Europas Halbleiterindustrie: „Wir sollten uns auf den Systemgedanken fokussieren“

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Prof. Lakner: „Ich denke, wir sollten uns auf den Systemgedanken fokussieren. Das heißt, wir brauchen nicht nur Komponenten, sondern am Ende komplette komplexe Systeme. Damit können wir unseren Technologievorsprung nach wie vor verteidigen.“
Prof. Lakner: „Ich denke, wir sollten uns auf den Systemgedanken fokussieren. Das heißt, wir brauchen nicht nur Komponenten, sondern am Ende komplette komplexe Systeme. Damit können wir unseren Technologievorsprung nach wie vor verteidigen.“ (Bild: Fraunhofer IPMS)

Bis 2030 will China die führende Nation im Bereich der künstlichen Intelligenz werden. Können wir unseren Technologievorsprung verteidigen? Prof. Hubert Lakner im Interview über die technologische Situation in Deutschland.

Im ersten Teil des Interviews mit Prof. Lakner, Vorsitzender des Lenkungskreises der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD), befassten wir uns mit der politischen Situation der Mikroelektronikförderung. Im diesem zweiten Teil sprechen wir über die aktuelle technologische Situation der Halbleiterindustrie in Deutschland, technologischen Treibern und zukünftigen Architekturen.

Wie ist die aktuelle technologische Situation der Halbleiterindustrie in Deutschland beziehungsweise in Europa?

Innerhalb Europa ist Deutschland der größte Standort für die Halbleiterproduktion; insbesondere die Region Dresden mit mehreren größeren Playern wie Infineon, Globalfoundries und X-FAB. Mit dem neuen Halbleiterwerk von Bosch, das gerade gebaut wird, haben wir dann drei Hersteller von 300mm-Wafern in Dresden versammelt. Dresden ist damit der Halbleiterstandort in Europa mit der größten Produktionskapazität.

Wie stehen wir im Vergleich mit USA oder China da?

Unser Anteil am Weltmarkt beträgt weniger als 10%. Das hat aber auch mit unserer Industriestruktur zu tun. Wir haben in Europa keine Firmen wie Facebook, Google, Amazon oder Apple, die größte Stückzahlen an Chips für Smartphones, Serverfarmen usw. benötigen. Europas Stärke liegt im Maschinenbau, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, oder in der Medizintechnik. Dort wurde bislang nicht die jüngste Generation an Prozessoren benötigt. In der europäischen und deutschen Industrie geht es eher um Themen wie Leistungshalbleiter, Controller, Sensorik, Aktorik, Signalprozessoren oder Mikrosysteme generell. In Europa gibt es aktuell einfach keinen Abnehmer, der einen der neuesten Chips aus dem 7-nm-Node in seinen Produkten verbauen könnte.


Ich sehe zwei starke Treiber für Europa: Mit neuen Technologien – wie Künstlicher Intelligenz – werden wir künftig modernste Prozessoren und vielleicht auch komplett neue Architekturen wie neuromorphe Chips benötigen. Wenn beispielsweise das Auto mithilfe von LiDAR- oder anderen Systemen sehen können soll, dann müssen die erhobenen Rohdaten bewertet werden. Das heißt, das Auto muss berechnen können, ob am Straßenrand eine Person, ein Fahrrad oder eine Säule steht. Während in der Vergangenheit der Fokus der Automobilindustrie auf der robusten Elektronik lag, werden jetzt vor allem hochleistungsfähige Prozessoren benötigt.


In Europa ist zudem die Power-Elektronik eine starke Triebfeder. Power- oder Leistungselektronik benötigen wir für den Elektroantrieb des E-Fahrzeugs und für alle Arten von Energie-Management: Wenn wir 100.000 Produzenten von Wind- oder Solar-Energie haben, dann ist das eine Art dezentrale Stromversorgung. Dazu brauchen wir die nötigen Bauelemente wie Smart Meter.

China will mit seiner Strategie „Made in China 2025“ auch im Bereich der Künstlichen Intelligenz führend werden. Wird uns China überholen?

Ich glaube, man muss Chinas Vorhaben sehr ernst nehmen. China treibt die KI-Forschung mit enormen Investitionen voran, dicht gefolgt von den USA. Man muss sich schon sehr anstrengen, um dagegen anzukommen.

