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5G und KI: Neue Chancen für den globalen Halbleitermarkt

Beide Trends bieten der Halbleiterindustrie ein großes Potenzial. Jedoch sind Fortschritte in Punkto Materialien und Technologien notwendig, um dieses voll auszuschöpfen.

Nach Abschwung im globalen Halbleitermarkt, bringen 5G und Künstliche Intelligenz neue Chancen für die Industrie.
Nach Abschwung im globalen Halbleitermarkt, bringen 5G und Künstliche Intelligenz neue Chancen für die Industrie.
(Bild: Pexels)

Nach dem Abschwung kommt der Aufschwung – dafür sorgten bedeutende technische Innovationen bisher immer in der Geschichte des volatilen Halbleitermarkts. Und so soll es nach dem schwierigen Jahr 2019 – bedingt durch den Preisverfall bei Speicher-ICs, Handelskonflikten und einem schwächelnden Automobilmarkt – auch wieder sein.

Wurde die Nachfrage in der Vergangenheit beispielsweise von der Popularität von PCs (Prozessoren und Speicherchips), der Verbreitung des Internets (Ethernet-Geräte, Netzwerkprozessoren und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise) oder der Ära des Smartphones (mobile Prozessoren) getrieben, sorgen der Mobilfunkstandard 5G und der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) jetzt für neues Wachstum. Experten erwarten ein Anstieg des globalen Halbleitermarkts auf 575 Milliarden US-Dollar bis Ende 2022.

Integrierte Schaltungen (ICs) bilden die Basis heutiger Elektronik. Sie sind aufgebaut aus einer Vielzahl elektronischer Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Dioden sowie aktiven und passiven Bauelementen. ICs machen zusammen mit Speichern, Logik-Komponenten sowie optoelektronischen, sensorischen und diskreten Komponenten (oft zusammengefasst als OSD) den Halbleitermarkt aus. Aktuell stellen Speicherprodukte (z. B. DRAMS oder NAND-Flash-ICs) den größten Anteil am Umsatz. Doch wie wird sich der Markt aufgrund der digitalen Transformation in den kommenden Jahren wandeln?

75 Milliarden vernetzte Dinge bis 2025

Märkte, Branchen, Industrien und die Gesellschaft verändern sich in den kommenden Jahren radikal: Bis zum Jahr 2025 könnten bis zu 75 Milliarden Dinge vernetzt sein. Der neue Kommunikationsstandard 5G ist dabei eine der Schlüsseltechnoligen und dient beispielsweise als Grundlage für autonomes Fahren und die intelligente Fertigung.

Auch wenn die Netzabdeckung regional noch sehr unterschiedlich ist, könnten 5G-Handys in den nächsten Jahren zwischen 10 und 20 % Marktanteil erreichen und so die Nachfrage an hochinnovativen Chips für 5G-Mobilgeräte und Funkantennen befeuern. Das führt zu einem steigenden Bedarf an kleineren Chips, die jedoch immer schwieriger herzustellen sind. Hier wird vor allem die EUV-Technologie entscheidend sein, um 7-Nanometer-Chips oder sogar noch kleinere Architekturen zu fertigen.

Die Auswirkungen auf Nachfrage und Wachstum werden wohl frühestens ab der zweiten Jahreshälfte 2020 auf dem Halbleitermarkt durchschlagen – ein Teil der Experten vermutet, dass es bis 2021 oder 2022 dauern wird.

Stärkster Treiber der Halbleiterindustrie: Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz, also die Fähigkeit eines Computers, intelligentes menschliches Verhalten zu simulieren, gilt als stärkster Motor für das kommende Jahrzehnt. KI basiert auf der Analyse von Datensätzen und vordefinierten Regelsätzen – dazu gehören Maschinelles Lernen, Deep Learning oder auch die Gesichtserkennung und Sprachverarbeitung – und hängt stark von entsprechenden Algorithmen ab. Aber: Der Bedarf an Sofortberechnung, Konnektivität und Sensorik wird die Nachfrage an KI-Halbleitern ankurbeln. Sie sind somit ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Künstlichen Intelligenz.

Wie 5G wird auch KI in vielen Branchen Einzug finden und unseren Alltag verändern: Die zunehmende Umsetzung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung führt zu einem steigenden Bedarf an leistungsfähigen Prozessoren mit eingebetteter Echtzeit-Verarbeitung – eine der grundlegenden Eigenschaften für die meisten IoT-Anwendungen.

