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Taiwanesischer Chiphersteller erhöht Produktion, um Chipmangel zu beenden

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Während die Welt mit einer anhaltenden Chipknappheit zu kämpfen hat, hat sich ein stiller Riese unter den Chipherstellern verpflichtet, über drei Jahre 100 Milliarden US-Dollar zu investieren, um die Produktion hochzufahren.

Die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ist zwar kein bekannter Name, aber mit einem Marktwert von über 550 Milliarden US-Dollar gehört sie zu den zehn wertvollsten Unternehmen der Welt. Jetzt nutzt es seine beträchtlichen Ressourcen, um die fortschrittlichste Chipherstellung der Welt wieder auf US-Boden zu bringen.

CNBC erhielt eine exklusive Führung durch die 12-Milliarden-Dollar-Fertigungsanlage außerhalb von Phoenix, Arizona, in der TSMC ab 2024 mit der Herstellung von 5-Nanometer-Chips beginnen wird. Das Unternehmen sagt, dass es jeden Monat 20.000 Wafer produzieren wird.

„Dies sind Teile, die an vielen verschiedenen Orten verwendet werden: CPUs, GPUs, IPUs usw. Sie werden in Smartphones verwendet“, sagte Rick Cassidy gegenüber CNBC. Cassidy ist Chief Strategy Officer von TSMC und Präsident und CEO des TSMC-Projekts in Arizona.

TSMC stellt Schlüsselkomponenten für alles her, von Mobiltelefonen über F-35-Kampfjets bis hin zu der Perseverance Rover-Mission der NASA zum Mars. Anfang dieses Monats kündigte das Unternehmen Pläne für eine neue Fabrik in Japan an, in der Chips mit älteren Technologien für Haushaltsgeräte und bestimmte Autokomponenten hergestellt werden sollen. TSMC ist auch Apples exklusiver Anbieter der fortschrittlichsten Chips in jedem derzeit auf dem Markt befindlichen iPhone und den meisten Mac-Computern.

“Aber sie bleiben in Bezug auf die Endmärkte eher im Hintergrund. Apple bekommt also alle Auszeichnungen, wenn ein neues Telefon auf den Markt kommt”, sagte Joanne Itow, Managing Director of Manufacturing bei Semico Research.

“Wir sind zurückhaltend. Wir lassen unsere Produkte für sich selbst sprechen. Ihr Erfolg bringt all das Geschäft, auf das wir hoffen können”, sagte Cassidy.

Die USA waren der Geburtsort von fortschrittlichem Silizium, verlieren jedoch seit Jahrzehnten Marktanteile an Asien, wo laut dem Branchenverband SEMI 79 % der weltweiten Chipproduktion im Jahr 2020 stattfand. Es berechnete, dass die USA im vergangenen Jahr für 12% der weltweiten Chipherstellung verantwortlich waren, gegenüber 37% im Jahr 1990.

Die 12 Milliarden US-Dollar teure 5-Nanometer-Chip-Fertigungsanlage von TSMC wird am 28. September 2021 im Norden von Phoenix, Arizona, in sechs Monaten gebaut.

TSMC

Allein TSMC war für 24% der weltweiten Halbleiterproduktion im Jahr 2020 verantwortlich, gegenüber 21% im Jahr 2019, so das Unternehmen. Wenn es um die fortschrittlichsten Chips geht, die in den neuesten iPhones, Supercomputern und der Automobil-KI verwendet werden, ist TSMC für 92 % der Produktion verantwortlich, während Samsung für die anderen 8 % verantwortlich ist, so die Forschungsgruppe Capital Economics.

„Es ist fast zu einem Monopol an der Spitze geworden, und all diese Fertigungsbetriebe befinden sich zum größten Teil außerhalb von Taiwan, Hsinchu. Das wird eine Angelegenheit von nationaler Bedeutung für die Vereinigten Staaten, aber nicht nur für die Vereinigten Staaten, sondern der westlichen Welt”, sagte Christopher Rolland, Senior Semiconductor Analyst bei Susquehanna.

