Verlangsamte Produktivitätssteigerungen und steigende Kosten für Silizium veranlassen Unternehmensleiter, andere Materialien zu prüfen.
Der Weg von der bahnbrechenden Entdeckung zu transformativen Industrieanwendungen kann lang und umständlich sein. Oft folgen auf den ersten Ansturm von Möglichkeiten Jahrzehnte der Entwicklung, Verfeinerung und des Experimentierens. Auch dann gibt es keine Garantien. Labore auf der ganzen Welt sind mit einst vielversprechenden Technologien übersät, die auf dem Markt nie eine kommerzielle Anwendung gefunden haben. Dieser Präzedenzfall bringt Führungskräfte in eine schwierige Position, wenn sie entscheiden müssen, wo und wann sie in neue Innovationen investieren sollen. Für jedes Unternehmen, das die richtige Wette auf aufkommende digitale Technologien setzt, gibt es Dutzende von Wettbewerbern, die die Welle komplett verpassen und aufholen müssen. Die Zeit wird zeigen, ob Kodaks jüngster Einstieg in den Bitcoin-Bergbau beispielsweise ein isolierter Schritt oder Teil einer vorausschauenden langfristigen Strategie ist.
Halbleiterunternehmen befinden sich in einer schwierigen Lage. Regelmäßige Innovation mit Silizium ermöglichte es der Branche, jahrzehntelang beständige Gewinne und beständige, beeindruckende Leistungsverbesserungen zu erzielen. In jüngerer Zeit haben Unternehmen zunehmend Schwierigkeiten, mehr Wert aus Silizium herauszupressen. Aufgrund dieser Verlangsamung müssen Unternehmen bestimmen, was Silizium ersetzen wird und wann. Graphen zum Beispiel wurde als Wundermaterial mit dem Potenzial angekündigt, die Leistung von Silizium zu erreichen oder zu übertreffen. Die Kommerzialisierung des Materials könnte jedoch bis zu 25 Jahre entfernt sein und wird erhebliche Investitionen sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in Kapitalkosten erfordern, um es in die Produktion zu bringen. Bei so viel Ausgaben, die derzeit für Silizium aufgewendet werden, müssen Führungskräfte den richtigen Zeitpunkt bestimmen, um auf das nächste Material umzusteigen – selbst wenn das Ergebnis alles andere als garantiert ist.
Die Herausforderung geht weit über Graphen hinaus; Da Halbleiterunternehmen versuchen, die nächste Innovationswelle zu identifizieren und zu nutzen, müssen Führungskräfte einen anderen Ansatz wählen. Die Fähigkeit zu verstehen, wie scheinbar unterschiedliche Entwicklungen neue Geschäftsmodelle und Anwendungen schaffen können, erfordert eine umfassendere Perspektive, die sich darauf konzentriert, die Punkte zu verbinden und neue Wege zur Anwendung von Wissen und Erkenntnissen zu erkunden. Halbleiter-Führungskräfte sollten dieses Objektiv nutzen, um eine langfristige Strategie zu entwickeln, um Wert aus bestehenden Materialien und Technologien zu ziehen und gleichzeitig aufkommende Innovationen zu überwachen. Diese Denkweise wird Unternehmen besser in die Lage versetzen, sowohl bekannte als auch unbekannte Herausforderungen in den kommenden Jahren zu meistern.
Silicon: Gegenwind voraus?
Silizium, das Hauptmaterial der Halbleiterindustrie, hat in der Vergangenheit mit dem Mooreschen Gesetz Schritt gehalten, indem es für zuvor unvorstellbare Fortschritte gesorgt hat. Disruptive und transformative Technologien – Advanced Analytics, Augmented Reality, autonome Fahrzeuge, Digital und das Internet der Dinge (IoT) – wurden durch ein einzigartiges Element ermöglicht, das den reichsten 50 Quadratmeilen der Welt den Namen gegeben hat. Dennoch werden ernsthafte Fragen über die Zukunft von Silizium und seine Fähigkeit aufgeworfen, Innovationen weiterhin zu unterstützen: Drei Frühindikatoren erzählen die Geschichte.
