Komplexität überholt die Innovation im Halbleiterbereich

Die größte Herausforderung der Halbleiterindustrie ist nicht ein Mangel an Innovation – sondern der Umgang mit der zunehmenden Komplexität in diesem Bereich. Angesichts der steigenden Nachfrage nach KI, der zunehmenden Verbreitung von Chiplet-Architekturen und der Fragmentierung globaler Lieferketten haben Halbleiterunternehmen zunehmend mit der Koordination von Produktlebenszyklen und der Kontinuität im Engineering zu kämpfen – nicht mit dem Chipdesign selbst.

Führende Halbleiterunternehmen streben eine Chance im Wert von einer Billion Dollar an – doch das Zeitfenster, um diese zu nutzen, wird immer kleiner. Der weltweite Umsatz der Halbleiterbranche wird im Jahr 2026 voraussichtlich 975 Milliarden Dollar erreichen, was vor allem auf generative KI und Hochleistungsrechner zurückzuführen ist. KI-Beschleuniger werden voraussichtlich 50 % dieses Gesamtumsatzes ausmachen. Mit steigender Nachfrage verkürzen sich die Produktlebenszyklen, und Wettbewerbsvorteile können bereits innerhalb einer einzigen Produktgeneration verschwinden.

Doch trotz beispielloser F&E-Investitionen haben viele Unternehmen nach wie vor Schwierigkeiten, Produkte schneller auf den Markt zu bringen.

Wie hat sich die Komplexität von Halbleitern im letzten Jahrzehnt verändert?

In der Vergangenheit wurde die Innovation im Halbleiterbereich durch technische Herausforderungen geprägt: die Steigerung der Transistordichte, die Verkleinerung der Prozessknoten und die Bewältigung immer komplexerer Designverifikationen. Jahrzehntelang orientierten sich Branchen-Roadmaps wie das Moore’sche Gesetz und die International Technology Roadmap am Fortschritt im Bereich der Skalierung und der Weiterentwicklung der Prozessknoten.

Diese Herausforderungen waren zwar bedeutend, wurden jedoch in erster Linie als technische und technologische Skalierungsprobleme betrachtet, die durch Fortschritte in den Bereichen Bauelementarchitektur, Prozesstechnologie, EDA, Verifikation und Fertigungskapazitäten gelöst wurden.

Heute erstreckt sich die Komplexität über den gesamten Produktlebenszyklus – und das Produkt selbst hat sich grundlegend verändert. Ein modernes Halbleiterprodukt besteht nicht mehr nur aus Silizium. Es umfasst Firmware, Software-Stacks, Entwicklungskits, Evaluierungsboards, Dokumentationen zur Compliance und Nachweise zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Hardware und Software müssen gemeinsam entworfen, gemeinsam validiert und gemeinsam auf den Markt gebracht werden.

Hinzu kommt der Trend zu Chiplets, 2,5D-/3D-ICs und heterogener Integration, wodurch die Grenzen des Designs erheblich verschwommen sind. Leistungsführerschaft wird nicht mehr allein durch die Verkleinerung der Strukturknoten definiert. Die Komplexität der Gehäuse ist zu einem Wettbewerbsunterscheidungsmerkmal geworden – was bedeutet, dass sich die Anforderungen an die Kollaboration weit über interne Entwicklungsteams hinaus auf Foundries, OSATs, Zulieferer für Substrate und Softwarepartner ausgeweitet haben.

Warum stellen fragmentierte Produktdaten nicht nur eine Ineffizienz, sondern auch ein Risiko dar?

Viele Halbleiterunternehmen verwalten ihre Produktinformationen nach wie vor über voneinander getrennte Systeme hinweg. Eine aktuelle PTC-Umfrage ergab, dass 93 % über Produktdatensilos verfügen, wobei mehr als die Hälfte angab, dass die meisten Daten in bestimmten Systemen isoliert sind und nur bestimmte Teilmengen unternehmensweit zugänglich sind.

Diese Fragmentierung hat Konsequenzen, die weit über operative Unannehmlichkeiten hinausgehen:

• Langsamere NPI-Durchführung, da Teams auf unvollständige oder widersprüchliche Informationen warten
  
• Technische Änderungsaufträge (ECOs) in späten Entwicklungsphasen, die sich auf mehrere Varianten und Fertigungspartner auswirken
  
• Geringe Transparenz hinsichtlich der Auswirkungen auf nachgelagerte Prozesse, wenn sich Anforderungen oder Spezifikationen ändern
  
• Erhöhter Nacharbeitsaufwand aufgrund von Übergaben, denen es an Rückverfolgbarkeit oder Kontext fehlt
  
• Schwierigkeiten bei der Bewertung der Auswirkungen von Änderungen über funktions- und unternehmensübergreifende Grenzen hinweg

Die Kosten für eine isolierte Entwicklung steigen schneller als die Kosten für Innovation selbst.