Neben hochmodernen 3- und 5-Nanometer-Chips stellt TSMC auch größere Chips für Produkte wie elektrische Zahnbürsten und Kaffeemaschinen her. Autos verwenden oft weniger fortschrittliche 28- bis 40-Nanometer-Chips. Alle Arten von Chips sind von der Knappheit betroffen. Autohersteller wie GM und Toyota haben die Produktion in einigen Werken eingestellt. Und Apple wird wahrscheinlich seine Produktionsziele für 2021 für das iPhone 13 kürzen, da sich die Bestellungen für einige Modelle um mehr als einen Monat verzögern.

Weltweit erste reine Gießerei

Als Morris Chang in den 1980er Jahren zum ersten Mal die Idee für TSMC vorschlug, waren die Anleger skeptisch. In China geboren und in Harvard, MIT und Stanford ausgebildet, zog Chang nach 25 Jahren bei Texas Instruments nach Taiwan. Dort forderte ihn die Regierung auf, ein taiwanesisches Halbleiterunternehmen zu gründen, das weltweit führend werden sollte. Seine Idee: Konzentrieren Sie sich nur auf die Fertigung – was heute als reine Gießerei bekannt ist.

“Wenn man sich nur auf eine Sache konzentriert, macht man eine Sache wirklich gut”, sagte Cassidy, der vor 23 Jahren zu TSMC kam, nach einem faszinierenden stundenlangen Treffen mit Chang.

Chang setzte auf ein Bedürfnis, das noch nicht existierte. Als er 1987 TSMC gründete, waren Giganten wie Intel und Texas Instruments stolz darauf, ihre eigenen Chips zu entwickeln und herzustellen. Ein legendäres Sprichwort in der Branche war damals “Echte Männer haben Fabs”.

„Als Morris auf die Suche nach Finanzierung ging, ging er zu vielen namhaften Unternehmen, die Sie kennen, und sie sagten ihnen: ‚Morris, Ihre Idee wird nicht auf den Weg gebracht. Wenn Sie sie auf den Weg bringen, kann sie nicht skalieren .'”

Aber als Chips komplexer wurden, wurde ihre Herstellung zu einem enormen Unterfangen. Analysten sagen, dass der Bau einer Fabrik heute mindestens zwei Jahre und 10 Milliarden US-Dollar dauert. Es ist selbst für die größten Chiphersteller – Intel, Nvidia, Broadcom, Qualcomm, AMD – fast unmöglich geworden, alles zu tun und mit der fortschrittlichsten Technologie Schritt zu halten. Intel zum Beispiel entwirft und fertigt immer noch seine eigenen Chips, ist aber in den letzten Jahren hinter Samsung und TSMC zurückgefallen und verlässt sich nun auf TSMC, um einige seiner Chips herzustellen.

“Wenn Sie ein intelligenter Designer waren, mussten Sie zum ersten Mal mit dem Aufkommen von TSM keine Milliarden von Dollar und eine Fab hinter sich haben”, sagte Rolland.

Heute wird jeder wichtige Schritt der Chipherstellung oft von einem separaten Unternehmen abgewickelt. Einige, wie Arm und MIPS, konzentrieren sich auf IP und Architektur und stellen die Kernbausteine ​​für das Design von Chips bereit. Dann gibt es Unternehmen für die Elektronikdesignautomatisierung wie Cadence und Synopsys, die die Software schreiben, die zum Designen von Chips verwendet wird. Nur ein Unternehmen, ASML, stellt die 180 Millionen US-Dollar teuren Ultraviolettlichtmaschinen her, die erforderlich sind, um Designs in die fortschrittlichsten Chips zu ätzen. Dann gibt es die äußerst erfolgreichen Fabless-Firmen, die die Chips entwickeln, wie Apple, Qualcomm, Nvidia und viele mehr.

Ein Rendering von ASMLs Maschinenätzdesigns für extremes ultraviolettes Licht in die fortschrittlichsten Chips

ASML

Als diese Fabless-Unternehmen aufstiegen, befand sich TSMC auf einem Schwungrad, das immer mehr Chips der Welt herstellte.

“Das hat erlaubt [TSMC] nicht nur aufzuholen, sondern meiner Meinung nach Intel zu übertreffen, um die weltweit beste Fertigungstechnologie auf dem Planeten zu werden”, sagte Rolland, “eines der 10 wertvollsten Unternehmen in Bezug auf die Marktkapitalisierung weltweit.”

