Chips: Wie werden sie in ihrer Entwicklung blockiert? Die neueste Einschätzung der USA.

Die amerikanische SIA hat in einem kürzlich veröffentlichten Bericht erklärt, dass Halbleiter für die Wirtschaft und die nationale Sicherheit der Vereinigten Staaten von entscheidender Bedeutung sind und eine breite Palette von Anwendungen unterstützen, von Smartphones und KI-Infrastruktur bis hin zu medizinischen Geräten, Automobilen, Fertigungsanlagen und Verteidigungssystemen.

Seit Jahrzehnten hat das hochvernetzte globale Lieferkettennetzwerk amerikanischen Chipherstellern geholfen, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistung stetig zu verbessern. Dennoch haben die jüngsten neuen Herausforderungen die Schwachstellen in den globalen vorgelagerten Lieferketten offengelegt, die das amerikanische Halbleiter-Ökosystem stützen – dies unterstreicht die Dringlichkeit sofortiger Maßnahmen zum Aufbau einer vertrauenswürdigen und zuverlässigen Lieferkette sowie zur Verringerung strategischer Abhängigkeiten.

In dem Bericht strukturiert die SIA die Kategorien der Schlüsselmaterialien und -geräte, die in der amerikanischen Halbleiterproduktion verwendet werden, deckt die gefährdeten Schwachstellen der Lieferkette mit Unterbrechungsrisiken auf und skizziert die wichtigsten Maßnahmen, die zur Stärkung der amerikanischen Halbleiterlieferkette erforderlich sind.

Wichtige Erkenntnisse:

1. Die Halbleiterlieferkette weist eine mehrstufige Struktur auf und ist geografisch stark verteilt.

Der Halbleiterherstellungsprozess dauert mehrere Monate und erfordert die Beschaffung verschiedener Materialien, Geräte und Komponenten von mehrstufigen Lieferanten aus der ganzen Welt. Obwohl 95 % der Geräte und Materialien im Wert von etwa 27 Milliarden US-Dollar, die von amerikanischen Halbleiterunternehmen verbraucht werden, von Lieferanten mit Hauptsitz in den USA, Europa und Japan stammen, findet die tatsächliche Herstellung dieser Einsatzgüter weltweit statt.

2. Die Geräte und Materialien, die für die Halbleiterproduktion in den USA benötigt werden, hängen von Schwachstellen ab, die tief im vorgelagerten Bereich der globalen Lieferkette verborgen sind.

Viele der primären (Tier-1-)Einsatzgüter, die in der Halbleiterproduktion verwendet werden, hängen ihrerseits von nachgelagerten Rohstoffen und Systemunterkomponenten ab, die einem hohen Risiko von Lieferunterbrechungen ausgesetzt sind. Diese tief in der vorgelagerten Lieferkette verborgenen Schwachstellen verschärfen die Risiken für das Halbleiter-Ökosystem der Vereinigten Staaten und ihrer Partnerländer.

3. Die Gewährleistung der Sicherheit der Halbleiterlieferkette erfordert eine Reihe von Minderungsstrategien.

Um eine robustere Halbleiterlieferkette zur Unterstützung des amerikanischen Halbleiter-Ökosystems aufzubauen, sind koordinierte Maßnahmen von Regierung und Industrie sowie die Zusammenarbeit mit gleichgesinnten globalen Partnern und Verbündeten erforderlich. Die US-Regierung und die Industrie sollten sich für die Umsetzung folgender Strategien einsetzen:

Ausweitung der inländischen Produktion und strategischen Reserven. Obwohl es weder praktikabel noch wirtschaftlich sinnvoll ist, alle für die Halbleiterproduktion erforderlichen Materialien und Geräte vollständig in das Inland zu verlagern, ist der Aufbau oder die Erhöhung der inländischen Produktionskapazitäten für mehrere wichtige Einsatzfaktoren eine machbare und entscheidende kurzfristige Strategie. Für andere Faktoren kann der Aufbau neuer Produktionskapazitäten in den USA zehn Jahre oder länger dauern, gefolgt von zusätzlicher Zeit für die Qualifizierung der Materialien für die Halbleiterproduktion. Die Regierung sollte eng mit der Industrie zusammenarbeiten, um Ziele für die lokalisierte Produktion und strategische Reserven zu identifizieren und voranzutreiben.

