziel erreicht wurde, wenn „inländisch“ sich auf lokales Design, Fertigung und Verpackung bezieht. Soll es jedoch auf die gesamte industrielle Wertschöpfungskette ausgeweitet werden, beispielsweise durch die Nutzung inländischer Rahmenbedingungen und Schutzrechte im Design sowie den Einsatz inländischer Anlagen und Materialien in der Fertigung, dürfte dies kurzfristig schwer zu realisieren sein.

Li Shixuan, Analyst bei S&P Global Ratings, sagte gegenüber China Business News: „Chinas Selbstversorgungsgrad bei Chips ist noch gering. Betrachtet man die Rohstoffe, das Design und die Prozessfertigung der Chipindustriekette, so werden die Rohstoffe immer noch von den USA, Deutschland und Japan kontrolliert; die Software für Designwerkzeuge wird hauptsächlich von amerikanischen Herstellern dominiert; zwischen der Chip-Prozessfertigung in Festlandchina und TSMC besteht immer noch eine Lücke von etwa 5 Jahren, sodass die Entwicklung unabhängiger Chips noch einen langen Weg vor sich hat.“

S&P ist der Ansicht, dass die chinesische Regierung die finanzielle und operative Unterstützung für Technologieunternehmen in Schlüsselbereichen wie der Chipindustrie erhöhen muss, unter anderem in Form von Kapitalspritzen, Subventionen, Steuersenkungen, beschleunigten behördlichen Genehmigungen oder vereinfachten Verfahren.

Gartner geht davon aus, dass der zweite entscheidende Faktor für die Entwicklung der chinesischen Halbleiterindustrie der Einfluss der Gerätehersteller ist. Gartner prognostiziert, dass bis 2025 alle zehn größten Chip-Abnehmer Chinas über eigene Chip-Entwicklungskapazitäten verfügen werden. Zu diesen Abnehmern zählen chinesische Smartphone-Hersteller wie Xiaomi, vivo und OPPO sowie Internetgiganten wie Baidu. Diese Hersteller entwickeln eigene Chips, um ihre Abhängigkeit von globalen Chip-Lieferanten zu verringern.

Der dritte treibende Faktor ist die Expansion von Ökosystemen wie 5G, künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge sowie Kapitalinvestitionen in Bereichen außerhalb der Chipfertigung. Yin Zhiyao, Vorsitzender des Halbleiteranlagenherstellers China Microelectronics, erklärte gegenüber China Business News: „Industrielle Entwicklung erfordert einen Agglomerationseffekt und muss auf Spitzentechnologie der Chipindustrie abzielen sowie High-End-Design, Fertigung, Ausrüstung und Materialversorgung mit der Anwendung neuer Technologien wie 5G und KI kombinieren.“

Laut Daten des Investmentforschungsinstituts PitchBook beliefen sich Chinas Gesamtinvestitionen in die Halbleiterindustrie im Jahr 2020 auf 16.75 Milliarden US-Dollar (rund 108.3 Milliarden Yuan), wovon die Kapitalinvestitionen in die Nicht-Halbleiter-Fertigung 10 Milliarden US-Dollar überstiegen.

Gartner-Analyst Sheng Linghai sagte gegenüber China Business News: „Wir haben beobachtet, dass viel Kapital aus Branchen außerhalb der Chipherstellung in den Halbleiterbereich fließt. Obwohl dies die Bewertung von Chipunternehmen bis zu einem gewissen Grad in die Höhe getrieben hat, glauben wir dennoch, dass dies gut für die Verbesserung der Technologie und der Produktionskapazität der gesamten Chipindustrie ist.“

Sheng Linghai erklärte jedoch, dass zwar große Kapitalmengen in den chinesischen Halbleitersektor geflossen seien, die Investitionen aber relativ verstreut seien und die Investitionen der einzelnen Unternehmen sehr begrenzt ausfielen, was es schwierig mache, einen Konzentrationseffekt zu erzielen.

Wu Gengyuan, Mitbegründer und CEO von Shencong Intelligent, einem Joint Venture zwischen Spirit und SMIC Juyuan (SMIC), erklärte gegenüber China Business News: „Die inländische Chip-Produktionskapazität ist nach wie vor stark eingeschränkt, insbesondere bei fortgeschrittenen Prozessen. Es gibt nur wenige Projekte mit ausgereiften Prozessen, die umgesetzt werden können. Die Hauptgründe hierfür sind die zu hohen Investitionskosten in der Fertigung, die schwachen Risikomanagement- und Kontrollfähigkeiten, der mangelnde Anreiz zur Lokalisierung und die unzureichende Erprobung inländischer Ausrüstung und Materialien, um eine industrielle Wertschöpfungskette und ein entsprechendes Ökosystem zu bilden.“

Wu Gengyuan ist der Ansicht, dass für die Chipindustrie die Fertigungskapazitäten erweitert und verbessert werden müssen und die Designschwelle entsprechend angehoben werden sollte.

„Materialien, Ausrüstung und Prozesse stellen derzeit die größten Defizite dar. Die Fertigung ist der Motor der gesamten Branchenentwicklung. Sie kann die Schwächen am Ende der Wertschöpfungskette beheben und die Chipfertigung energisch in die richtige Richtung lenken“, sagte Wu Gengyuan. „Doch es gibt zu viele Chipdesign-Unternehmen, die Markteintrittsbarrieren sind niedrig, und Synergien lassen sich nicht erzielen. Dies verschwendet einerseits nationale Ressourcen und Fördermittel und erschwert andererseits die Realisierung von Skaleneffekten.“

Ein ehemaliger Manager der Unisoc Group erklärte gegenüber China Business News, er starte ein Projekt für High-End-Packaging und -Testing auf Wafer-Ebene in China. Ziel sei es, die Lücken in der heimischen Wertschöpfungskette der integrierten Schaltungstechnik zu schließen, die Schwachstellen im Bereich Wafer-Level-Packaging und -Testing zu beheben und gemeinsam mit inländischen High-End-Chip-Unternehmen wie HiSilicon unterstützende Fertigungskapazitäten für Packaging und Testing aufzubauen, um die Entwicklung der nationalen integrierten Schaltungstechnik zu fördern.

Technologieunternehmen, darunter auch Huawei, haben in den letzten zwei Jahren ihre Investitionen in die unabhängige Chipproduktion erhöht und glauben, dass sich die festgefahrene Situation allmählich entspannen wird.

Die oben genannten Fachleute erklärten gegenüber China Business News: „In der Chipherstellung gibt es keine Abkürzungen, man kann nur auf Erfahrung setzen. In der Vergangenheit waren Fachkräfte und Kapital die größten Schwachstellen bei der Entwicklung der integrierten Schaltungen in China, aber mit der Einführung günstigerer politischer Rahmenbedingungen seitens des Landes verbessert sich die Situation in beiden Bereichen.“

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