Diese einzelnen Verzögerungen summieren sich zu einem größeren geschäftlichen Problem. Erfahren Sie mehr über die versteckten Kosten einer isolierten Entwicklung in Halbleiter-Engineering-Unternehmen, einschließlich der Frage, wie Lücken zwischen PLM-, MES-, ERP- und Qualitätssystemen zu Überraschungen in späten Entwicklungsphasen führen.

Was heißt es, die Kontinuität im Engineering zu verlieren, und warum ist das von Bedeutung?

Technische Kontinuität ist die Fähigkeit, über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg klare, nachvollziehbare Verbindungen zwischen Anforderungen, Produktdefinitionen, Konstruktionsaktivitäten, der Fertigungsabwicklung, Qualitätsprozessen und der Kollaboration mit Zulieferern aufrechtzuerhalten.

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Eine Kundenanforderung ändert sich in einer späten Phase des Entwicklungszyklus. Sofort tauchen mehrere Fragen auf:

• Welche Produkte und Verpackungsvarianten sind betroffen?
• Welche Testverfahren müssen aktualisiert werden?
• Welche Fertigungspartner müssen benachrichtigt werden?
• Welche Software-Abhängigkeiten bestehen?

Wenn Produktinformationen über Tabellenkalkulationen, gemeinsam genutzte Laufwerke, selbst entwickelte Datenbanken und E-Mail-Verläufe verstreut sind, dauert die Beantwortung dieser Fragen Tage – manchmal sogar Wochen. In diesem Zeitraum können sich die Marktchancen bereits verengt haben oder gänzlich verpasst worden sein.

Moderne Halbleiterunternehmen benötigen nicht nur eine schnellere Engineering-Phase. Sie benötigen eine vernetzte Engineering-Phase – einen durchgängigen Digital Thread von den Anforderungen über den Silizium-Chip bis hin zur Serienreife.

Welche Faktoren werden die Komplexität von Halbleitern in den nächsten fünf Jahren weiter erhöhen?

Anstatt sich zu stabilisieren, nehmen die Kräfte, die die Komplexität vorantreiben, weiter zu. Vier Trends stechen dabei besonders hervor:

Fortschrittliche Verpackungstechnologien: Der Chiplet-Markt wurde im Jahr 2024 auf 5,3 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird voraussichtlich bis 2029 42,8 Milliarden US-Dollar erreichen (41,9 % CAGR). Technologien wie 2,5D-/3D-Stacking, Fan-Out-Wafer-Level-Packaging und Hybrid-Bonding verwandeln die Verpackung von einem Standardgehäuse in ein Produktunterscheidungsmerkmal – eines, das eine ausgefeilte interdisziplinäre Kollaboration erfordert.

Da die Verpackung Teil der Produktarchitektur wird, reichen traditionelle Lebenszyklus-Praktiken möglicherweise nicht mehr aus. Erfahren Sie, warum fortschrittliche Verpackungstechnologien eine neue Lebenszyklusstrategie erfordern.

KI-Produktentwicklung: KI-gesteuerte Produkte stellen zusätzliche Anforderungen an die Softwarevalidierung, Speicherarchitekturen und die Koordination des Ökosystems. Sie erfordern ein Produktlebenszyklusmanagement, das gleichzeitig sowohl Hardware als auch Software umfasst – eine Herausforderung, für deren Bewältigung die meisten bestehenden Toolketten nicht ausgelegt sind.

KI schafft zudem eine zweite Herausforderung: ob Halbleiterunternehmen über ausreichend vernetzte und verwaltete Produktdaten verfügen, um diese effektiv zu nutzen. Erfahren Sie wie Sie ein KI-fähiges Halbleiterunternehmen aufbauen.

Diversifizierung der Lieferkette: Geopolitischer Druck, der US-amerikanische CHIPS Act (52,7 Milliarden US-Dollar) und die regionale Ausweitung der Fertigung führen zu einer steigenden Anzahl von Akteuren, die an der Produktentwicklung beteiligt sind. Die gleichzeitige Verwaltung einer kontrollierten Transparenz von Änderungen über interne Fabriken, externe Foundries und OSATs hinweg ist ein Problem, das kein selbst entwickeltes System in großem Maßstab nachhaltig bewältigen kann.

Fachkräfte-Engpässe: Die Halbleiterindustrie sieht sich einem anhaltenden Mangel an Fachkräften gegenüber, die über Fachkenntnisse in den Bereichen KI, Quantencomputing und fortschrittliche Lithografie verfügen. Unternehmen können sich nicht einfach durch Neueinstellungen aus dieser komplexen Situation befreien. Die Produktivität pro Fachkraft muss gesteigert werden – und das erfordert strukturierte, geregelte Entwicklungsprozesse, nicht mehr Personal.

