Asset Management – Aktien Thematic Insights: Robotik und Automatisierung

Wer hat all die Chips gegessen? 

Zweifelsohne sind Ihnen in den Nachrichten der letzten Zeit Schlagzeilen über die aktuelle weltweite Knappheit an Chips begegnet. Viele werden bei «Chips» wohl an die gute, alte Kartoffel denken. Nur wenige werden innehalten und einen Zusammenhang mit der Welt der Technologie und der «Halbleiter-Chips» (auch: «integrierte Schaltungen») sehen, die das elektronische Rückgrat zahlreicher grosser Trends unserer Zeit darstellen. Digitalisierung, autonomes Fahren, künstliche Intelligenz – all das wäre ohne diese Art von Chips nicht denkbar. Die Kapazitäten von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen haben sich zwischen 2012 und 2019 alle 3,4 Monate verdoppelt[1], und einen grossen Anteil an dieser Wachstumsrate haben Halbleiter. Unser goldenes Technologiezeitalter kann nur mithilfe einer riesigen Menge an Chips erstrahlen, die in einer enormen Bandbreite an Geräten verbaut sind. Für uns als Verbraucherinnen und Verbraucher ist die bequeme Nutzung unserer intelligenten Geräte mittlerweile selbstverständlich, doch hinter diesen faszinierenden kleinen Chips, welche die digitale Welt von heute überhaupt erst ermöglichen, steckt ein hochtechnischer und hochgradig automatisierter Herstellungsprozess. Dieses Thematic Insight beschäftigt sich mit der Halbleiterausrüstung, der Grundzutat der Halbleiterindustrie.

Was ist ein Halbleiter?

Ein Halbleiterchip (bzw. eine integrierte Schaltung) ist ein elektronischer Schaltkreis, der auf einem «halbleitenden» Material aufgebracht ist. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials liegt zwischen der eines starken Leiters (Kupfer) und der eines Isolierstoffs (Kautschuk). Durch das Hinzufügen anderer Elemente kann die Leitfähigkeit beeinflusst werden.

Hierfür hat sich Silizium als das am besten geeignete Material erwiesen. Es ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste (27,7 %)[2] und ein Bestandteil von Sand. Reine Siliziumblöcke, sogenannte Ingots, werden in Scheiben, sogenannte Wafer, zerteilt, auf denen die Chips entwickelt werden. Der Name Silicon Valley – «silicon» ist das englische Wort für Silizium – geht auf die bahnbrechende Arbeit auf dem Gebiet der Halbleiter zurück, die im Santa Clara Valley im US-amerikanischen Kalifornien geleistet wird.

Die Wurzeln heutiger Halbleiter können bis auf das Jahr 1947 zurückverfolgt werden, in dem Bardeen, Brattain und Shockley bei Bell Labs in New Jersey den Transistor entwickelten. 1959 wurde der Transistor «abgeflacht» und darauf aufbauend ein Fertigungsprozess in der sogenannten Planartechnik geschaffen. Noch im gleichen Jahr entwickelten Kilby und Noyce eine «integrierte Schaltung», mit der mehrere elektronische Bauelemente auf einem einzigen Chip eingesetzt werden konnten.^[3] Diese bahnbrechenden Entwicklungen waren die ersten Schritte auf dem Weg zur Massenproduktion von integrierten Schaltungen. 

Von damals bis heute

1964 enthielt der Chip mit der grössten sogenannten Integrationsdichte gerade einmal 64 Transistoren. 2020 enthielt der Chip A14 Bionic des iPhone 12 stolze 11,8 Milliarden Transistoren, auf einem gerade einmal 88 mm² grossen Chip.[4] Das ist eine erstaunliche Anzahl an Bauelementen auf einer Fläche mit der Grösse eines Fingernagels, und der Zenit ist noch lange nicht erreicht.

Abbildung 1: Im Zeitalter der AIoT[5] steckt mehr Intelligenz als je zuvor

Quellen: Credit Suisse, mit freundlicher Genehmigung von ASML (ASML, E-Mail, [PowerPoint], 21. Mai 2021)

Wie ist das möglich? 

