LUXEMBURG
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Chip-Riese Intel steht zum 50. Jubiläum vor großen Herausforderungen

Die Zukunft der Chip-Industrie könnte ohne Silizium ablaufen

Neues Material

„Das Rennen um die Zukunft der Chip-Industrie wird sehr eng werden“, meint der Forscher Emmanuel Defay. „Und neue Materialien könnten da neue Chancen öffnen.“ Defay forscht am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) in der Abteilung für Materialforschung und Technologie (MRT) und hat sich dabei auf neue Materialien bei der Elektronikfertigung spezialisiert. Durch seine vergangene Aktivität am Forschungsinstitut für Elektronik und Informationstechnologie CEA-Leti in Grenoble in Frankreich kennt er die Probleme moderner Halbleiterhersteller. 
Denn schon länger gilt Silizium als Auslaufmodell. „Es gibt ganz einfach diese Ansicht, dass das Silizium irgendwann physisch an eine Barriere stößt“, erklärt er. Lange galten sieben Nanometer-Fertigungsmöglichkeiten als das Limit des Erreichbaren, inzwischen gehen Forscher von fünf Nanometern aus. „Der Fokus auf neue zweidimensionale Materialien ist daher nur logisch“, erklärt er. Eine Möglichkeit neben Metall-Oxid-Halbleiter (MOSFETs) wären etwa Halbleiter aus Molybdändisulfid (MoS²) oder Graphit. „Auch Zusammensetzungen wie Silizium-Karbid wären denkbar“, sagt Defay. „Damit könnte man die bislang gedachte physische Grenze durchbrechen.“
Aber die immer kleinere Fertigung (frei nach dem Moorschen Gesetz „more Moore“ genannt) sei nur ein Teil des Paradigmas. „Die Kehrseite dieser Medaille ist, dass sich nur die wenigsten Unternehmen eine immer modernere Fertigung auch wirklich leisten können“, meint Defay. Die Belichtung und Entwicklung kostet ein Vermögen und ist kein Erfolgsgarant. Die Lösung für viele sei dann, sich zu spezialisieren. „Das wäre treffend als ,more than Moore‘ zu bezeichnen“, erklärt Defay und verweist darauf, dass viele Unternehmen schon auf diese Schiene aufgesprungen sind.
Unternehmen wie STMicroelectronics, das in der Schweiz, Frankreich und Italien operiert, hätten derweil bereits umgestellt. „Sie haben erkannt, dass sie das Rennen um immer kleinere, modernere Fertigungen nicht mitgehen können“, erklärt Defay. „Sie haben sich entschieden, zu spezialisieren, und bieten jetzt Elektronik für den Spezialeinsatz.“ Etwa Chips mit Infrarot-Funktion oder Gyroskop. Mit Erfolg: Solche Chips werden immer wichtiger - nicht nur durch die Erfolge der Smartphones, die solche Chips bitter nötig haben. Auch der Markt der Internet der Dinge (IoT) braucht solche Spezialisten-Chips. Ein weiterer wichtiger Bereich nimmt indes an Fahrt auf: „Die KI-Berechnungen sind eigentlich keine neuen Algorithmen“, meint Defay. Aber besser darauf abgestimmte Hardware erlaube es inzwischen, diese effizient durchzuführen. So überrascht es nicht, dass Hersteller spezielle KI-Chips bauen. 

Intel feierte diese Woche seinen 50. Geburtstag. Ein halbes Jahrhundert lang hat der Chipgigant mit seinen Erfindungen maßgeblich die Digitalisierung vorangebracht und das Zeitalter des Personal Computers überhaupt erst ermöglicht. 1.500 Drohnen stiegen am Mittwoch (Ortszeit) am Firmensitz in Santa Clara synchron auf und schrieben eine fulminante LED-Lichtshow in den Himmel. Das sollte ein Weltrekord werden - und zeigen, dass Intel noch immer innovativ und agil ist.