Verlangsamte Leistungsverbesserungen führen zu Preisdruck
Silicon bot Designern und Ingenieuren eine Leinwand, die zu nachhaltigen Fortschritten bei Kapazität und Leistung führte. Ein Blick auf Daten aus den 1970er Jahren veranschaulicht diese exponentiellen Leistungssteigerungen. Allerdings hat sich das Tempo in den letzten Jahren deutlich verlangsamt. Die PC-Rechenleistung hat sich eingependelt und die Steigerung der Smartphone-Prozessorleistung hat begonnen, sich zu verlangsamen – kurz gesagt, Silizium wird tödlich (Abbildung 1). Diese Trends bedeuten, dass Unternehmen, die Wettbewerbsvorteile durch kontinuierliche Innovation aufgebaut haben, sehen, wie ihr Vorsprung zu erodieren beginnt, während andere Unternehmen aufholen.
Die Leistungssteigerung verlangsamt sich
Trendsetter haben Mühe, den Vorsprung bei der Leistungsverbesserung gegenüber Wettbewerbern auszubauen, sodass ihre Fähigkeit, Premium-Preise zu erzielen, bevor der Rest des Marktes aufholt, behindert wird. Unsere Analyse zeigt, dass die Preise um 10 bis 15 Prozent fallen, sobald mehrere Wettbewerber auf den Markt kommen.
Eskalierende Kapital- und F&E-Kosten
Die Kosten für Halbleiterunternehmen steigen weiter, wenn sie auf Fabriken der nächsten Generation umsteigen. Um Leistungssteigerungen zu erzielen, müssen Unternehmen unseres Erachtens die Investitionsausgaben um bis zu 40 Prozent (angesichts der Anforderungen für neue Geräte) und die F&E-Ausgaben um 150 Prozent erhöhen, um den gleichen Durchsatz zu erreichen (Abbildung 2). Die Hauptursache für die eskalierenden Kapitalkosten sind Fertigungsanlagen, die seit der Umstellung der Branche auf Multipatterning um etwa 2 Milliarden US-Dollar gestiegen sind. Es überrascht nicht, dass die Hersteller integrierter Geräte ihre F&E-Investitionen für führende Node-Technologie schnell erhöht haben.
Steigende Kapitalanforderungen und F&E-Investitionen können weitere Innovationen verhindern
Spüren der körperlichen Einschränkungen von Silizium
Abgesehen von den kommerziellen Herausforderungen ist auch das weitere Wachstum von Silizium ungewiss, da die Innovation die physikalischen Grenzen des Materials eingeholt hat. Beispielsweise nähert sich die Knotenlänge der Breite des leitenden Kanals an, wo die Leistung stark eingeschränkt ist: Siliziumtransistoren werden aufgrund von Quanteneffekten kleiner Abmessungen wie Tunneln, Leckagen und Wärmeproblemen ihre Leistung einstellen. Einschränkungen in der Lithographie, Instrumentierung und Herstellung von Strukturen in Nanogröße werden ebenfalls Fortschritte behindern.
Diese drei Trends werfen eine entscheidende Frage für Halbleiterunternehmen auf: Wie viel sollten sie weiterhin in Silizium investieren, anstatt die Entwicklung innovativer Materialien zu unterstützen, die eine deutliche Leistungsänderung bewirken und ein nachhaltiges Umsatzwachstum bewirken könnten?
Warum Graphen ein Game Changer sein könnte
Die Industrie experimentiert mit mehreren exotischen neuen Materialien, darunter Silicen, Germanen und schwarzer Phosphor, aber Graphen wird das größte Potenzial zugeschrieben (Abbildung 3).
