Zehn Nanometer (nm), fünf Nanometer oder drei Nanometer – diese Zahlen geistern herum, wenn es um die Fortschrittlichkeit von Elektronik geht. Dies betrifft insbesondere die Größenordnungen, in denen Chips hergestellt werden, die zum Beispiel in Handys oder Laptops stecken.
Diese Werte bezeichnen die Strukturgröße und Abstände der elektrischen Schaltteile in den Prozessoren. Je kleiner, desto besser, denn umso leistungsfähiger sind die Schaltkreise. Die Kleinheit gibt den technologischen Stand eines Herstellers wieder. Wer kann solche Strukturen an der Grenze des Sichtbaren produzieren? Handys, Laptops, Mobilfunknetze, autonomes Fahren und Big Data generell könnten ohne die immer leistungsfähigeren kleinsten Schaltkreise nicht funktionieren.
In Miniaturwelten spielt sich ab, was in der großen Welt für immer heftigere Verwerfungen sorgt. Massive Kämpfe um industrielle Vorherrschaft werden um winzige Computerchips geführt. Kein Wunder, entscheidet doch die Fähigkeit, die Kerne moderner Rechner herzustellen, über Wohl und Wehe von Industrienationen. Derzeit wird die Welt Zeuge eines in aller Heftigkeit geführten Kampfes der USA gegen China um industrielle Vorherrschaft. Herstellern wie der holländischen AMSL ist zum Beispiel der Export wichtiger Maschinen, mit denen die kleinsten Chips der Welt hergestellt werden können, nach China seit Neuestem verboten.
Erst wenn Chips fehlen, macht sich deren wirtschaftliche Bedeutung brutal bemerkbar. So konnten Autohersteller Hunderttausende Autos nicht ausliefern, weil die winzigen Chips fehlten, die nicht nur die Unterhaltungselektronik im Auto antreiben, sondern Motoren steuern, Bremssysteme unterstützen und bei einem Unfall in Bruchteilen einer Sekunde entscheiden, ob Airbags ausgelöst werden oder nicht. Die Autoindustrie dürfte der Mangel an Computerchips weltweit rund 60 Milliarden Dollar kosten. Man muss nicht auf den Krieg in der Ukraine verweisen, in dem Fortschritte auf dem Schlachtfeld auch mit fortschrittlicher Mikroelektronik erzielt werden. Winzige Rechner leiten die Raketen zu feindlichen Stellungen.
Sehen kann man die Innereien der Prozessoren kaum mehr. Ein menschliches Haar misst etwa 50 Mikrometer (μm), das sind 50 000 Nanometer. Knüppeldick ist dieses Haar also im Vergleich zu den Strukturen auf einem Computerchip. Ein Protein, das zum Beispiel an der Biosynthese von Cholesterin beteiligt ist, bewegt sich nach Messungen am Paul-Scherrer-Institut in Villigen (Schweiz) in der Größenordnung von zehn Nanometern.
Die besser bekannte DNA, die die menschlichen Erbinformationen enthält, liegt in der Größenordnung von einem Nanometer, also 10 hoch minus 9 Meter. Noch etliche Stufen kleiner sind Atome, deren Durchmesser im Durchschnitt 0,1 Nanometer beträgt.
Sichtbar machen kann man solche Objekte und Strukturen nur noch mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM). Mit einem traditionellen optischen Mikroskop lässt sich noch ein Unterschied von zwei Punkten erkennen, die 0,2 Mikrometer auseinanderliegen, mit einem REM verkürzt sich dieser Abstand auf zwei Nanometer. In diesen Größenordnungen bewegen sich Entwickler und Hersteller von Prozessoren.
Das Maß aller Dinge liegt beim Weltmarktführer TSMC in Taiwan. Die Frage, die die Rechnerwelt bewegt: Wann kommen Chips mit fünf oder gar drei Nanometer auf den Markt und in neue Computer? Je kleiner die Architektur der Chips, desto mehr Transistoren passen auf fingernagelgroße Chips. Zudem werden die Wege deutlich kürzer, die die elektrischen Impulse zwischen den Schaltern zurücklegen müssen. Die Schaltzeiten werden kürzer, der Chip schneller. Faustregel: Je kleiner, desto schneller und vor allem energiesparender ist der Chip.