TSMC wurde 1994 zum ersten Mal an der Taiwan Stock Exchange notiert und wurde 1997 als erstes in Taiwan ansässiges Unternehmen an der New York Stock Exchange notiert. In den 2000er Jahren hatte es zu etwa 20 anderen Unternehmen aufgeschlossen, die zu dieser Zeit die fortschrittlichsten Chips herstellten. Als die Technologie weiter voranschritt, gerieten immer mehr Unternehmen ins Hintertreffen. Heute gibt es nur noch zwei Hersteller, die die fortschrittlichsten 5-Nanometer-Chips herstellen können: TSMC und Samsung.

Im Jahr 2013 begann Apple, sich auf TSMC zu verlassen, um seine Chips der A-Serie für das iPhone herzustellen, als es sich von Samsung, einem direkten Konkurrenten bei Mobiltelefonen, entfernte. Heute steckt in jedem iPhone auf dem Markt ein TSMC-Chip. Und auch Apple hat sich von Intel entfernt und verlässt sich nun auf TSMC, um die Chips in den meisten Macs herzustellen.

Im Jahr 2018, im Alter von 86 Jahren, ging Chang als Vorsitzender von TSMC in den Ruhestand. Seine radikale reine Gießerei-Idee zahlt sich weiterhin aus. Mit der Eröffnung einer neuen Fabrik in Taiwan im nächsten Jahr befindet sich TSMC in einem Wettlauf mit Samsung um die weltweit ersten 3-Nanometer-Chips – Intel plant, bis 2025 dorthin zu gelangen.

5-Nanometer in die USA bringen

Im Moment kann keine Fabrik in den USA 5-Nanometer-Chips herstellen. Aber TSMC ändert das.

“Wenn Sie mehr Kapazität haben wollen, müssen Sie mehr Fabs bauen. Und das ist einer der Gründe, warum wir in die USA ziehen”, sagte Cassidy. “Unsere Kunden wollen uns in den USA Die US-Regierung will uns hier.”

Tony Chen, technischer Direktor von TSMC, führte CNBC durch den Standort, an dem eine vierstöckige, 2,3 Millionen Quadratfuß große Fabrik errichtet wird. Chen hat in seinen 23 Jahren bei TSMC 17 weitere Fabbauprojekte geleitet.

“Dieses Projekt ist als 5-Nanometer-Fabrik konzipiert. Eigentlich ist es eine Kopie der Fabrik, die wir in Taiwan haben”, sagte Chen.

In der Nähe wurde einer der größten Kräne der Welt auf seine volle Höhe von 60 Metern gehoben. Mit 153 Sattelzugmaschinen wurde der 2.300 Tonnen schwere Kran zur Baustelle gebracht. Bauleiter Jim White sagte, Bauunternehmer hätten seit Baubeginn im April fast 4 Millionen Kubikmeter Erde bewegt und mehr als 260 Millionen Gallonen Wasser verbraucht.

Der Bau einer Fab und die Herstellung von Chips erfordern unglaublich viel Wasser, keine reichlich vorhandene Ressource mitten in der Wüste. Arizonas größte Wasserquelle ist Grundwasser, aber Tiefbrunnen auf großen Farmen verbrauchen das Wasser schneller, als es auf natürliche Weise wieder aufgefüllt wird. Chen sagte, dass TSMC jeden Tag rund 4,7 Millionen Gallonen Wasser benötigt, um die Produktion zu unterstützen.

Wasserknappheit ist TSMC nicht fremd. Taiwan steht vor der schlimmsten Dürre seit 56 Jahren, was sich laut TSMC nicht auf die Produktion ausgewirkt hat. In Arizona, sagte TSMC, wird ein Wasseraufbereitungszentrum vor Ort bis zu 90% des in der Fabrik verwendeten Wassers recyceln.

„Und letztendlich wird dieses Wasser in Zusammenarbeit mit der Stadt Phoenix wieder in den Grundwasserleiter injiziert, nachdem Umkehrosmose und andere Technologielösungen bereitgestellt wurden“, sagte Chris Camacho, Präsident und CEO des Greater Phoenix Economic Council. Er half bei den Verhandlungen über den Deal, der das Projekt nach Arizona brachte.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die meisten 5-Nanometer-Spezialisten in Asien ansässig sind. Um dieses Problem zu lösen, sagte Roxanna Vega, die Managerin für akademische Beziehungen bei TSMC, dass das Unternehmen einige seiner Top-Experten aus Taiwan mitbringt.