Neue Materialien haben das größte Potenzial, Technologien der nächsten Generation voranzutreiben, die zur Nachhaltigkeit von Innovationen beitragen könnten
Die Entdeckung einer atomdicken Graphenschicht durch zwei Forscher an der Universität von Manchester in England im Jahr 2004 schürte Erwartungen, dass es ein überlegener Ersatz für Silizium werden könnte (Infografik). Die Eigenschaften von Graphen bringen Unternehmen aus allen Branchen ins Schwärmen: Seine Mobilität wird auf das 250-fache der von Silizium geschätzt, und seine Flexibilität und andere Eigenschaften machen es ideal für eine Reihe von Anwendungen, von der Batterietechnologie bis hin zu Optoelektronik wie Touchscreens. Jüngste Patente, wissenschaftliche Arbeiten und Forschungspublikationen bezeugen das weit verbreitete Interesse an Graphen.
Graphen in Zahlen
Trotz dieses Versprechens war die Einführung von Graphen schwer fassbar. Was hält es also zurück? Wir haben vier Einschränkungen identifiziert, zwei technische und zwei industrielle. Auf der technischen Seite bleibt das Band-Gap-Engineering eine große Hürde: Ohne eine Bandlücke können Graphen-Schalter nicht abschalten. In den letzten zehn Jahren haben sich Forscher darauf konzentriert, dieses Problem anzugehen, müssen aber noch den Code knacken. Darüber hinaus muss die Graphenherstellung hochwertige Kristalle erzeugen und mit bestehenden komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) kompatibel sein. Auf industrieller Seite wird in Fabs eine große Menge an Kapital benötigt, aber Halbleiterunternehmen haben den größten Teil ihrer Ressourcen an aktuelle Fab-Verbesserungspläne gebunden. Darüber hinaus existiert für Silizium eine integrierte Wertschöpfungskette (einschließlich Umrüstung in der Fertigungsmitte), aber Investitionen in Milliardenhöhe sind erforderlich, um eine für Graphen neu zu erstellen.
Angesichts dieser Ungewissheiten gehen wir davon aus, dass die Einführung von Graphen und das Marktwachstum in drei Phasen erfolgen werden – Verstärker, Siliziumersatz und revolutionäre Elektronik (Abbildung 4).
Wir gehen davon aus, dass die Einführung von Graphen und das Marktwachstum in drei Phasen erfolgen werden
Wir erwarten, dass Graphen kurzfristig als Verstärker für Silizium verwendet wird, wobei Schutzschichten aus Graphen verwendet werden, um die Zuverlässigkeit und Leistung von Verbindungen zu verbessern. Gegenwärtig werden 14-Nanometer-Tantalnitrid-Metallbarrieren auf Kupferverbindungen verwendet, um eine Diffusion in das Silizium zu verhindern. Bei Lücken von weniger als zehn Nanometern wird die Diffusion zu einer Hauptursache für Geräteausfälle – ein Fehler pro Milliarde Teile führt zu einer Ausfallrate von etwa 30 Prozent. Graphenbarrieren bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Alternativen wie Ruthenium und Kobalt, darunter bessere Schutzfähigkeiten bei nur einem Achtel der Größe und mit Verbindungsgeschwindigkeiten von etwa 30 Prozent schneller.
Die Hauptgründe für die mangelnde Akzeptanz von Graphen sind zweierlei. Die Anforderungen für den Transfer- und Beschichtungsprozess von Graphen müssen vollständig entwickelt und in die Herstellungsschritte integriert werden. Darüber hinaus müssen die Kosten für Graphen deutlich sinken, um eine kommerzielle Massenproduktion zu ermöglichen. Wir gehen davon aus, dass es mindestens fünf bis zehn Jahre dauern wird, bis diese Probleme gelöst sind, damit Graphen eine brauchbare Siliziumalternative wird.