Aufbau und Pflege von Lieferketten zwischen Verbündeten. Die Lieferkette, die das amerikanische Halbleiter-Ökosystem stützt, ist von Natur aus global. Die Aufrechterhaltung und Festigung stabiler Handelsbeziehungen mit verbündeten Ländern und Regionen sowie Investitionen in komplementäre Lieferkettenkapazitäten sind von entscheidender Bedeutung, um die Widerstandsfähigkeit des amerikanischen Halbleiter-Ökosystems zu stärken.

Verringerung der Abhängigkeit von unzuverlässigen Quellen für Seltene Erden und kritische Mineralien. Jüngste Beschränkungen für den Export kritischer Mineralien und Seltenerdelemente unterstreichen die dringende Notwendigkeit, neue Bergbau- und Verarbeitungskapazitäten in den USA und Partnerländern/Regionen aufzubauen. Koordinierte Maßnahmen (z. B. langfristige Abnahmevereinbarungen) sind von entscheidender Bedeutung, um die Nachfrage nach neuen Produktionskapazitäten für kritische Mineralien aufrechtzuerhalten.

Erhöhung der Investitionen in Forschung und Entwicklung. Die Regierungen der USA und ihrer Partnerländer/Regionen sollten die Finanzierung für Forschung und Entwicklung in den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie und Ingenieurwesen erhöhen und kontinuierlich bereitstellen, um die nächste Generation von Halbleitermaterialien und Recyclingverfahren zu entwickeln.

Der Aufbau einer vertrauenswürdigen und zuverlässigen Lieferkette zur Unterstützung des amerikanischen Halbleiter-Ökosystems erfordert eine kontinuierliche Koordination und Zusammenarbeit zwischen Regierung, Industrie und internationalen Partnern.

Die Schlussfolgerungen dieses Berichts tragen dazu bei, das Risiko zukünftiger Lieferkettenunterbrechungen zu verringern, wichtige Lieferkettenpartnerschaften zu festigen und die Führungsposition der Vereinigten Staaten im Chipherstellungsbereich langfristig zu stärken.

Einleitung

Halbleiter sind der Grundstein und der entscheidende Ermöglichungsfaktor für alle Branchen und aufstrebenden Technologien, die die wirtschaftliche Entwicklung der Vereinigten Staaten vorantreiben. Ob es sich um hochmoderne Logikchips, analoge und Mixed-Signal-Chips, Halbleiterbauelemente aus Verbindungshalbleitern oder Speicherbauelemente handelt, ihr Herstellungsprozess dauert oft mehrere Monate, umfasst mehrere grenzüberschreitende Transporte und hängt von einer präzise koordinierten, hierarchisch strukturierten Lieferkette mit hochspezialisierten Materialien und Geräten ab. Nur wenn die Versorgung mit diesen Kategorien von Gütern pünktlich und in ausreichender Menge gewährleistet ist, kann die Nachfrage der Branche gedeckt werden – deren weltweiter Umsatz wird voraussichtlich 2026 über 1,5 Billionen US-Dollar übersteigen.

Wie das US-Handelsministerium in dem 2023 veröffentlichten Bericht „Bewertung der Grundlagen der amerikanischen Mikroelektronikindustrie“ feststellte, erfordert die Halbleiterfertigung „Hunderte verschiedener Materialien mit extrem hohen Qualitätsanforderungen“, und „die Aufrechterhaltung einer robusten lokalen Halbleiterfertigungsbasis ist ohne eine leistungsstarke Materialversorgungskette, die regionalen oder unternehmensspezifischen Schocks standhalten kann, nicht möglich“. In den letzten Jahren wurde die globale Lieferkette, die die Halbleiterindustrie stützt, wiederholt gestört – verursacht durch Naturkatastrophen, die COVID-19-Pandemie, Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage sowie verschiedene Maßnahmen der Regierungen (siehe Abbildung 1). Da Unternehmen in den Aufbau lokaler Halbleiterfertigungskapazitäten in den USA investieren, werden die entscheidenden Schwachstellen in der vorgelagerten Lieferkette zunehmend Anlass zur Sorge gegeben – diese Risiken könnten den Expansionsprozess behindern und Projektverzögerungen verursachen.