Das Herz eines jeden PCs

Vor genau 50 Jahren legten der Physiker Bob Noyce (1927-1990) und sein Kollege Gordon Moore (geboren 1929) den Grundstein für den heutigen Weltkonzern. Beide gehörten den legendären „Untreuen Acht“ an, der Gruppe von Managern, die aus Unzufriedenheit mit der Entwicklungsstrategie ihres damaligen Arbeitgebers Fairchild Semiconductor ihre eigene Firma gründeten. Noyce und Moore sahen die Zukunft darin, mehrere Transistoren auf einem Stück Halbleiter zu verbinden. Mit seiner Erfindung des integrierten Schaltkreises legte Noyce gemeinsam mit Jack Kilby von Texas Instruments den Grundstein für den modernen Mikroprozessor, der auch heute noch das Herz eines jeden PCs bildet. Zunächst legte Intel den Schwerpunkt auf die Produktion von Speicherchips. Der erste Mikroprozessor entstand 1971 kurioserweise, weil zwei Intel-Ingenieure den Wunsch eines Kunden schlicht ignorierten. Eigentlich sollten sie einen Chip für eine simple Rechenmaschine bauen. Die Intel-Entwickler entschieden dann aber auf eigene Kappe, einen deutlich leistungsfähigeren Chip zu konstruieren, Intels ersten serienreifen Mikroprozessor 4004. Erst 1978 brachte Intel dann mit dem 8086 den ersten Prozessor der x86er-Reihe auf den Markt, der die Ära des Personal Computers einläutete.

Sprung ins Mobilzeitalter verpasst

In den folgenden Jahrzehnten trug vor allem die Partnerschaft mit Microsoft zum florierenden Geschäft für Intel bei, das als „Wintel“-Allianz in die Geschichte einging. Immer leistungshungrigere Software erforderte immer leistungsfähigere Hardware. Mit seinem Konkurrenten AMD ging Intel dabei nicht zimperlich um. Seit fast einem Jahrzehnt droht Intel deswegen von der EU-Kommission eine Milliarden-Strafe wegen unfairen Wettbewerbs.

Das goldene PC-Zeitalter neigt sich allerdings dem Ende entgegen - und Intel bekommt diese Entwicklung brutal zu spüren: Die Verkäufe von PCs gingen in den vergangenen Jahren stetig zurück. Inzwischen ist das Smartphone das meistgenutzte Gerät für den Zugang ins Netz, große Rechenleistung mietet man sich heute häufig in der Cloud. Intel gelang es zwar, im Server-Geschäft deutlich zuzulegen, den Sprung ins Mobilzeitalter schafften die Kalifornier dagegen nicht. Trotz zahlreicher Anläufe schafften es die Entwickler nicht, den Strom-Hunger der Chips zu reduzieren.

Um der Nachfrage nach immer leistungsfähigeren und energieeffizienten Chips nachzukommen, geht Intel inzwischen Kooperationen mit Herstellern von Grafik-Chips (GPU) ein. Lange galten diese gegenüber den Computer-Prozessoren (CPU) als Rechenknechte. Doch ihre Bedeutung nimmt für moderne Simulationen und künstliche Intelligenz stetig zu. Vor diesem Hintergrund hat Intel auch seine lange Feindschaft mit AMD aufgegeben und verbaut in seinen neusten Chipsets „Kaby Lake G“ für Laptops neben seinen CPUs auch AMDs GPUs der „VEGA“-Serie.

Zuvor hatte Intel schon Technologie des Grafik-Chip-Anbieters Nvidia lizenziert, doch aus den Partnern werden zunehmend Konkurrenten: Mit seinen jüngsten Produkten stößt Nvidia in den Markt für Server und Hochleistungscomputer vor.

Schaut man sich die aktuelle Liste der schnellsten Supercomputer der Welt an, kann man erkennen, wie gut Nvidia sich als Intel-Rivale inzwischen in Stellung gebracht hat. Erstmals seit 25 Jahren lieferten nicht CPUs, sondern GPUs den größten Anteil der Rechenleistung. Der Einzug der Grafik-Chips in die Forschungs-Labore, Universitäten und kommerzielle Datenzentren werde die Landschaft der Supercomputer für immer verändern, schätzt Michael Feldman, Chefredakteur der „Top-500-Liste“. Auch in Luxemburg gibt es inzwischen Kooperationsprojekte mit Nvidia.

Gas geben bei Grafik-Chips

Höchste Zeit für Intel, jetzt selbst verstärkt auf Grafik-Chips zu setzen. Ende letzten Jahres stellte Intel den GPU-Chefarchitekten von AMD, Raja Koduri ein, der kürzlich über Twitter ankündigte, dass Intel bereits bis 2020 einen eigenen diskreten GPU-Chip bauen wolle.

Dabei wird die Industrie aus einer anderen Richtung bedroht: Vor rund einem Jahr wurden verheerende Lücken direkt im Design der Prozessoren von Intel, aber auch anderer Anbieter mit Intel-Patenten entdeckt. Es bietet mit „Spectre“ und „Meltdown“ eine völlig neue Klasse von Angriffsmöglichkeiten. Dabei wird ein Design-Merkmal der Chips ausgenutzt, das eigentlich die Rechenprozesse beschleunigen soll.