Das klingt nicht sehr optimistisch. Können dann Deutschland oder Europa auch ohne diese riesigen finanziellen Mittel mithalten?

Ich denke, wir sollten uns auf unsere Stärken besinnen. Und man darf nicht vergessen, dass in China KI-Anwendungen wie die allgegenwärtige Gesichtserkennung betrieben werden, die wir hier vielleicht gar nicht haben wollen. Insofern wäre es vielleicht eine Stärke Europas, wenn man KI nicht nur nutzt, um den Bürger zu überwachen, sondern um neue Möglichkeiten zu schaffen – natürlich mit der notwendigen Sicherheit und Vertraulichkeit der Daten. KI ist erst mal ein Werkzeug, wenn auch ein kompliziertes. Aber es kommt immer darauf an, wie man es nutzt.

Deutschland setzt auf Qualität und neue Technologien. Das heißt, der Fokus liegt eher auf ‚More than Moore’ und nicht ‚More Moore’?

Ich denke, das ist die Stärke Europas und wir sollten uns auf den Systemgedanken fokussieren. Das heißt, wir brauchen nicht nur Komponenten, sondern am Ende komplette komplexe Systeme. Damit können wir unseren Technologievorsprung nach wie vor verteidigen. Nehmen wir das Beispiel Internet der Dinge. Hier geht es um eine extrem hohe Anzahl von Sensoren, welche noch viel mehr Daten liefern. Diese Daten im Netz zu bewegen, kostet Energie, und das erfordert CO2. Ein einzelnes autonomes Fahrzeug produziert gewaltige Datenmengen.

Wir müssen uns überlegen, ob wir zu Smart Data übergehen und nicht mehr die ganzen Sensorrohdaten transportieren. Wir haben gar nicht so viel Breitband, um die gesammelten Rohdaten von Milliarden Sensoren abzuspeichern. Das würde den gesamten Energiebedarf auffressen. Darum brauchen wir sensornahe Intelligenz, die in der Lage ist, ausschließlich relevante Messdaten herauszufiltern. Dann ist nur noch ein Bruchteil zu übertragen.

Also ist der Trend, dass alles – Intelligenz, Energieversorgung – näher an den Chip wandert?

Es wird sicherlich weiterhin Cloud-Computing geben. Aber manche Dinge werden eben auch vor Ort stattfinden. Zum Beispiel aus Gründen der Latenz-Zeiten – im Straßenverkehr hat man keine 10 Sekunden, um auf eine Antwort zu warten; diese muss in Millisekunden da sein. Es kann also nötig sein, vor Ort zu rechnen und nicht die Daten umherzuschicken. Zum Thema Energieversorgung: Ich denke, der richtige Weg ist, vorhandene Energiequellen zu nutzen und damit gewisse autarke Zustände zu erreichen. Aber hier ist es ähnlich wie mit der Solarenergie. Wir brauchen eine Möglichkeit, die Energie zu speichern. Auch hierzu gibt es mittlerweile Ansätze auf Chipebene.

Oder man kann mit einer simplen Knopfbatterie einen Sensorknoten betreiben. Man kann sich auch vorstellen, Systeme mit kleinsten in den Chip integrierten Batterien zu entwickeln. Da sind dann natürlich keine riesigen Energiemengen gespeichert. Also müssen wir das Ganze wieder smart machen: Der Sender überträgt nicht laufend, sondern nur dann, wenn es neue Informationen gibt. Oder man weckt den Sensor nur, wenn man von ihm eine Antwort möchte. Das wäre ein Ansatz.

Um zukunftsrelevante Forschungsthemen so effizient und schnell wie möglich voranzutreiben, ist die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland FMD in die vier Technologieparks Silizium-basierte Technologien, Verbindungshalbleiter, Heterointegration sowie Design, Test und Zuverlässigkeit organisiert.
Um zukunftsrelevante Forschungsthemen so effizient und schnell wie möglich voranzutreiben, ist die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland FMD in die vier Technologieparks Silizium-basierte Technologien, Verbindungshalbleiter, Heterointegration sowie Design, Test und Zuverlässigkeit organisiert. (Bild: Fraunhofer Mikroelektronik)

Also ist ‚smart’ schon der große Überbegriff...