Einige Versorgungsanfälligkeiten (wie das Problem der Seltenen Erden) sind weithin bekannt; andere scheinbar risikoarme Materialabhängigkeiten können jedoch Schwachstellen aufweisen, die tief in der vorgelagerten Lieferkette verborgen sind und oft erst bei Lieferunterbrechungen offenbar werden. Um die tiefgreifenden Schwachstellen der globalen Lieferkette zu bewältigen, die die amerikanische Halbleiterindustrie stützt, müssen Branchenführer und politische Entscheidungsträger zunächst klären, welche Lieferkettenabhängigkeiten das größte Risiko darstellen.

Aus diesem Grund arbeitet die Semiconductor Industry Association (SIA) mit den Verantwortlichen für Beschaffung, Lieferkette und Strategie von Unternehmen im gesamten Halbleiter-Ökosystem zusammen – darunter Chiphersteller, fabless-Chipdesignfirmen, Backend-Paketierungsunternehmen, Gerätehersteller und Materiallieferanten – um eine nicht erschöpfende Erfassung und Abbildung der vorgelagerten Lieferkette durchzuführen, die die Chipindustrie stützt. Das Ziel besteht darin, folgende Fragen zu beantworten:

Welche vorgelagerten Einsatzfaktoren stellen dem amerikanischen Halbleiter-Ökosystem schwerwiegende Schwachstellen dar und warum?

Welche Materialien und Geräte, die in der Halbleiterproduktion verwendet werden, hängen ihrerseits von Lieferketten mit Schwachstellen ab?

Welche Maßnahmen können Regierung und Branchenbeteiligte ergreifen, um diese Schwachstellen zu mindern und eine widerstandsfähigere Lieferkette zur Unterstützung der Entwicklung des amerikanischen Halbleiter-Ökosystems aufzubauen?

Quantifizierung von Schwachstellen

Lieferkettenabhängigkeit bezieht sich auf Lieferanten, Materialien, Geräte und Dienstleistungen, auf die sich die Teilnehmer der Halbleiterindustrie stützen, um ihre Design- und Fertigungsaktivitäten zu unterstützen. „Schwachstellen“ sind die Schwachstellen im Netzwerk dieser Lieferanten und Einsatzgüter, die einem höheren Risiko von Lieferkettenunterbrechungen, missbräuchlicher Ausnutzung und/oder politischen Schocks ausgesetzt sind. Obwohl jedes Material und jeder Geräteeinsatz, der für das Chipdesign und die Fertigung erforderlich ist, eine Lieferkettenabhängigkeit darstellt, stellen nicht alle Abhängigkeiten Schwachstellen dar, und nicht alle Schwachstellen sind hochriskant.

Um die Abhängigkeiten zu bewerten, die ein schwerwiegendes Risiko für die Lieferkette darstellen, die das amerikanische Halbleiter-Ökosystem stützt, haben wir einen systematischen und quantifizierbaren „Schwachstellenindex“ entwickelt (siehe Abbildung 2), der fünf verschiedene Schwachstellenfaktoren berücksichtigt. Für jeden in die Analyse einbezogenen Lieferketteneinsatz haben wir die geografische Konzentration seiner Herstellung und den Grad der Abhängigkeit bewertet. Darüber hinaus haben wir das Lieferantennetzwerk jedes Einsatzguts bewertet und die Lieferantenkonzentration für bestimmte Produkte, die Eigentumsstruktur wichtiger Lieferanten und die Abhängigkeiten auf Ebene der sekundären Lieferanten berücksichtigt. Wir haben jeden Einsatzfaktor anhand dieser fünf Faktoren bewertet und zu einem Gesamtindex zusammengefasst.

Bewertung der Abhängigkeit der Vereinigten Staaten von der globalen Lieferkette

Im Allgemeinen umfasst die Halbleiterfertigung die „Frontend“-Fertigungsprozesse auf der Oberfläche von Wafern (mit Hinzufügen und Entfernen von Materialien) sowie die „Backend“-Prozesse, bei denen die nackten Chips (Dies) zu fertigen Chips verpackt werden. Halbleiterhersteller arbeiten mit mehr als tausend „primären“ (Tier-1-)Lieferanten zusammen, um direkt Rohstoffe wie nackte Wafer, Spezialgase und Fotoresistchemikalien sowie Fertigungsanlagen wie Lithografiegeräte und Abscheidungsgeräte zu beschaffen. Diese primären Lieferanten, die Halbleiterunternehmen direkt Materialien, Komponenten und Fertigungsanlagen liefern, verfügen jeweils über ein komplexes Netzwerk von „sekundären“ (sub-tier-)Lieferanten, das sich auf Zwischenprodukte und Rohstofflieferanten erstreckt.

