Mikroelektronik in Europa: Schlüsseltechnologie für Innovation und Souveränität
Mikroelektronik bildet das Rückgrat moderner Technologien – von Künstlicher Intelligenz über Automatisierung bis hin zur Energiewende. Europa steht vor der Herausforderung, seine technologische Souveränität zu sichern und die Abhängigkeit von internationalen Lieferketten zu reduzieren. Die Beiträge in diesem Dossier geben einen Überblick über den Stand der Mikroelektronik in Europa, die Bedeutung von Halbleitern für KI-Anwendungen sowie grundlegende Definitionen und Entwicklungen im Chip-Design.
Dieses Dossier erschien am 28.02.2025.
Ausgewählte Beiträge unserer Mikroelektronikexpert:innen
- Wie entsteht ein Mikrochip?
Ein Text auf einem Bildschirm – so einfach und alltäglich, nichts Besonderes. Wirklich? Damit dieser Text gelesen werden kann, sind allein in dem Anzeigegerät – egal ob Handy, PC oder Tablet – etwa 50 Chips im Einsatz. Jeder Haushalt enthält im Schnitt 75 Geräte, in denen Mikrochips oder andere Elektronik verbaut sind, von der smarten Glühbirne über die Mikrowelle bis zum Fernseher. Damit es diese Geräte überhaupt geben kann, müssen diese Schaltkreise in einem der kompliziertesten und präzisesten Verfahren überhaupt entworfen und hergestellt werden. Doch beginnen wir ganz vorn:
3D-Schach mit tausenden Extra-Regeln
Bevor ein Chip produziert werden kann, muss er zunächst entworfen werden, ähnlich wie ein Haus zunächst von Architekten geplant wird. Das Design modernster Chips mit hoher Rechenleistung ist eine komplexe Aufgabe. Es müssen Milliarden winziger elektronischer Schalter (Transistoren, jeder nur ein paar hundert Atome breit) so verdrahtet werden, dass Rechenoperationen möglich sind und dabei keine unerwünschten Nebeneffekte auftreten. Im besten Fall führt ein Designfehler nur dazu, dass der Chip nicht funktioniert, im schlimmsten Fall entsteht immenser wirtschaftlicher Schaden, wenn ein Fehler unentdeckt bleibt und erst beim Kunden auftritt, oder dort sogar Cyberangriffe von außen ermöglicht.
Auf „Sand“ gebaut
Das Ausgangsmaterial für die allermeiste Elektronik ist Sand. Aus diesem Rohstoff wird hochreines Silizium gewonnen, als Halbleitermaterial die Grundlage für die allermeisten elektronischen Bauelemente. Um eine Vorstellung zu bekommen, was „hochrein“ hier bedeutet: Wenn eine Verunreinigung einem Verkehrsstau entspräche, dann ist das Silizium so rein, als wären alle deutschen Autobahnen zeitgleich komplett leer – bis auf ein einzelnes Matchbox-Auto.„Waffeln“ und Chips – die teuersten und präzisesten „Snacks“ der Welt
Aus den hochreinen Siliziumkristallen werden dünne Scheiben geschnitten, weniger als 1mm dick. Auf diesen dünnen Siliziumscheiben – sogenannten Wafern (wörtlich „Waffeln“) werden nun in Halbleiterfabriken in hunderten einzelner Prozessschritte die eigentlichen elektronischen Bauelemente gebildet. Das geschieht durch Aufdampfen von ultradünnen Metall- und Isolatorschichten (1000 Mal dünner als ein menschliches Haar), Strukturieren mittels Laser-Belichtung (Lithografie), Plasma- und Säureätzen sowie Reinigungs- und Poliermethoden. Die dabei nötige Präzision ist enorm: der Laserstrahl für die Belichtung muss so genau treffen, als würde man einen Fußball von der Grundlinie aufs gegnerische Tor schießen – und dabei einen vorher festgelegten Grashalm auf der Torlinie treffen! Diese Genauigkeit hat ihren Preis: die dafür notwendigen Fertigungsanlagen sind so groß wie ein Sattelschlepper und kosten pro Stück so viel wie 1.000 Eigenheime.Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser
Während und nach Fertigung der Wafer sorgen Messungen und Tests dafür, dass die Chips am Ende auch wie gewünscht arbeiten. Selbst winzigste Staubpartikel während der Fertigung können einen Chip unbrauchbar machen, vollautomatische Mikroskope überprüfen daher immer wieder die Wafer auf Reinheit. Außerdem werden nach jedem Fertigungsschritt Messungen, zum Beispiel der Schichtdicke oder Oberflächenbeschaffenheit durchgeführt, um sicherzugehen, dass die Fertigungsprozesse in erlaubten Parametern laufen. Abweichungen können ebenfalls zu Ausfällen der fertigen Chips führen und müssen minimiert werden. Dass die Messung nicht nur Beiwerk, sondern essentiell für die Fertigung ist, zeigt sich auch im Anteil der Kosten: Messinstrumente machen circa 10 bis 20 Prozent der Anlagenkosten einer Halbleiterfabrik aus.
