Ausgehend von der Tatsache, dass integrierte Schaltkreise in meinem Land zu einem wichtigen Hightech-Wirtschaftszweig geworden sind, wird die aktuelle Lage analysiert. Es wurden der internationale Markt sowie der Stand der inländischen Entwicklung im Bereich der Chip-Produktion und des Chip-Designs vorgestellt und Vorschläge sowie Perspektiven für die Verwirklichung einer eigenständigen Steuerbarkeit und eigenständigen Innovation bei inländischen Chips aufgezeigt.
Zu Beginn des Jahres 2018 haben die Vereinigten Staaten die Zölle auf aus China importierte Waren erheblich erhöht [1]. Heute hat die massive, politisch und wirtschaftlich abgestimmte Offensive der Vereinigten Staaten zahlreiche Veränderungen in der Fertigungsplanung und den damit verbundenen Konzepten erzwungen, denen wir in der Vergangenheit kaum Beachtung geschenkt haben, insbesondere in der Informationsindustrie und der Halbleiterindustrie.
Hintergrund
Im April 2018 verhängten die USA Sanktionen gegen ZTE, und das US-Handelsministerium gab eine Erklärung heraus, die es ZTE für die nächsten sieben Jahre untersagte, sensible Produkte von US-Unternehmen zu erwerben. Im Mai 2018 verabschiedete das US-Repräsentantenhaus den Gesetzentwurf (HR5515), der der US-Bundesregierung den Kauf von Videoüberwachungsausrüstung von den chinesischen Unternehmen Hikvision und Dahua untersagt.
Im Mai 2019 unterzeichnete der Präsident der Vereinigten Staaten ein Gesetz zur Verhängung von Sanktionen gegen Huawei. In der Folge nahm das Bureau of Industry and Security des US-Handelsministeriums Huawei in die US-Entity-Liste auf. Alle US-Unternehmen, die Huawei mit Chips und Software beliefern wollen, müssen einen Antrag stellen und werden offiziell gesperrt. Damit ist es Huawei nicht mehr möglich, amerikanische Produkte zu importieren. Kurz nach der Verkündung der Sanktionen gab Intel als erstes Unternehmen bekannt, dass es die Lieferung von CPUs an Huawei einstellen werde. Kurz darauf gab SoftBank bekannt, dass es die technische Unterstützung durch ARM für Huawei vorübergehend einstellen werde. Obwohl ARM und Intel zur gleichen Halbleiterbranche gehören, sind sie in unterschiedlichen Bereichen tätig. ARM ist ein Gigant im Bereich der mobilen Endgeräte. Seit den Anfängen mobiler Smart-Endgeräte hat das Unternehmen stets eine führende Position auf dem Markt eingenommen. Die weltweit größten Anbieter von Mobilfunkchips wie Qualcomm, Samsung und das taiwanesische Unternehmen MediaTek nutzen alle die Architektur von ARM. Mehr als 85% der weltweit verkauften Smartphones und Tablets verwenden Prozessoren mit ARM-Architektur. Intel hingegen nimmt auf den traditionellen PC- und Servermärkten eine führende Position ein.
Die beiden Halbleiterriesen stellten die Lizenzvergabe für Huaweis Produkte und Technologien ein (das Standard-Kooperationsmodell von ARM), was dazu führte, dass wichtige Produkte von Huawei wie Server, Switches, Kommunikationsgeräte und Handheld-Endgeräte der Unterhaltungselektronik (Mobiltelefone, Tablets) sowie Schlüsseltechnologien von der Versorgung abgeschnitten wurden. Vor dem Hintergrund zunehmender Handelsspannungen zeigten Daten der chinesischen Zollbehörde vom Januar 2019[2], dass Chinas Importe von integrierten Schaltkreisen erstmals die Marke von 2 Billionen RMB überschritten und seit mehreren Jahren in Folge den ersten Platz unter den Importkategorien des Landes einnehmen – noch vor den gesamten Ölimporten. Die Daten zeigen, dass der Großteil der hochwertigen inländischen Halbleiterchips nach wie vor aus dem Ausland importiert werden muss und dass nach wie vor eine Lücke zu den vom Land angestrebten unabhängigen und kontrollierbaren Chips besteht.