1965 stellte Gordon Moore fest, dass sich die Anzahl der Transistoren auf den von Fairchild Semiconductor gebauten Chips offenbar alle zwei Jahre in etwa verdoppelte.[6] Diese Zuwachsrate wurde als das Mooresche Gesetz bekannt. Es ist von zentraler Bedeutung für die Erzeugung von Rechenleistung. Im Wesentlichen besagt es, dass die Industrie die Rechenleistung pro Chip verdoppeln kann. Um dies zu ermöglichen, werden mit jeder erreichten technologischen Neuerung – den sogenannten Knoten, wie sie in der Branche genannt werden – alle Bauelemente kleiner. Die Knotengrösse wird mittlerweile vielfach als Marketingbegriff verwendet, kann aber dennoch als Indikator für die kleinste Strukturgrösse auf dem Chip herangezogen werden. In den frühen 1960er Jahren wurden Chips mit dem 50-Mikrometer-Knoten (0,000’05 m) gefertigt. Die Chips im aktuellen iPhone 12 wurden mit dem 5-Nanometer-Knoten (nm, 0,000’000’005 m) gefertigt. Ein Transistor in diesem Chip ist etwa 25 Atome breit.[7] Stellen Sie sich vor, welche technologische Komplexität diese Chips in Bereichen wie Entwicklung, Fertigung, Prüfung und Packaging mit sich bringen! 

Die Fabrikhalle: ein Spielplatz für die Automatisierung

Halbleiterchips werden in Fabriken, kurz «Fabs», gefertigt, und zwar auf Wafern aus Silizium. Die «GigaFABs» von TSMC können pro Monat mehr als 100’000 Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm produzieren.[8] Erinnern Sie sich an unseren 88 mm² kleinen iPhone-Chip A14 Bionic? Von diesen Chips kann eine «GigaFAB» 80 Millionen Stück pro Monat produzieren. Ein Produktionszyklus erstreckt sich über etwa vier Monate, was bedeutet, dass sich in der Fabrik zu jedem Zeitpunkt 400’000 Chips in Produktion befinden. Bis zum fertigen Chip sind zahlreiche Arbeitsschritte zu durchlaufen. Die ganze Zeit über gehen Daten bei der Software zur Auftragssteuerung ein. In dieser automatisierten Welt können wir den Vorgang herunterbrechen und betrachten, wie viel Automatisierung innerhalb einer Minute zum Einsatz kommt (siehe Abbildung). So beginnt beispielsweise jede Minute für 2,31 Wafer die Produktion und 240 Prozessschritte werden abgeschlossen.

Abbildung 2: Was passiert innerhalb einer Minute in einer Gigafab?

Quellen: Credit Suisse, Alan Weber, 8. Oktober 2018. The Gigafab Minute and SEMI Standards: A Modern Miracle | SEMI

Welcher Schritt ist der wichtigste?

Die korrekte Antwort lautet natürlich, dass alle Schritte wichtig sind, doch bei den Technologieknoten von 5 nm und darunter fällt der Lithografie die entscheidende Rolle zu. Vereinfacht ausgedrückt setzt sich die Fertigung aus den folgenden Schritten zusammen: Auftragen von Materialschichten auf den Wafer, Aufbringen eines Fotolacks, Strukturierung des Wafers mittels Lithografie, Ätzen der Chip-Merkmale auf die Struktur und Einbringen von weiteren chemischen Elementen in das Silizium. Die Fertigung eines Chips kann hunderte Prozessschritte umfassen. Hinzu kommt, dass der Innenaufbau und die Reinheit des Gebäudes eine zentrale Rolle spielen. Bereits ein einziges Staubpartikel auf der Linse kann zur Katastrophe führen. Es zerstört das Strukturmuster für hunderte Wafer – ein teurer Lapsus. Aus diesem Grund stellen Fabriken ein streng kontrolliertes Umfeld dar mit sehr hohen Anforderungen an die Luftqualität, die bis zu 10’000-mal reiner sein muss als die Aussenluft.[9] 

Die Lithografie in der Halbleitertechnik ähnelt in gewisser Weise einem (komplexen) fotografischen Vorgang. Um das korrekte Strukturmuster auf den Wafer zu übertragen, wird jeder einzelne Die (Chip) auf dem Wafer mithilfe einer Maschine, einem sogenannten Stepper, durch eine Maske hindurch belichtet. Die Maske ist das Negativ aller Bauelemente auf dem Chip und der Stepper wandert von Die zu Die, bis der gesamte Wafer belichtet wurde.[10] Mit dem 7-nm-Knoten wurde dieser Vorgang so kompliziert, dass ein neuer Ansatz gefunden werden musste.

Lithografie mit extrem ultravioletter Strahlung (EUV) – der neue Ansatz

Abbildung 3: Beispiel eines EUV-Lithografie-Systems

Quelle: ASML (2021): EUV lithography machines | ASML - Supplying the semiconductor industry, Zugriff am 16. Juni 2021

Kleine Zinntropfen schiessen mit einer Geschwindigkeit von 70 Metern pro Sekunde aus einem Generator. Laser plätten die Tropfen und lassen sie zu Plasma verdampfen, das EUV-Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 nm (UV-Licht: 365 nm) abstrahlt. Dieser Vorgang muss 50’000-mal pro Sekunde erfolgen, damit die Strukturübertragung auf den Wafer gelingt.[11] 20 Jahre lang hat das niederländische Unternehmen ASML an der Umsetzung dieses Konzepts in die Realität gearbeitet – mit Erfolg.