Für die Analyse haben wir eine Liste mit 200 wichtigen primären Geräte- und Materialeinsätzen (die Frontend- und Backend-Prozesse der Halbleiterindustrie abdecken) sowie eine weitere Liste mit 100 Kategorien von sekundären (oder „Tier-n“) Rohstoffen, Ingenieurmaterialien und Unterkomponenten/Geräten erstellt (siehe Abbildung 3). Anschließend haben wir eine detaillierte Abbildung der Lieferkette für diese Einsatzgüter durchgeführt und nicht nur den Registrierungsort der Lieferanten, sondern vor allem den tatsächlichen geografischen Herstellungsort dieser Einsatzgüter untersucht.

Im Halbleiterbereich basiert die Abbildung der Lieferkette normalerweise auf dem Registrierungsort der Lieferanten, was die tatsächlichen Lieferabhängigkeiten verschleiern kann. Die Hinzufügung dieses Analyseschritts – die Bewertung des tatsächlichen Herstellungsorts von Materialien und Geräten – ist entscheidend, um unbekannte Lieferabhängigkeiten aufzudecken und festzustellen, welche Abhängigkeiten schwerwiegende Schwachstellen darstellen können. Die Erfassung von Daten für eine solche Analyse ist mit vielen Herausforderungen verbunden: Sie erfordert eingehende Forschung und Data-Mining sowie die Validierung und Stresstests mit Branchenexperten, die mit den detaillierten Herstellungsverfahren und Beschaffungsstrukturen vertraut sind (siehe Anhang).

Verständnis der primären (Tier-1-)Halbleiterlieferkette

Ausgehend von der Analyse der primären Lieferungseinsätze beträgt der jährliche Gesamtverbrauch des amerikanischen Halbleiter-Ökosystems für Geräte und Materialien etwa 27 Milliarden US-Dollar; 95 % dieser Lieferung stammen von Lieferanten mit Hauptsitz in den USA, Europa oder Japan (siehe Abbildung 4). Die restlichen etwa 5 % der Lieferung stammen hauptsächlich von Unternehmen mit Hauptsitz in Südkorea, Taiwan (China), dem Festland China, Südostasien und Israel.

Diese primären Lieferanten sind jedoch häufig von Produktionsketten außerhalb ihres Registrierungsorts abhängig. Daher erfordert ein genaueres Verständnis der Schwachstellen der primären Lieferkette die Bewertung des tatsächlichen Herstellungsorts der Materialien und Geräte, die von amerikanischen Halbleiterherstellern importiert werden. Zu diesem Zweck haben wir öffentliche Aufzeichnungen (z. B. Lieferantenwebsites, Finanzberichte), Datenbanken (z. B. Analystenberichte) und regionale Verkaufsdaten analysiert, um den Marktanteil nach tatsächlichem Herstellungs- oder Montageort zu schätzen.

Aus der Perspektive des Herstellungs- oder Montageorts stellt sich die Situation der Widerstandsfähigkeit der amerikanischen Halbleiterlieferkette bei primären Einsätzen und Geräten komplexer dar (siehe Abbildung 4). Die Abhängigkeit der amerikanischen Halbleiterindustrie von primären Einsätzen und Geräten aus den USA, Europa und Japan sinkt von 95 % des Gesamtbedarfs auf 68 %; gleichzeitig steigt die Abhängigkeit von Lieferungen aus dem Festland China, Israel, Südostasien, Südkorea und Taiwan (China) deutlich von 5 % auf 32 %. Beispielsweise montieren amerikanische Halbleitergerätehersteller mit Hauptsitz in Singapur und Großbritannien physikalische Gasphasenabscheidungsanlagen (PVD) und Ätzgeräte.

Ebenso produzieren amerikanische Materiallieferanten