Millionen Transistoren pro Millimeter
2021 hat IBM einen Durchbruch im Design dieser sogenannten integrierten Schaltkreise vermeldet und einen Prototypen mit 300 Millionen Transistoren pro Millimeter vorgestellt. Da passen dann 50 Milliarden Schaltelemente auf 150 Quadratmillimeter Chipfläche. IBM nennt als Hauptvorteil dieser neuesten Generation, dass man mit solchen hochverdichteten Chips die Akkulaufzeit von Mobiltelefonen vervierfachen könne, weil sie sehr viel weniger Energie verbrauchen.
Solche Strukturen herzustellen ist ein hoch kompliziertes Unterfangen. Das geht nicht mehr mit Leiterplatte, Lötkolben und Spitzzange. Licht ist das entscheidende Werkzeug, um die hauchfeinen Leiterbahnen auf den Wafer (heute meist aus Silizium) aufzubringen und Strukturen unter fünf Nanometer entstehen zu lassen. Sie werden durch eine optische Maske auf die runde Siliziumscheibe belichtet, die mit einem Fotolack beschichtet ist. Die sogenannte Fotolithografie mit solch kleinen Strukturen funktioniert praktisch nur noch mit Strahlung im extrem ultravioletten (EUV) Bereich.
Erst wenn Chips fehlen, macht sich deren Bedeutung brutal bemerkbar.
Plötzlich stehen überall auf der Welt Autofabriken still
Mit dem bekannten sogenannten Deep-Ultraviolet-(DUV-)Licht, mit dem frühere Belichter arbeiteten, geht es schon lange nicht mehr. Dessen Wellenlänge ist viel größer als die Breite einer Leiterbahn auf einem Chip. Sollen aber die Leiterbahnen noch feiner werden, muss auch die Wellenlänge des verwendeten Lichts kleiner sein. EUV liegt bereits an der Grenze von Ultraviolett zu Röntgenstrahlen. Derart kurzwelliges Licht verhält sich daher anders als etwa sichtbares Licht. Es wird bereits von Luft stark absorbiert, die Vorgänge müssen deshalb im Vakuum ablaufen.
Solche Maschinen der Superlative kann derzeit nur ASML in den Niederlanden fertigen. Das Unternehmen in der Nähe von Eindhoven – eine Abspaltung von Philips übrigens – produziert solche EUV-Scanner. Es ist eine niederländisch-deutsche Kooperation. Denn allein die Herstellung der Strahlungsquelle für Licht im EUV-Bereich mit hinreichender Leistung ist eine Leistung der Extreme. Sie kommt vom Lasertechnikspezialisten Trumpf in Ditzingen bei Stuttgart.
Trumpf verfügt über die Technologie, mit der Licht große Stahlplatten zerschneidet wie die Schere ein Papier, und hat sie perfektioniert; was heißt, dass sie die Technik nun auch in extremer Präzision kleinsträumig anwenden können. Die Ditzinger liefern die Kohlenstoffdioxidlaser, ohne die die Chipbelichter von ASML nicht laufen würden. Für Interessierte: Dieser Laserstrahl fällt nicht direkt auf den Wafer. Vielmehr jagt der Laser 50.000 Lichtpulse pro Sekunde auf einen Tropfen Zinn und heizt ihn damit auf etwa 200.000 Grad auf. Der Zinndampf wird dabei ionisiert, die Atome trennen sich von einigen ihrer Elektronen. Das Zinnplasma sendet dann die extrem ultraviolette Strahlung aus, die die fotoempfindliche Schicht auf dem Wafer belichtet.
Technologie made in Germany
Diese Lichtquelle nimmt den Raum unter der Maschine ein. Spiegelsysteme leiten das Licht zur Belichtungsmaske und auf den Wafer mit seiner lichtempfindlichen Schicht. Der Strahl kann nicht mehr mit Linsen, sondern nur mit Spiegelsystemen gelenkt werden. Auch das ist wieder Hochtechnologie. Die Flächen dieser Spiegelsysteme müssen extrem eben sein. Wäre ein solcher Spiegel so groß wie Deutschland, dürfte die höchste Unebenheit maximal einen halben Millimeter betragen.