Branchenüberblick
Die heimische Kompetenz im Bereich des digitalen Chipdesigns hat sich schrittweise auf ein beachtliches Niveau verbessert, doch was die Produktion und Fertigung angeht, ist man bei High-End-Prozessen nach wie vor stark von großen internationalen Herstellern abhängig. Zu den weltweit führenden Waferfabriken in der Chipfertigung zählen derzeit die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) und die United Microelectronics Corporation (UMC) in Taiwan sowie Global Foundries in den Vereinigten Staaten. Zu den reinen inländischen Wafer-Foundries zählen vor allem die in Shanghai ansässige Semiconductor Manufacturing Company (SMIC), die Huahong Group, Suzhou Hejian (HEJIAN) sowie Yangtze Memory und Hefei Changxin, die hauptsächlich Speicherchips herstellen und von dem US-Unternehmen Micron verklagt wurden. Die Fujian Jinhua Company ist derzeit aufgrund von US-Sanktionen suspendiert. Seit 2005 ist das chinesische Festland der größte Abnehmer von integrierten Schaltkreisen, doch laut einer Analyse von IC Insights [3] hat die IC-Produktion auf dem chinesischen Festland nicht wesentlich zugenommen.
Wie aus Abbildung 1 hervorgeht, erreichte die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Halbleiterproduktion auf dem chinesischen Festland im Jahr 2018 15%. Wir dürfen jedoch nicht außer Acht lassen, dass diese Zahlen tatsächlich den Beitrag großer Halbleiterhersteller wie Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. in Taiwan, Intel in den Vereinigten Staaten, Samsung in Südkorea und SK Hynix auf dem chinesischen Festland beinhalten. Unter diesen verfügt die 12-Zoll-Waferfabrik von SK Hynix auf dem chinesischen Festland über die größte Produktionskapazität mit einer vollen Produktionskapazität von 200.000 Wafern pro Monat. Auch die 12-Zoll-Waferfabrik von Intel in Dalian hat im Dezember 2018 eine monatliche Produktionskapazität von 70.000 Wafern erreicht.
2 Chip-Design Das Chip-Design steht an der allerfrühesten Stufe der Halbleiterindustrie und bildet deren Kernfundament. Es erfordert einen hohen Aufwand an Personal, materiellen Ressourcen und finanziellen Investitionen sowie eine langfristige Erfahrung.
Auf dem CPU-Markt belief sich der Marktanteil von Intel im zweiten Quartal 2018 auf 81,8%, womit das Unternehmen weiterhin weltweit führend war. Auf dem GPU-Markt nahmen ATI und NVIDIA im High-End-Segment in der Anfangszeit eine absolute Vorreiterrolle ein. Später wurde ATI von AMD übernommen. Da AMD lange Zeit im Ökosystem nicht vertreten war, verfügt NVIDIA derzeit über einen dominierenden Marktanteil von fast 70%.
Auf dem FPGA-Markt hat sich die Situation, dass inländische Kernchips hauptsächlich auf Importe angewiesen sind, hingegen kaum verändert. In den Bereichen Hochleistungs-CPUs, GPUs und FPGAs ist der derzeitige internationale Marktanteil inländischer Chips verschwindend gering.
CPU-Produkte
In den letzten Jahren sind in meinem Land eine Reihe wissenschaftlicher Forschungsinstitute und führender Unternehmen entstanden, die hervorragende CPU-Produkte (Central Processing Unit) entwickeln, darunter die bekannten Loongson [4,5] und Shenwei. Die erstgenannte CPU wird bereits in großem Umfang in kritischen Infrastrukturen und Computersystemen wichtiger Einrichtungen eingesetzt. Der letztgenannte Sunway-26010-Multi-Core-Prozessor ist der Hauptrechnerchip des nationalen Supercomputers “Sunway TaihuLight” [6], in dem insgesamt 40.960 Sunway-26010-CPUs integriert und installiert sind. Aufgrund der Anwendungsergebnisse des Supercomputers „Sunway TaihuLight“ gewannen chinesische Forscher zum ersten Mal den „Gordon Bell“-Preis und erzielten damit den ersten Durchbruch unseres Landes bei dieser Auszeichnung. Die Liste der 500 weltweit leistungsstärksten Supercomputer des Jahres 2017 wurde veröffentlicht, und der „Sunway TaihuLight“ sicherte sich mit einer Gleitkomma-Rechengeschwindigkeit von 930 Petaflops/s zum vierten Mal den ersten Platz. Damit wurden die 2015 von den Vereinigten Staaten verhängten Beschränkungen für den Verkauf von Hochleistungsprozessoren an China überwunden.
GPU-Produkte
Im Vergleich zu CPUs ist der Umsatz mit Grafikprozessoren (GPUs) auf dem internationalen Markt relativ gering. NVIDIA und AMD sind die einzigen beiden Unternehmen weltweit, die Hochleistungs-GPUs entwickeln, und ihr gemeinsamer Jahresumsatz beträgt lediglich etwa 100 US$100 Millionen. Changsha Jingjia Microelectronics, gegründet im Jahr 2006, ist das einzige inländische Unternehmen, das eigenständig in China hergestellte Grafikprozessorchips erfolgreich entwickelt und in die Serienproduktion gebracht hat. Im Jahr 2014 entwickelte das Unternehmen erfolgreich den JM5400-GPU-Chip, der als erster Hochleistungs-GPU-Chip mit eigenständigen geistigen Eigentumsrechten in China gilt. Neben Jingjiawei entwickeln auch die Institute 709 und 716 der China State Shipbuilding Industry Corporation eigene GPUs.Insgesamt besteht jedoch hinsichtlich Fachkräften, Technologie und Patentbarrieren nach wie vor eine große Lücke zwischen einheimischen GPUs und führenden internationalen Herstellern.