Ja, zum einen smart. Und zum anderen galt jahrzehntelang immer das Moor’sche Gesetz. Inzwischen werden die Transistoren mit dem nächsten Node jedoch nicht mehr unbedingt billiger. Auch der Zugewinn an Leistung ist nicht mehr so enorm. Was momentan an Bedeutung verliert, ist das Immer-Kleiner-Werden der lateralen Strukturen. Meiner Ansicht nach wird das Moor’sche Gesetz in einer anderen Form weitergeführt. Man geht in die dritte Dimension, man stapelt und man hat andere Kriterien. Es gibt nicht nur das laterale Schrumpfen, sondern die Integration von Funktionen, also ‚functional scaling’ oder ‚power scaling’. Früher hat man immer nur den Transistor selber optimiert und verkleinert. Jetzt optimieren wir das Gesamtsystem.


Ein Beispiel: Wenn wir Auto fahren, dann können wir das relativ unfallfrei. Dabei verbraucht unser Gehirn 15 Watt. Heutige autonom fahrende Testfahrzeuge benötigen alleine für die Rechenleistung für die Umgebungserkennung 15 Kilowatt. Wenn die Chips ähnlich leistungsfähig werden wollen wie unser Gehirn, dann müssen wir den Energieverbrauch um einen Faktor 1000 reduzieren! Das ist eine enorme Herausforderung. Wenn man die Anzahl der Neuronen mit der Anzahl der Transistoren vergleicht, dann sind wir schon fast angekommen. Aber unser Gehirn ist viel komplexer vernetzt, arbeitet dadurch wesentlich smarter und verbraucht wesentlich weniger Energie. Das wollen wir ausnutzen.


Denken wir zum Beispiel an High-performance Computing. Bei der klassischen Von-Neumann-Rechnerarchitektur sitzt der Prozessor hier und der Speicher dort. Und die Verbindung dazwischen ist ein Bus. Beim Rechnen müssen die Daten erst eingeholt und das Zwischenergebnis abgespeichert werden. Die meisten heutigen Rechensysteme sind nicht durch die Prozessoren begrenzt, sondern durch die Übertragungsgeschwindigkeit der Daten. Dieses Problem lässt sich mit einer neuromorphen Architektur überwinden. Das heißt, die Trennung zwischen Prozessor und Speicher wird sich aufheben und es wird eine ineinander gefaltete doppelte Funktionalität geben. Das kann man sich vorstellen wie ein Schachbrett mit weißen und schwarzen Feldern, mit Rechen- und Speicherbereichen. Aber diese sind in drei Dimensionen organisiert wodurch die Transportwege entfallen und man enorm am Gesamtsystem gewinnt.


Das heißt also weg von der alleinigen Optimierung des Transistors hin zu einer Optimierung des Gesamtsystems mit 3D-Integration, Functional- und Power-Scaling; also weg von der Von-Neumann-Architektur hin zum Neuromorphic-Computing – und vielleicht am Ende des Tunnels hin zum Quantencomputing.

Wie bewerten sie dann, dass Unternehmen Strukturen mit 3 nm herstellen wollen?

Letztlich gibt es eine harte Grenze, und zwar das Atom. Wir kommen dieser Grenze immer näher, aber wenn die Strukturen so klein werden, dann ist jedes Atom das an der falschen Stelle sitzt eine Fehlerquelle. Und das heißt, die Herausforderung wird nicht sein, solche Strukturen hinzubekommen, sondern die nötige Ausbeute. Das scheint jetzt bei 7 nm schon eine große Herausforderung zu sein.


Oder nehmen wir das Beispiel Halbleiterdotierung. Wenn die Strukturen so klein werden, dann ist die Dotierung nicht mehr homogen. Dann stellt sich die Frage: Ist in dem Transistor ein Dotieratom drin oder nicht? Das führt alles zu ungewollten Effekten, zu einer neuen Art von Störsignalen, zu Rauschen. Und das kann alles zu sehr schlechten Ausbeuten führen. Insofern wird man wahrscheinlich irgendwann bei einer Technologiefeinheit bleiben, die eine Art stabiles Arbeitspferd darstellt.

Welche Größe wird das sein? Sind das die 7 nm oder gibt es hier schon zu viele Probleme?

Für Handys und für die richtigen Rechenzentren könnte ich mir die 7-nm-Strukturen vorstellen. Aber für rauere Umgebungen oder mobile Anwendungen denke ich, dass eher 12 nm, für manche sogar 20 nm der richtige Maßstab sind.

Vielen Dank für das Gespräch.

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