Diese Präzisionsarbeit leistet Zeiss in Oberkochen. Eine solche Genauigkeit muss man nicht nur herstellen, sondern auch mit geeigneten Messinstrumenten messen können. Zeiss gelang es, sie zu entwickeln.
Als ob diese Vorstöße in die Nanowelten nicht schon rein technisch anspruchsvoll genug wären, müssen die Hersteller damit auch noch Geld verdienen – um die Investitionen in zweistelliger Milliardenhöhe zurückzubekommen. Weltmarktführer TMSC produziert in riesigen Produktionsanlagen, sogenannten Fabs, die Chips herstellen wie eine Brotfabrik Brötchen. Sie müssen extrem schnell sein. Denn nur dann können sie die extrem hohen Kosten wieder einspielen, die die Errichtung einer kompletten Fab kostet (bis zu 20 Milliarden Dollar). Die legendäre Fab 18 von TMSC in Taiwan hat 18 Milliarden Dollar gekostet. Ein Atomkraftwerk könnte man schon für fünf Milliarden bekommen.
Eine solche Anlage muss randvoll ausgelastet sein, damit sie sich rechnet. Noch verdienen die Deutschen mit.
Wer die Technik der aktuellen ASML Chip – Fertigungsline mal in bewegten und erläuternden Bildern sehen und auch bestaunen will dem empfehle ich das you….. mit dem Titel: „The Extreme Physics Pushing Moore’s Law to the Next Level“. Ex-Kollegen arbeiten daran.
Es wundert mich beim durchsehen von Kommentaren immer wieder welch -fast unverholener – HASS auf die USA bei so Manchem erkennbar ist.
Man muss sie ja nicht lieben.
Aber d a s … ???
WO stünden wir O H N E die USA ???
Sie vertreten ihre Interessen!
Das ist N U R ganz normal.
Das Problem ist, dass wir gezwungen werden die USA zu lieben oder zu hassen. Wer auch nur ein par negative Dinge thematisiert ist gleich ein kleiner Russe oder Chinese. Zählt man was positives auf, kommt der gleiche Schei… von der anderen Seite!
Deutschland ist bipolar. So haben es auch unsere Politiker einfacher das Wahlvieh in irgendeine Richtung zu schicken.
Der Mensch ist schon irgendwie witzig…
Die hightec kann zwar nano-chips bauen, damit die „Ackerschnacker“ länger laufen, aber wie die Pflanzen
mit Chlorophyll aus Licht, CO² & Wasser Zucker, bzw. Öl und damit Kraftstoffe herstellen…kann Keiner!
Nicht einmal unsere Photovoltaik ist in der Lage mehr als max. 30% (monokristal.) Licht in Strom umzuwandeln. Wärme schon gar nicht!
Kaputte Knochen werden immer noch zusammengenagelt, Zähne immer noch gebohrt und Krebs mit Chemie bekämpft. Aber mit DNA
als „dual use“ rummurksen.
Komische Errungenschaften…
Nur noch ein Gedankengang zu den 3-5 nm Chips.
Auch hier stößt man bald oder bereits an physikalische Grenzen denn man braucht eine gewisse dicke damit die Elektronen auch in den Leiterbahnen verweilen…
Ich habe Mal gelesen dass der Aufwand von 10nm zu 5 oder 3 enorm sein soll und die Kosten extrem in die Höhe schießen. Auch braucht man für die meisten Geräte keine dieser super kleinen Chips somit ist ein Massenmarkt auch nicht in Sicht. Klar wäre es Klasse wenn das Smartphone 4h länger laufen könnte aber zu welchem Preis…
Die USA bemühen sich gerade darum, dass TSMC eine Chipfabrik in den USA baut. Weiß jemand ob die EU das auch mal ins Auge gefasst hat?
Vor ungefäher 4 bis 8 Wochen kam in einer Elektronikzeitschrift die Information, dass TSMC auch in Dresden eine Chipfabrik aufbauen will.