FPGA-Produkte
Produkte auf Basis von Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) [10–14] weisen ein geringes Marktpotenzial auf und die Amortisation der Investitionskosten gestaltet sich schwierig. Zudem haben Xilinx und Altera Patentbarrieren errichtet. Die meisten inländischen FPGA-Hersteller befinden sich in einer relativ schwierigen Entwicklungsphase. Zu den inländischen FPGA-Herstellern zählen derzeit Unternehmen wie Gowin Semiconductor, Shanghai Anlu, Unisoc, AGM und Shanghai Fudan Micro. Auf dem inländischen FPGA-Markt mit einem Volumen von über 10 Milliarden Yuan beträgt der Marktanteil einheimischer Hersteller jedoch weniger als 3%. Auf einer Messe zur zivil-militärischen Integration demonstrierte jedoch eine Tochtergesellschaft von CETC ein nach dem „Forward-Design“-Ansatz entwickeltes FPGA mit 35 Millionen Gates. Anschließend gab die China Electronics Corporation (CEC) öffentlich die erfolgreiche Entwicklung eines FPGA mit 70 Millionen Gates bekannt. Dieser technologische Durchbruch der beiden großen Konzerne hat die Probleme bei der Entwicklung einiger High-End-FPGAs von Grund auf gelöst, was sehr erfreulich ist.
EDA-Produkte Im Bereich des Chipdesigns handelt es sich bei den Chipdesign-Tools um Produkte der Electronic Design Automation [15] (EDA). Derzeit halten die weltweit führenden EDA-Hersteller wie Synopsys und Cadence in den Vereinigten Staaten fast 90% des EDA-Marktanteils. Rechnet man das US-Unternehmen Mentor hinzu, erreicht der Marktanteil fast 100%. Diese Großkonzerne verfolgen eine Geschäftsstrategie, bei der sie die aufstrebenden EDA-Designunternehmen mit einem Monopol einkreisen. Das heißt: Sobald die Forschung und Entwicklung eines Unternehmens im Bereich EDA-Tools ein bestimmtes Niveau erreicht hat und die Tools von Chip-Designern weit verbreitet genutzt werden, bieten diese Großkonzerne äußerst attraktive Preise an, um diese jüngeren Unternehmen vollständig zu übernehmen. Bislang gab es noch keinen Fall, in dem eine Übernahme gescheitert wäre.
Vertreter der Halbleiterindustrie meines Landes erklärten, dass sich anhand einer Analyse der Entwicklungsgeschichte von BGI Jiutian der Entwicklungsweg der chinesischen EDA-Branche nachvollziehen lässt [16].
Angesichts des Monopols der drei großen EDA-Marktführer in den Vereinigten Staaten kann BGI Jiutian derzeit nur etwa ein Drittel der von der Branche benötigten EDA-Lösungen bereitstellen. Zwar ist BGI Jiutian bei den 16-nm- und 28-nm-Prozessen relativ ausgereift, doch ähnlich wie bei Huaweis HiSilicon-Kirin-Chip hat das Unternehmen bereits die 7-nm-Prozesstechnologie erreicht. Daher hat BGI Jiutian in Bezug auf fortschrittlichere Prozesstechnologien noch einen langen Weg vor sich.
Lösungen und Perspektiven
Die Halbleiterindustrie ist eine äußerst technologie- und kapitalintensive Branche. Daher erfordert sie eher staatliche Fördermaßnahmen, die Ausbildung von Fachkräften, finanzielle Zuschüsse und vor allem langfristige Investitionen, anstatt auf kurzfristige Gewinne zu setzen. Ob im vorgelagerten, mittleren oder nachgelagerten Bereich der Halbleiterindustrie – überall ist ein umfangreicher Technologieaufbau und die Entwicklung von Fachkräften erforderlich. Um den Rückstand zu verringern und aufzuholen, hat die chinesische Halbleiterindustrie begonnen, kontinuierlich Fachkräfte aus verschiedenen Bereichen zu gewinnen. Besonders bemerkenswert ist, dass Schlüsselpersonen von Samsung zu SMIC gewechselt sind. SMIC hat den 28-nm-Prozess erfolgreich eingeführt und den 14-nm-Prozess entwickelt, was die Bedeutung qualifizierter Fachkräfte unterstreicht.