Besonders hervorzuheben ist dabei der Automobilmarkt. Auch wenn dieser in 2019 schwächelte, soll er ab 2020 für Aufschwung sorgen. Dem Chipbedarf im Automobilsektor wird bis 2022 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 11,9 % vorausgesagt.

Dies ist zum Teil bedingt durch die voranschreitende Elektrifizierung der Fahrzeuge. Elektro- und Hybridfahrzeuge benötigen doppelt so viele Halbleiter wie herkömmliche Autos. Dioden schützen das Kfz-Bordnetz vor Überspannung und Gleichrichter finden vermehrt in der Elektromobilität Einsatz. Die Erhöhung der Bordnetzspannung auf bis zu 48 V kurbelt die Nachfrage nach 100-V-MOSFETs an. Und gerade beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien sind Trennschalter, basierend auf Transistoren, zwingend notwendig. Einen Wandel erfahren auch die hier eingesetzten Halbleitermaterialien: Aufgrund von Wirkungsgrad, Robustheit, Zuverlässigkeit, Kosten und der mittlerweile einfachen Herstellungsweise verdrängen MOSFETs basierend auf Siliziumcarbid zunehmend Silizium-Bausteine. Um mehr über die Grundlagen der verschiedenen Halbleitermaterialien und -komponenten zu erfahren, laden Sie hier unser kostenloses E-Book „A Comprehensive Guide to Semiconductors“ herunter.

Aber vor allem der Trend autonomes Fahren befeuert die Nachfrage an Halbleitern: Je nach Automatisierungsgrad werden Sensoren (Kameras, Radar, LiDAR...) und Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs) dazu eingesetzt, um Objekte zu erkennen. Anwendungsspezifische ICs sowie Logik- und Mikrokomponenten verarbeiten diese Daten, anhand derer die KI in Echtzeit kritische Sicherheits- und Navigationsentscheidungen trifft – unterstützend oder vollautomatisch.

Mit steigender Automatisierung steigt auch der Halbleiteranteil pro Fahrzeug. Dieser kann bei Vollautomatisierung bis zu fünfmal höher sein als bei teilautomatisierten Systemen. Der Markt für „KI-Chips“ für fortschrittliche Assistenzsysteme, Sicherheit und Infotainment wird bis 2022 voraussichtlich zwischen 4,0 und 4,7 Milliarden US-Dollar erreichen.

Dem Gesamtmarkt für KI-Halbleiter wird in diesem Zeitraum ein Wachstum auf über 30 Milliarden US-Dollar vorausgesagt. Das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von fast 50 %.

Neuromorphe Chips und neue Materialien

Mit der Entwicklung des Metall-Oxid-Halbleiter-Prozesses in den späten 1950er Jahren, der erstmals die Miniaturisierung von Halbleitern möglich machte, wurde Silizium das am häufigsten verwendete Element bei deren Herstellung. Aber: Moores‘ Law verlangsamt sich weiter; Fortschritte in der Performance sind in den vergangenen Jahren schwieriger geworden. Gleichzeitig werden immer leistungsstärkere und kleinere Bauteile gefordert. In KI-Anwendungen verdoppelt sich der Rechenbedarf teilweise alle 3,5 Monate.

Neue Architekturen – Stichwort Funktionsintegration – und neue Halbleitermaterialien sollen die Lösung bringen. Galliumnitrid sowie Scandiumaluminiumnitrid sind in der Leistungselektronik auf dem Vormarsch und könnten Silizium den Rang ablaufen.

Ein völlig neuer Ansatz, der sich rasant entwickelt und als nächste Generation von KI angesehen wird, sind dem menschlichen Gehirn nachempfundene neuromorphe Chips. Diese sollen Computer deutlich schneller, leistungsfähiger und energieeffizienter machen und in fünf bis zehn Jahren im Alltagseinsatz angekommen sein.

Welche Vorhersagen werden sich bewahrheiten? Welche Technologien werden sich durchsetzen? Bleiben sie informiert mit Power and Beyond. Die Online-Plattform ist eine digitale Ergänzung der PCIM Europe und beobachtet Trends und Entwicklungen der Leistungselektronik.

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