In den nächsten 10 bis 25 Jahren könnte Graphen Silizium als Hauptmaterial in Halbleitern ersetzen, vorausgesetzt, die Forschung entdeckt Methoden zur Überwindung seiner Bandlückenbeschränkungen. Selbst dann wird Graphen in Anwendungen eingesetzt, in denen seine technischen Vorzüge (wie hohe Geschwindigkeit, geringe Verluste, geringe Größe und Flexibilität) besser für elektronische Anwendungen geeignet sind als alternative Materialien (Abbildung 5). Unsere Analyse berechnet den adressierbaren Gesamtmarkt für Graphen auf 190 Milliarden US-Dollar in den Bereichen Datenverarbeitung, drahtlose Kommunikation und Unterhaltungselektronik.
Der gesamte wartungsfähige Markt für graphenbasierte Elektronik wird basierend auf der Nachfrage nach Hochleistungsanwendungen auf etwa 190 Milliarden US-Dollar geschätzt
Es wird erwartet, dass die Einführung ähnlich wie bei anderen Technologien einem S-Kurven-Trend folgt, wobei der Zeitrahmen für die Implementierung der Einführung von Wafern am nächsten kommt. Insgesamt zeigen optimistische Szenarien, dass das Marktwertpotenzial für Graphen-Halbleiter bis 70 bei rund 2030 Milliarden US-Dollar liegen wird.
Wie sollten führende Halbleiter-Player vorgehen?
Die Geschichte hat gezeigt, dass einige Technologien lange brauchen, um kommerzialisiert zu werden, aber Branchen schnell verändern können, sobald sie auf den Markt kommen. Unserer Erfahrung nach sind Unternehmen, die nachweislich ein weites Netz ausgeworfen haben, um die nächste transformative Technologie zu entdecken, tendenziell besser darauf vorbereitet, Branchenstörungen standzuhalten.
Das Versprechen von Graphen wird durch die besprochenen schwerwiegenden technischen und kommerziellen Herausforderungen aufgewogen, die seine Verwendung als Siliziumersatz behindern könnten. Daher sollten Halbleitermanager bei der Bewertung des wahren Potenzials von Graphen einen strukturierten Innovationsansatz verwenden, um ihre Optionen zu bewerten. Das Innovationsröntgen besteht aus zehn Fragen in drei Kategorien: Innovationsstrategie, technologische Disruption und Innovationspraktiken (Abbildung 6). Die Beantwortung dieser Fragen kann Führungskräften helfen, ein besseres Gefühl für die Fähigkeiten ihrer Organisation zu bekommen, wenn sie Innovationen vorantreiben, und die Untersuchung verschiedener Szenarien mit oder ohne Graphen-Einführung unterstützen. Das Ergebnis ist eine Strategie, die Unternehmen auf dramatische, technologiegetriebene Veränderungen in der Branche vorbereitet.
Innovation X-ray besteht aus zehn Fragen, mit denen Sie Ihren strukturierten Ansatz aufladen können
Nach einem langen und produktiven Lauf mit Silizium beginnen Führungskräfte darüber nachzudenken, was es ersetzen und eine ähnliche S-Kurve der Innovation bieten könnte. Die Eigenschaften von Graphen haben die Fantasie beflügelt, aber bis heute haben seine physikalischen Grenzen verhindert, dass es als offensichtlicher Erbe des Siliziums bezeichnet wird. Die jüngste Geschichte technologischer Innovationen deutet darauf hin, dass sich die Landschaft schnell ändern könnte – daher sollten Führungskräfte Graphen als ernsthaften Konkurrenten betrachten. Unabhängig vom letztendlichen Ergebnis können sich Halbleiterunternehmen positionieren, um technologische Störungen zu überstehen und einen Vorsprung zu erzielen, indem sie eine Denkweise annehmen, die sich auf strukturierte Innovation konzentriert. Eine Welt voller Unbekannter verlangt danach.
Quelle: Graphen: Die nächste S-Kurve für Halbleiter? | McKinsey