Der Chipkrieg ist bereits verloren! Wie Herr Douglas bereits erwähnte lohnt es sich nur im großen Maßstab zu produzieren…. Wenn aber der grösste Abnehmer ausgeschlossen wird, dann wird halt weiter nur 14nm produziert… Die Amerikaner sind wie immer unglaublich kurzsichtig und werden sich am Ende wieder eine blutige Nase holen!
Alle unsere großen Probleme basieren auf US-Interessen und der Art und Weise, wie die USA ihre Interessen gegenn uns durchdrücken (z.B.Nordstream 2).
Wir sollten uns den BRICS+ anschließen und dafür den offenen Konflikt mit den USA durchstehen.
Bargeldabschaffung, digital personal ID – den freien Westen gibt es ohnehin nur noch in der Vergangenheit. EU/USA arbeiten mit Hochdruck daran, diktatorischer als China/Russland zu werden.
So schlimm wäre der Konflikt wirtschaftlich garnicht. Rund 6 Milliarden Kunden sowie endlos billigere Energie und Rohstoffe würde es verschmerzen lassen.
Der Wirtschaftskrieg der US wird mittelfristig vielen Laendern schaden, auch vorallem Taiwain und Europa.
Langfristig wird China die Fuehrungsrolle auch auf diesem Tech Sector erlangen. Dies ist der Consensus von mehreren hundert US Physikern und noch mehr Electrical Engineers. Stand Feb 2023……
also read: CHIP WAR: THE FIGHT FOR THE WORLD’S MOST CRITICAL TECHNOLOGY, by Chris Miller
die herausposaunte Ankuendigung von Trallalla von der L., dass sie aus ihrem eigenen Handtaeschen 500 Mia Euronen schuetten wuerde, damit ‚Europa’s Chip Inudstrie ‚Leadershlip‘ erlangen koenne, ist heisse Luft…..
„Was ist genau Europa’s CI“ ??? Die jenige in Osteuropa, Balkan, Portugal, Baltics, Sweden ??? Einzig in NL und Germanistan gibt es welche…….
Und wie funktioniert das bei einem Blackout/Brownout, dessen Wahrscheinlichkeit nach dem 15.4. sprunghaft ansteigt? Faszinierender Bericht, herzlichen Dank!
Der wird nach dem 15.4. noch nicht sofort kommen, erst im Spätherbst/ Winter. Und dann ist der Ausstieg aus der Kernkraft fürs erste schon vergessen.
Ein super Text!
In dem Text wurde nicht erwähnt, dass ASML sich auf gesetzliche Änderungen einstellen muss. Die niederländische Regierung hat angekündigt, ihre Exportregularien denen der USA anzupassen, um zu verhindern, dass die Chips und ihre Herstellertechnik in chinesische Hände geraten.
Dass die Niederländer das nicht so ganz von sich aus tun, ist wohl klar.
Es wird aber am langen Ende nichts nützen, selbst wenn China die Ziele von „Made in China 2025“ (z.B. 70% der Chipbedarfs aus eigener Herstellung decken) vielleicht nicht ganz schafft.
Das geringe Know How, welches wir noch besitzen wird den Osten nicht daran hindern uns zu überflügeln und gerade der Maschinenbau ist noch eine der letzten Bastionen um das nun gekämpft wird und danach gibt es nichts mehr, was wir anbieten könnten, der Geist und der Wille fehlt auch noch und das alles macht uns zum Agrarland und Bürgergeldempfänger, wie einst angedacht und sich nun in der Umsetzung in aller Konsequenz befindet.
Eines haben wir alle nicht bedacht, als wir die Chinesen mit Technologie und Betriebsabläufen ausgestattet haben um dort billig zu produzieren, denn sie waren schlaue Kerlchen und haben es aufgesaugt um sich dabei selbst zu verwirklichen und das werden sie sich nicht mehr nehmen lassen und mal sehen wer am Ende zuerst zu Kreuze kriecht, da muß man nicht mehr lange raten, wenn man diese Quantensprung sehen kann und die Nanoteilchen sind ein Teil des Puzzles, während der Ausverkauf bei uns schon lange stattfindet und die Amis wenigsten noch erkennen, etwas zu retten, was noch zu retten ist.