Zweitens sollte das Land darauf bestehen, das Modell der Aufteilung seiner Truppen auf mehrere Wege zu übernehmen. Die in Wuhan ansässigen Unternehmen Yangtze Storage und Hefei Changxin haben begonnen, schrittweise ihre Kräfte zu bündeln, und werden auf dem Speichermarkt nicht fehlen. Darüber hinaus sollte die Regierung die Halbleiterentwicklung auf eine nationale strategische Ebene heben. Integrierte Schaltkreise, insbesondere im Bereich der Fertigung, erfordern Investitionen in Höhe von mehreren zehn Milliarden oder sogar mehreren hundert Milliarden Dollar, was kurzfristig möglicherweise nicht effektiv ist. Aus Sicht der Kapitalrendite empfinden gewöhnliche Investoren die Investitionsschwelle als zu hoch und das Risiko als zu groß, sodass man sich auf die Führung durch die Regierung verlassen muss. Das Land hat einen Investitionsfonds für die Halbleiterindustrie eingerichtet[17]. Die zweite Phase der Mittelbeschaffung ist abgeschlossen und umfasst ein Volumen von etwa 200 Milliarden Yuan. Der Fonds wurde dem Staatsrat zur Genehmigung vorgelegt, was eine sehr positive nationale Ausrichtung auf die Halbleiterindustrie widerspiegelt. Ob es sich nun um Chip-Hersteller wie SMIC, Huahong und Sanan Optoelectronics oder um Chip-Design-Unternehmen wie GigaDevice, BeidouStar oder sogar der oben erwähnte inländische GPU-Marktführer Jingjiawei sowie Verpackungs- und Testunternehmen wie Changdian, Taiji und Tongfu Micro Electricity usw. – sie alle haben Investitionen von großen Fonds erhalten.
Wei Shaojun, Leiter des Teams für Chinas nationales Großprojekt im Bereich der nuklearen Hochtechnologie, erklärte, dass Chinas Halbleiterindustrie bis 2020 zwischen 700.000 und 800.000 Fachkräfte benötigen werde, der derzeitige Fachkräftemangel jedoch mindestens die Hälfte dieser Zahl ausmache. Es ist anzumerken, dass das Land zwar derzeit damit beginnt, Fachkräfte aus dem Ausland mit hohen Gehältern anzuwerben, um die Lücke bei hochqualifizierten Fachkräften zu schließen, für die Ausbildung von Fachkräften auf der Basisebene jedoch die Hochschulbildung oberste Priorität haben sollte, gepaart mit einem starken Lehrpersonal und einer kontinuierlichen Stärkung der betrieblichen Ausbildung. Herr Wei Shaojun wies ausdrücklich darauf hin [19–20], dass wir zur Lösung des Problems des Mangels an Fachkräften im Bereich integrierter Schaltkreise in unserem Land eine reformorientierte Denkweise annehmen und einen langfristigen Entwicklungsmechanismus etablieren müssen, um den Fachkräftemangel durch angebotsseitige Reformen zu beheben. Nur so können wir die Schwächen chinesischer Chips beheben, den technologischen Rückstand gegenüber internationalen Herstellern verringern und die Wettbewerbsfähigkeit einheimischer Chips steigern.
Der Stand der wirtschaftlichen Entwicklung ist ein Ausdruck der Gesamtstärke eines Landes. In den letzten Jahren hat China schrittweise zum weltweiten Spitzenniveau aufgeholt und in vielen Bereichen eine führende Position erreicht. Um ihre nationalen Interessen zu schützen, haben die Vereinigten Staaten und andere Industrieländer nacheinander die ZTE-Affäre ins Rollen gebracht und sogar Sanktionen gegen Huawei verhängt. All dies sind Beispiele dafür, wie politische Mittel die wirtschaftliche Entwicklung beeinflussen. Hinter diesen Ereignissen wird uns jedoch deutlich bewusst, dass uns in vielen Bereichen kritischer Infrastrukturen – sei es bei Software, Hardware oder sogar in der Fertigung – nach wie vor Technologie fehlt und wir auf ausländische Technologie angewiesen sind.
Aus diesen tiefgreifenden Erkenntnissen lässt sich ableiten, dass die Entwicklung der Chipindustrie und sogar aller Lebensbereiche eigenständig gesteuert werden kann und nichts dem Zufall überlassen bleibt. Um aus dieser Sackgasse herauszukommen, können wir die große historische Aufgabe der lokalen Substitution nur schrittweise verwirklichen, indem wir zusammenarbeiten, Erfahrungen sammeln und stetig voranschreiten. Stichworte: Ethernet