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Der Weg nach vorn: Innovation braucht Kontinuität, um sich in großem Maßstab durchzusetzen

Seit Jahren konzentrieren sich führende Halbleiterunternehmen darauf, Innovationen voranzutreiben. Die nächste Herausforderung im Wettbewerb besteht darin, sicherzustellen, dass Innovationen skaliert werden können, ohne zusätzliche Komplexität, Umsetzungsrisiken oder organisatorische Reibungsverluste zu verursachen.

Die Unternehmen, die erfolgreich sein werden, werden nicht einfach nur bessere Chips entwickeln. Sie werden die erforderliche technische Kontinuität schaffen, um Anforderungen, Design, Fertigung, Qualität und Partner-Ökosysteme zu einer einheitlichen Lebenszyklusstrategie zu verknüpfen. Wenn diese Grundlage geschaffen ist, ist Komplexität kein Nachteil mehr – sondern wird zu einem Wettbewerbsvorteil.

Als Nächstes in dieser Reihe: Komplexität wird kostspielig, wenn Produktinformationen nicht mit dem Produkt mitwandern können. Erfahren Sie mehr über die versteckten Kosten einer isolierten Engineering-Tätigkeit in der Halbleiterbranche und warum die Kontinuität in der Engineering-Tätigkeit von der Vernetzung von PLM-, MES-, ERP- und Qualitätsdaten abhängt.

Häufig gestellte Fragen

Was versteht man unter technischer Kontinuität in der Halbleiterfertigung?

Technische Kontinuität bezeichnet die Aufrechterhaltung nachvollziehbarer Verbindungen zwischen Anforderungen, Produktdefinitionen, Entwurfsaktivitäten, Fertigungsabläufen und Qualitätsprozessen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Sie stellt sicher, dass bei jeder Änderung – sei es eine Anforderung, eine Gehäusevariante oder ein Zulieferer – jedes nachgelagerte Team die Auswirkungen sofort versteht.

Warum haben Halbleiterunternehmen heute mit Komplexität zu kämpfen?

Die Komplexität hat sich über das Chipdesign hinaus ausgeweitet und umfasst nun auch die Verpackung, die gemeinsame Softwareentwicklung, die Fertigung in mehreren Foundries, die OSAT-Koordination und die Compliance. Branchenstudien zufolge verwalten über 60 % der Halbleiterunternehmen ihre Produktdaten in sechs oder mehr voneinander getrennten Systemen, was die Koordination von Änderungen über diese Ebenen hinweg extrem erschwert.

Inwiefern erhöht fortschrittliche Verpackung die Komplexität des Lebenszyklus?

Fortschrittliche Verpackungstechnologien – Chiplets, 2,5D/3D-ICs, Fan-Out-Wafer-Level-Packaging – verwandeln die Verpackung selbst in ein komplexes Produkt, das eine interdisziplinäre Kollaboration zwischen Elektro-, Maschinenbau- und Wärme-Ingenieuren sowie externe OSATs und Zulieferer für Substrate erfordert. Der Chiplet-Markt wird bis 2029 voraussichtlich ein Volumen von 42,8 Milliarden US-Dollar erreichen, was zeigt, wie zentral die Verpackung für die Wettbewerbsfähigkeit der Halbleiterindustrie geworden ist.

Welche Rolle spielt der Fachkräftemangel bei der Komplexität von Halbleitern?

Angesichts eines anhaltenden Mangels an Ingenieuren mit Fachkenntnissen in den Bereichen KI, Quantencomputing und fortschrittliche Lithografie müssen Unternehmen die Produktivität pro Ingenieur steigern, anstatt einfach nur die Mitarbeiterzahl zu erhöhen. Fragmentierte Tools und unzusammenhängende Arbeitsabläufe beanspruchen Entwicklungszeit, die eigentlich für Innovationen genutzt werden sollte – daher ist ein strukturiertes Produktlebenszyklusmanagement für die Produktivität unerlässlich.

Wie wirkt sich die Diversifizierung der Lieferkette auf die Halbleiterproduktentwicklung aus?

Da Hersteller als Reaktion auf geopolitische Zwänge und regionale Förderprogramme in neue Regionen expandieren, wächst die Zahl der am Lebenszyklus eines einzelnen Produkts beteiligten Akteure erheblich. Ohne kontrollierte Änderungen, Transparenz und geregelte Abläufe der Kollaboration wird die Koordination zwischen Foundries, OSATs und Zulieferern zu einer Hauptursache für Verzögerungen und Nacharbeiten.