Gestern verkündeten sie noch voller Freude, daß in der deutschen Textilindustrie ein neuer Tarifabschluß zustande gekommen ist und vergessen dabei mitzuteilen, daß es sich nur noch um eine Resterampe handelt, denn die hatten mal über eine Million Mitarbeiter und eine Weltgeltung in der Zulieferindustrie und heute noch um die 120 000 Tsd. herum und erwirtschaften gerade mal zusammen noch ca. 28 Milliarden EUR und setzen sich nur noch aus mehr oder weniger unbedeutenden Größenordnungen zusammen und gerade in dieser Branche war der Aderlaß extrem, was heute andere auf der Welt in der Hand haben und allenfalls noch die Maschinenbauer partizipieren, der verarbeitende Teil ganz bestimmt nicht mehr.
So wurde zusammen mit vielen anderen wichtigen Gewerken die Vormachtstellung der Deutschen im Laufe der letzten 50 Jahre systematisch geschreddert und nun müssen sie aus der Not heraus den Leuten was vorlügen um sie nicht zur Verzweiflung zu bringen, denn eines ist sicher, es werden weitere Schlüsselbranchen auswandern und das sind nur noch ganz wenige und damit sind wir als Industriestandort erledigt und man muß sich die Frage stellen, mit was dann unsere Ansprüche bedient werden sollen, denn damit schneiden wir uns selbst ins Fleisch und die anderen wird es freuen, können sie dabei noch mehr punkten und Europa wird zum Armenhaus, wie es Kissinger in den siebziger Jahren schon formuliert hat.
Hochinteressanter Bericht! Danke dafür.
TSMC: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company
Man sagt ja auch nicht BWM, sondern BMW.
Zeiss ist keine AG, Trumpf auch nicht.
Wie war das noch mit der Globalisierung? Richtig. Sie ist Sklaverei, denn das Geld ist „futschi“.
Toll, dass es in Europa noch Technikinnovationen auf höchstem Weltniveau gibt.
Solange Taiwan die Fertigungsprozesse der Chips auf dem höchsten Niveau beherrscht, wird es von den US beschützt werden.
Aber ich habe Zweifel, ob Hochtechnologiefirmen wie Trumpf und Zeiss mit einer unzuverlässigen Politik, insbesondere der Stromversorgung in Deutschland auf die Dauer klarkommen.
Solange Hochtechnologie in den Augen der Rot-Grünen Teufelswerk darstellt, wird es zunehmend schwierig.
Der Artikel als Beschreibung von Chipproduktionstechnologie erfüllt die Überschrift zum Chipkrieg nicht.
Interessant wäre, wo welche Kombattanten konkret technisch stehen und was, abgesehen von den Spitzenprodukten, in verschiedenen Branchen gängiger, unverzichtbarer Standard ist? 5 oder 3 nm sind eine große Nummer, aber in vielen Produkten werden die ja noch längst nicht benötigt.
Tja, wenn es um Spitzentechnologie geht braucht man den Artikel gar nicht mehr lesen, um zu wissen, dass Deutschland da höchstens eine Nebenrolle spielt:
Es ist immer so. Für den Airbus liefert Deutschland irgendwelche Teile. Einen bauen können nur die Franzosen. Deutschland liefert irgendwelche Fassadenteile für die Wolkenkratzer für irgendein Emirat.
Es ist kurzsichtig zu glauben, dieses Lieferverbot (es komt mit Sicherheit aus den USA?) würde auf Dauer das Problem lösen. Nein, denn die Chinesen und Inder werden diese Technologie früher oder einfach selber herstellen. Und dann sind „unsere“ Kunden futsch. Chips produzieren können wir ja auch schon nicht (fast) mehr. Zu viel Regulierung, zu viel Bürokratie, zu wenig Know-How, Energie zu teuer. Das Polysilizium oder das Reinstsilizium für Solarzellen und CHips wird mittlerweile im Ausland produziert, weil der dafür benötigte Strom hier zu teuer wurde. Wacker – der einst größte Produzent ist in Schwierigkeiten.
Nein, diesen „Chipkrieg“ werden „wir“ nicht gewinnen, wir haben ihn bereits verloren. Verloren, durch alles, was hier jahrelang angesprochen wurde. Aber vor allem aber durch linksgrüne Dummheit, Selbsthass und Arroganz.