Abbildung 4: EUV TWINSCAN NXE:3400C – einige interessante Fakten

Quelle: ASML (2021); mit freundlicher Genehmigung von ASML (ASML, E-Mail, [PowerPoint], 21. Mai 2021)

Für das Ausrüstungsökosystem eröffnet das EUV-Verfahren die Opportunität neuer Prozesse, neuer Prüftools, einer Anpassung der Chip-Architektur sowie neuer Materialien. Die Skalierung auf 5 nm und darunter bringt eindeutig Herausforderungen mit sich, doch gerade diese Innovationskultur und der unbedingte Wille, dem Mooreschen Gesetz weiter treu zu bleiben, haben diesen beeindruckenden technologischen Fortschritt in der Halbleitertechnik ermöglicht. Schon seit Längerem wird vom Ende des Mooreschen Gesetzes gemunkelt. Nichts währt ewig, doch dank der EUV-Technik wird die Entwicklung auch im nächsten Jahrzehnt noch in die gewünschte Richtung gehen und dabei das gesamte Ausrüstungsökosystem mitnehmen.

Produktion von Halbleitern: Säkular und strategisch

Abbildung 5: Wichtigste US-Exporte 2019

Quelle: Semiconductor Industry Association (2021). 2020 State of the US Semiconductor Industry Report. Zugriff am 27. Mai 2021. Foto mit freundlicher Genehmigung des SIA.

Geopolitik – Produktion und Lieferketten zurück ins Land holen

Halbleiter stellen eine strategische Anlage dar. Die USA verfügen über führende Technologie. Über 16 % des Halbleiterumsatzes werden in den USA in Forschung und Entwicklung investiert,[12] so viel wie in keinem anderen Land der Welt. Und doch sind die USA in eine Abhängigkeit von den Produktionskapazitäten in Asien geraten. Wie die Financial Times jüngst berichtete,[13] ist der Anteil der USA an der Halbleiter-Produktionskapazität von 37 % im Jahr 1990 auf 12 % im Jahr 2020 gefallen. Der Anteil Europas sank im gleichen Zeitraum von 44 % auf 9 %. 

«Semiconductors and Advanced Packaging. The United States is the birthplace of this technology, and has always been a leader in semiconductor development. However, over the years we have underinvested in production—hurting our innovative edge—while other countries have learned from our example and increased their investments in the industry.»[14]

Es ist damit zu rechnen, dass von der Regierung künftig mehr Anreize für die Investition in Produktionsanlagen geschaffen werden. Mehrere Anlagen in verschiedenen Ländern aufzubauen, stellt zwar keinen effizienten Einsatz von Mitteln dar, wie der CEO des Herstellers für Lithografieausrüstung ASML bei der Veröffentlichung der Ergebnisse für das 1. Quartal 2021 feststellte, aber: [...] well there is a beneficiary of capital inefficiency, and that’s us.»[15]

Es geht nicht nur um die neueste Spitzentechnologie

Die fälschliche Vorstellung, dass sich alles um die Entwicklung und Produktion der neuesten Chips dreht, ist zunächst verständlich. Doch Fortschritt am «Front-End» muss auch an anderer Stelle gespiegelt werden. Insbesondere eröffnet er dem «Back-End» die Möglichkeit, erheblichen Wert in den Prozess einzubringen. Die fertigen Chips erfordern ein entsprechendes «Packaging» (die sog. Aufbau- und Verbindungstechnik), das dafür sorgen sollte, dass sie nach dem Einbau in ein Gerät ihr volles Leistungsvermögen entfalten können. In diesem Zusammenhang sind innovative Packaging-Lösungen gefragt. Es ist davon auszugehen, dass führende «Front-End»- und «Back-End»-Akteure künftig noch stärker zusammenarbeiten werden. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist das Joint Venture von Applied Materials mit dem Advanced-Packaging-Unternehmen BESI Semiconductor. Älteren Knoten (28 nm und mehr) fällt angesichts des steigenden Bedarfs an Datensammlung und -analyse eine wichtige Rolle zu. Daher wird die Ausrüstungsnachfrage wahrscheinlich eine starke Unterstützung abseits der neuesten und herausragendsten Entwicklungen erfahren. Ein weiteres interessantes Gebiet ist das automatisierte Testen. Hier gehört beispielsweise Teradyne zu den wichtigen Akteuren. Das Ökosystem der Halbleiterbranche schliesst des Weiteren Anbieter von Electronic Design Automation mit ein, welche die Software für den Entwurf der Chips liefern.