Verpackung – mehr als nur eine Hülle
Im Supermarkt ist eine gute Verpackung nicht unwichtig, für einen funktionierenden Chip ist sie jedoch essentiell. Zu hunderten oder gar tausenden auf runden Siliziumscheiben nützen Chips nichts, sie müssen herausgeschnitten („vereinzelt“), verdrahtet und in eine Schutzhülle vergossen werden. Was zunächst einfach klingt ist jedoch eine komplizierte Prozedur, denn häufig werden mehrere verschiedene Komponenten (große Rechenchips und kleinere Funktionseinheiten – sogenannte „Chiplets“) miteinander verbunden, übereinandergestapelt oder anderweitig kombiniert. Am Ende entsteht ein Bauteil, welches dann zum Beispiel nicht nur einen Rechenkern, sondern auch einen GPS-Empfänger, ein WLAN-Modem und mehrere Sensoren in sich vereint. Erst dieses Bauteil kann dann in ein funktionierendes Endgerät wie ein Tablet oder Smartphone eingebaut werden.
Dr. Christian Ritschel ist Berater im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme.
- Leading-Edge oder Legacy-Chips?
Was braucht Europa? Die modernsten Leading-Edge-Chips, die unter anderem bei Künstlicher Intelligenz zur Anwendung kommen? Oder eher Legacy-Chips, die heute in Abermillionen Geräten verbaut sind?
Die Fertigungskapazitäten von Halbleitern in Deutschland und Europa fokussieren derzeit auf größere Strukturbreiten, sogenannte Legacy-Chips. Legacy-Chips basieren auf Fertigungstechnologien größer 10 Nanometer. Der Einsatz von Legacy-Chips erfolgt überall: zum Beispiel in der Automobilindustrie, Industrietechnik und Medizintechnik.
Die Fertigung von Legacy-Chips ist und bleibt für Europa wichtig, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Technologien, die Fertigungsverfahren und der Materialeinsatz werden stetig weiterentwickelt, um neuen Anforderungen und Anwendungen gerecht zu werden. Anders als der Name vermuten lässt, sind Legacy-Chips also keineswegs veraltet oder überholt. Sie sind nach wie vor elementare Bestandteile vieler Technologien und werden das auch auf absehbare Zeit bleiben. Die Bedarfe an Halbleitern in Anwenderindustrien in Deutschland und Europa steigen aber sowohl für Legacy-Chips als auch kleine Technologieknoten (Leading-Edge-Chips):
Leading-Edge-Chips basieren auf Fertigungstechnologien in kleinsten Technologieknoten kleiner, gleich 10 Nanometer (laut Definition Knometa Research Corp., Global Wafer Capacity 2024). Leading-Edge-Chips sind entscheidend für Kommunikationstechnologien, Künstliche Intelligenz, autonomes Fahren und Datenzentren. Diese Chips werden in modernen Smartphones, High-Performance-Computern und Cloud-Infrastrukturen verwendet. Zwar liegt die Technologieführerschaft für das Fertigungsequipment der Leading-Edge-Chips in Europa, allerdings werden hier derzeit fast keine Leading-Edge-Chips produziert.
Während Leading-Edge-Chips entscheidend sind, um in High-Tech-Industrien wettbewerbsfähig zu bleiben, sind Legacy-Chips nach wie vor für viele Schlüsselbranchen von Bedeutung. Der Ausbau der europäischen Fertigung in beiden Bereichen ist deshalb entscheidend, um langfristig unabhängiger von globalen Lieferketten zu werden. Deutschland und Europa brauchen also beides: Legacy-Chips und Leading-Edge-Chips.
Dr. Marita Wenzel ist Seniorberaterin für Elektronik- und Mikrosysteme und Co-Leiterin der Projektträgerschaft Mikroelektronik und Kommunikationstechnologien.
- Chipförderung in Deutschland: Frequently Asked Questions
Ende 2024 ließ das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz verkünden, dass der weltgrößte Auftragsfertiger für Halbleiter TSMC in Dresden neue Fabrik bauen wird. Nicht nur die deutschen Firmen Bosch, Infineon und NXP sind an dem Projekt beteiligt, auch der deutsche Staat schießt bis zu fünf Milliarden Euro Fördergelder bei. Wir haben Dr. Gina Peschel, Beraterin im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme, gebeten, häufige Fragen rund um das Projekt zu beantworten.