Meine Prognose: In 3-5 Jahren haben die das aufgeholt. Es wird eine „nationale Kraftanstrengung“ geben und das war’s dann für „euch“. Die Auswirkungen werden aber noch viel krasser sein – schließlich hat „man“ weltweit festgestellt, dass man nicht nur die Chips, sondern auch andere Dinger besser selber herstellt, da „der Westen“ mit seinem Menschenrechts- und Ökogedöns als Partner höchst unzuverlässig ist. Ähnliches auch bei den russischen und weltweiten sonstigen „Oligarchen“ und Unternehmen: Keiner wird nach den Beschlagnahmungen mehr in einem „westlichen“ Land sein Geld anlegen oder eine Yacht bauen lassen, oder auch nur einen Hafen anlaufen. Volltreffer ins eigene Knie.
Die Technik wird ja interessant beschrieben, aber worum genau streiten nun anscheinend DE, NL, USA, PRC etc., mit welchen ggf. unterschiedlichen Ambitionen, Protektionsmaßnahmen, Erfolgsaussichten etc.???
Naja, traditionell ist bspw. DE schon mal weder interessiert noch fähig, objektive Interessen strategisch zu verfolgen. Speziell für den hiesigen Bereich habe ich aufgeschnappt, dass z.B. NL lieber (weiter) Geschäfte mit der PRC gemacht hätte. Die USA hingegen hätten „Druck“ gemacht, was auch immer das im Verhältnis zu NL konkret bedeutet. Ganz so schlicht ist es also nicht.
Habeck kann nur Windpropeller, Baerbock hat’s mit den Kobolden. Die werden es auch noch schaffen, diese Restjuwelen deutscher Schaffenskraft zugrunde zu richten.
Man möchte sich fast zurücksehnen nach dem Champignonzüchter Altmaier. Betonung auf „fast“.
Diese Hochtechnologie ist nur noch was für den Export, denn für den Ausbau von 5G-Netzen, den Cloud- und Streamingdiensten, sowie der umstrittenen Verkehrswende und dem Wärmepumpenwahnsinn, wird uns in Deutschland bald die Energie ausgehen. Der Energiemangel könnte allein schon daran scheitern, dass die Kupfervorkommen begrenzt sind und man nicht wie die Wahnsinnigen Zehntausende Windgeneratoren bauen kann. Falls die Industrie nicht von allein auf die Idee kommt abzuwandern, werden es die fähigen Köpfe tun. So ein Wernher von Braun hat schließlich auch eine ganze Nation in den Orbit geschickt, ohne dass Peenemünde an den Mississippi River verlegt werden musste.
Ist bei uns doch so gewünscht…..die „böse“ Technologie….das ist alles nur überflüssinger Konsum. Die Kids sollen wieder mit nachhaltigen Holzspielzeug spielen, statt mit Handy und Co. Und wofür auch Technologie….wenn wir wie im China der 70er bald mit Blaumann und Fahrrad aufs Feld fahren und dort jäten und ackern (natürlich ohne böse Maschinen oder gar Tieren….den Pflug zieht dann der böse alte weiße Mann).
Darum kaufen (probieren) die chinesen und andere diese unternehmen auch auf bzw deren wissen. Würde mich also nicht wundern wenn diese „industrie“ hier auch bald verschwunden ist.
…und die USA versuchen sie in ihr Land zu locken, indem die deutsche Industrie von preisgünstigem Gas abgeschnitten wird?
So leicht (wie früher einmal) ist es nicht, diese absoluten front-end Technologien zu kopieren.
Heute werden – nur beispielsweise – „Verfahren“ in zig einzelne Patente zerstückelt … falls Letztere überhaupt angemeldet werden.
Siehe auch die Halbwertszeit so mancher Patente in heißen Bereichen. –
Und:
Nicht selten sind „Verfahren“ von nicht einmal dokumentiertem Wissen u.Können weniger einzelner Personen abhängig. –
ja hat man auch damals gesagt als die chinesen hier werke abgebaut und mitgenommen haben….die könnten die ja gar nicht bedienen usw….war ein irrtum