Ein Ausblick

Ein Abebben des Bedarfs an Rechenleistung ist auf absehbare Zeit nicht zu erwarten. Die sogenannte Gompertz-Funktion, ein mathematisches Modell, legt nahe, dass wir uns erst in der Anfangsphase der Produktion von Siliziumtransistoren befinden. Diesem Modell zufolge wird die Wachstumsrate von Siliziumtransistorlieferungen bis 2038 weiter steigen und erst 2050 ihren Höhepunkt erreichen.[16] Derartige Modelle sind mit Vorsicht zu betrachten, machen aber deutlich, dass die Branche noch viel Wachstumspotenzial bietet.

Ein modernes Smartphone verfügt über etwa die 100’000-fache Rechenleistung des Rechners, der die Apollo-Missionen zum Mond navigierte.[17] Neue Anwendungen lassen Innovationen, neue Unternehmen und neue Lösungen entstehen. An einem solchen Punkt befinden wir uns: Das Zeitalter der Digitalisierung und der Datenerzeugung wird wahrscheinlich bedeutende neue Anwendungen hervorbringen. Ein Beispiel: Viele Softwareunternehmen nehmen derzeit Machine-Learning-Algorithmen, die viel Rechenleistung beanspruchen, in ihr Angebot auf, damit Rechner und Roboter mit der erforderlichen «Intelligenz» ausgestattet werden können, um riesige Datensätze zu analysieren und hilfreiche Prognosen zu erstellen; beispielsweise zu den Fragen, wann ein entscheidendes Bauteil ausfallen könnte, wie Energie in einem Netz gelenkt werden sollte oder auch um bestimmte Teile in einer Kommissionieranlage zu erkennen. Echtzeitanwendungen wie das autonome Fahren lassen keinerlei Spielraum für Verzögerungen bei der Datenbereitstellung oder der Reaktion des Systems zu. Die gesamte Hardware im System muss über deutlich mehr Rechen- und Speicherleistung verfügen. Dies stellt sowohl Logikchip- als auch Speicherchip-Entwickler vor die Herausforderung, neue Lösungen zu schaffen. Ausrüstung, die in der Lage ist, neue Chips jeglicher Art zu produzieren, wird auch zukünftig Investitionen anlocken.

Fazit

Wir sind von dem Thema Robotik und Automatisierung als langfristige Anlagechance überzeugt. Dies basiert darauf, dass wir einen rasanten Anstieg an Innovationen, zunehmend vielfältigere Anwendungsfälle und Anwendungen sowie eine grosse Anzahl von neuen Unternehmen beobachten, die auf den Markt kommen.

In diesem Thematic Insight haben wir einen Markt unter die Lupe genommen, der rein zeitlich betrachtet zwar nicht mehr zu den Jüngsten zählt, der aber einen entscheidenden Beitrag für die Entwicklung der Technologien von morgen liefert. Halbleiter sind ein zentraler Baustein für Lösungen im Bereich Robotik und Automatisierung und werden mit hochkomplexer, automatisierter Produktionsausrüstung gefertigt. Die Nachfrage dürfte mit der zunehmenden Durchdringung der Gesellschaft mit Digitalisierung, künstlicher Intelligenz, autonomem Fahren und industriellem Internet der Dinge weiter steigen. Darüber hinaus greifen auch die Regierungen angesichts der strategischen Bedeutung von Halbleitern unterstützend ein, um die eigene Versorgung sicherzustellen. Zu diesem Zweck fördern sie die geografische Streuung von Fertigungsstätten für Halbleiter. 

Halbleiterausrüstung ist bereits heute ein beeindruckendes Beispiel für extrem ausgereifte automatisierte Produktionsanlagen. Wir gehen davon aus, dass mit dem Vordringen der Branche in komplexe Strukturen auf atomarer Ebene noch mehr Innovation aufkommen wird und noch leistungsfähigere Chips produziert werden können. 

Credit Suisse Asset Management hat eine Reihe von stark fokussierten Strategien entwickelt, um Kunden ein «Pure Play»-Engagement in überzeugende langfristige Wachstumsthemen zu bieten, beispielsweise Robotik und Automatisierung, Schutz und Sicherheit, digitales Gesundheitswesen, Edutainment und Environmental Impact.

Julian Beard, CFA, Senior Portfolio Manager, Credit Suisse Asset Management Thematic Equities