“Sie gelten als Fachexperten für das, was sie in unseren Fabs dort drüben tun”, sagte Vega. “Es wird ein vorübergehender Auftrag … zwei, vielleicht drei Jahre.”

TSMC sagte, es habe bereits mehr als 250 neue Mitarbeiter aus den USA für 12 bis 18 Monate nach Taiwan geschickt, um sich auf den neuesten Stand zu bringen.

„Die Gelegenheit, in unserem 5-Nanometer-Gigafab in Taiwan zu trainieren, ist, ihnen einen Einblick zu geben, wie groß und auf dem neuesten Stand der Technik die Werkzeuge, Maschinen und alles hier in Arizona sein werden“, sagte Vega.

Diversifizierung ist ein wichtiger Grund für TSMC, fortschrittliche Fertigung in die USA zu bringen

“Taiwan ist nicht sehr gut, wenn es um analoges Halbleiterdesign geht, und wenn Sie in die USA ziehen, könnten Sie eine viel größere Anzahl von Analogdesignern erschließen”, sagte Rolland.

TSMC-Mitarbeiter gehen einen Flur in einer Chipfabrik in Taiwan entlang

TSMC

Die meisten der 12 Fabriken von TSMC befinden sich in Taiwan und China, was die Welt anfällig für potenzielle Verlangsamungen durch Naturkatastrophen macht, einschließlich der aktuellen Dürre dort oder der geopolitischen Spannungen in der Region. Einige Experten bezeichnen TSMC jedoch als Taiwans “Siliziumschild” in seinen angespannten Beziehungen zu China.

„Die Medien zeichnen ein sehr düsteres Bild von dieser Situation“, sagte Rolland, „aber ich bin eigentlich viel optimistischer – teilweise wegen dieser Idee [of] die Halbleiterabschirmung aufgrund dieser für beide Seiten vorteilhaften Beziehung zwischen dem Festland und Taiwan selbst. China braucht sie ab sofort für seine hochmoderne Fertigung.”

Die USA hängen auch stark von den Chips ab, die aus Taiwan kommen – ein Hauptgrund, warum die Regierung hart daran gearbeitet hat, TSMC davon zu überzeugen, seine Technologie hierher zu bringen.

„Arizona hat eine Reihe von Programmen, darunter die Steuergutschrift für qualifizierte Einrichtungen und die Steuergutschrift für Qualitätsjobs, die wirklich ein Anreiz sind, die Betriebskosten zu senken“, sagte Camacho. “Darüber hinaus hat die Stadt Phoenix ein 200 Millionen Dollar teures Infrastrukturpaket geschnürt, das TSMC beim Zugang zu Wasser und zusätzlich benötigter Infrastruktur hilft.”

Die Biden-Regierung hat 52 Milliarden US-Dollar an Subventionen für Chipfirmen wie TSMC vorgeschlagen, um auf US-Boden zu produzieren.

Branchenberichte schätzen, dass eine Investition der US-Regierung in Höhe von 50 Mrd.

Da die Knappheit anhält, werden weltweit ähnliche Investitionen getätigt. Der Branchenverband SEMI prognostiziert, dass bis 2024 72 neue Fabs oder größere Erweiterungen online gehen – 10 davon in Nord- und Südamerika.

“Ich habe in den letzten zwei, drei Jahren mehr Ankündigungen von Investitionen gehört als in meinem ganzen Leben”, sagte Ajit Manocha, Präsident und CEO von SEMI. “Und auf dieser Grundlage sind wir der Meinung, dass wir bis Ende nächsten Jahres eine gewisse Erleichterung bei der Chipknappheit sehen sollten.”

Bis dahin erhöht TSMC die Chippreise bei weiter steigender Nachfrage um bis zu 20 %, so ein Bericht des Wall Street Journal. Die Kosten könnten durch den Elektronikpreis auf die Verbraucher durchsickern. TSMC baut auch weiterhin die Produktionskapazitäten aus, unter anderem in den USA, wo der 1.100 Hektar große Standort in Arizona sicherlich Platz für eine zweite Phase bietet.

Sehen Sie sich das Video an, um die exklusive Tour durch den Standort von TSMC in Arizona und in die riesigen Fabriken des Chip-Giganten in Taiwan zu sehen.

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