Angriffe gab es zwar noch keine, und die Hersteller arbeiten mit Hochdruck an Lösungen - aber neue Lücken kommen ständig hinzu.

Derzeit ohne Chef

Zudem steht Intel derzeit ohne Chef da. CEO Brian Krzanich trat Mitte Juni zurück, nachdem eine Jahre zurückliegende Affäre mit einer Mitarbeiterin bekannt geworden war. Eine Nachfolge steht noch nicht fest. Die Krise erinnert an einen Moment, in dem Intel einmal dicht am Abgrund stand: Mitte der 90er Jahre wurde ein Fehler in der Fließkomma-Berechnung bei einem Pentium-Chip entdeckt, der sich bereits im Handel befand. Zunächst hatte Intel versucht, den Fehler zu vertuschen, dann stillschweigend zu korrigieren. Intel weigerte sich auch nach Protesten, die Chips auszutauschen - was in der Öffentlichkeit eine Welle der Empörung auslöste. Immerhin hatte Intel damals einen Chef, der mit einem Machtwort die Krise beenden konnte: Der langjährige CEO Andy Grove entschuldigte sich öffentlich und startete ein umfangreiches Austauschprogramm. Legendär ist bis heute Grove’s Leitspruch: „Nur die Paranoiden überleben“. 

Die Konkurrenten

Advanced Micro Devices (AMD) ist Intels ärgster Konkurrent im Server-, Notebook- und Desktop-Markt für Computer-Chips. Der US-amerikanische Chip-Entwickler entwickelt und produziert Mikroprozessoren, Chipsätze, Grafikchips und System-on-Chip-Lösungen (SoC) für Server, Hersteller und Privatnutzer. Seit 2009 ist AMD „fabless“, hat also keine eigenen Fertigungsanlagen. Damals wurde der eigene Ableger „Globalfoundries“ ausgegliedert. AMD ist in den Top-15 der Halbleiterhersteller und nach Intel eindeutig der zweitgrößte Prozessorhersteller für traditionelle PC-Prozessoren. Nach einer verlängerten Schwächephase ist der Konzern mit seiner „Zen“-Architektur inzwischen wieder zurück.

Qualcomm Incorporated ist ein Halbleiterhersteller für den Mobilfunkkommunikations-Sektor mit Sitz in San Diego in Kalifornien. Qualcomm war 2013 nach Intel, Samsung und TSMC der viertgrößte Halbleiterhersteller der Welt, obwohl der Konzern keine eigenen Fertigungsmöglichkeiten besitzt. Seit Oktober 2016 plant Qualcomm aber eine Übernahme eines niederländischen Chipproduzenten; damit würde Qualcomm auch große eigene Fertigungsstätten besitzen. Qualcomm ist vor allem am Smartphone-Markt in einer annähernden Monopolstellung, da sie die „System on a Chip“-Module für die meisten Hersteller entwerfen. Versuche Intels, diese Vormachtstellung anzugreifen, waren bislang wenig erfolgreich.

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Limited (TSMC) ist nach Intel und Samsung der drittgrößte Hersteller der Welt. Da sie keine eigenen Designs herstellt, ist TSMC die weltweit größte unabhängige „Foundry“, die Chips und andere Halbleiterprodukte für andere Unternehmen fertigt, die entweder nicht über die nötigen Kapazitäten verfügen, oder gar keine Fertigungsmöglichkeiten besitzen. So fertigen oder fertigten etwa Apple, AMD, Nvidia, Marvell, VIA oder Broadcomm bei TSMC. Auch Qualcomm fertigt öfters seine Chips bei TSMC. Ein weiterer wichtiger Konkurrent im Sektor der Auftragsfertiger wäre mit „Globalfoundries“ mit Werken in Singapur, Chengdu und Dresden zu nennen.

Samsung baut praktisch alles - von der Waschmaschine bis hin zum Hochleistungs-Smartphone. Dafür fertigt der riesengroße Konzern mit unzähligen untergeordneten Unternehmen viele seiner Teile und Chips selbst. Dazu gehört Samsung Electro-Mechanics, das unter anderem Chips für Spielekonsolen, die Automobilindustrie, Digitalkameras, Flachbildschirme oder Smartphones herstellt. Auch Antennen und Kameras stammen aus dieser Fertigung, die knapp 29.000 Beschäftigte einstellt. Damit macht Samsung aber hauptsächlich Qualcomm am Chipmarkt Konkurrenz, während es für Intel hauptsächlich ein wichtiger Partner ist - Samsung fertigt nämlich auch die für PCs so wichtigen Speicherchips, die für Arbeitsspeicher (RAM) und Solid State-Platten nötigt sind.