In der Presse konnte man von einem „Start-Schuss für das ESMC-Projekt in Dresden“ lesen. Was bedeutet das?
Das bedeutet, dass der weltweit größte Auftragsfertiger für Mikrochips, TSMC, unter Beteiligung der deutschen Unternehmen Infineon, Bosch und NXP, in Dresden mit dem Bau einer neuen Halbleiterfabrik beginnt. Im Dezember vergangenen Jahres schloss die Bundesregierung eine vertragliche Vereinbarung mit dem europäischen Tochterunternehmen ESMC über die Förderung des Projektes. Notwendig war davor unter anderem die beihilferechtliche Genehmigung durch die Europäische Kommission.Was genau soll dort hergestellt werden?
Die Foundry soll Mikrochips mit Strukturgrößen von 28 bis 12 nm herstellen, welche besonders für Fahrassistenzsysteme, die industrielle Steuerung von Maschinen sowie für Kommunikations- und Netzwerktechnologien notwendig sind. Gerade für die deutschen und europäischen Anwender stärkt dies die Versorgungssicherheit und Widerstandsfähigkeit in Krisenzeiten.Wieso ausgerechnet Dresden?
Die Wahl eines Standortes für eine Neuansiedlung von Unternehmen wird durch eine Vielzahl an Kriterien bestimmt und steht in europäischer Konkurrenz. Hierzu zählen das Umfeld an Zulieferern, Versorgungssicherheit, aber auch Infrastruktur und Fachkräfteverfügbarkeit. Gleichzeitig ist die Möglichkeit von Fördermitteln ein unabdingbarer Bestandteil. Dresden ist ein Mikroelektronik-Hotspot, mitten im Silicon Saxony. Hier kann TSMC an ein breites Ökosystem anschließen.Stehen die entstehenden Arbeitsplätze im Verhältnis zur Fördersumme?
Neben den in der Fabrik entstehenden bis zu 2.000 Arbeitsplätzen werden im direkten Umfeld und Ökosystem bis zu 11.000 weitere, indirekte neue Arbeitsplätze erwartet. Des Weiteren sollte stets auch die Auswirkung auf den Wirtschaftsstandort Deutschland betrachtet werden: Hierzu zählen die Stärkung der Resilienz, Aufträge für die Zulieferindustrie, Auswirkung auf Fachkräfteausbildung und mehr. Nicht zuletzt kann eine solche Ansiedlung auch ein Vorteil für die Region sein, zum Beispiel im Bereich des Infrastrukturausbaus.Warum werden nicht lieber Kleine und Mittelständische Unternehmen (KMU) oder Start-ups gefördert?
KMU profitieren unmittelbar von der Ansiedlung von ESMC, da diese einen bevorzugten Zugang zu den Produktionskapazitäten erhalten werden. Zudem profitieren KMU auch durch die Stärkung des Ökosystems, zum Beispiel im Bereich der Zulieferindustrien. Gleichzeitig entsteht bei der Ansiedlung eines Großunternehmens wie TSMC ein hoher Impact - sowohl im Sinne der neu zu schaffenden Kapazitäten, als auch im Bereich der Resilienz Deutschlands und Europas.
Dr. Gina Peschel ist Beraterin im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme.
- Mikroelektronik in Europa
Mikrochips made in Europe: Im Video erklärt Dr. Denise Günther, Seniorberaterin im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme, die Zusammenhänge der europäischen Halbleiterindustrie.
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- Brauchen wir mehr Chips in Europa?
Europa fördert sein Halbleiterökosystem und setzt auf eine starke lokale Chipproduktion. Im Video gehen wir mit Dr. Denise Günther, Seniorberaterin im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme, der Frage nach, wieso wir in Europa mehr Chipproduktion brauchen.
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- Chip Acts im internationalen Vergleich
EU, USA, China sowie Taiwan wetteifern um den Ausbau ihrer heimischen Mikroelektronikproduktion. Was sind ihre Strategien?
Der globale Bedarf nach Mikroelektronik, von Computerchips über Sensoren bis hin zu Kommunikationstechnik, wächst und wächst. Keine Weltregion kommt ohne die Technologien aus und keine möchte von anderen Regionen einseitig abhängig sein. Mit ambitionierten Förderprogrammen möchten Staaten weltweit nun ihre eigene Versorgung sichern und ihre Mikroelektronik-Ökosysteme stärken.
Die EU setzt im European Chips Act (ECA) auf direkte Fördermittel. Die Förderung erfolgt dabei hauptsächlich gezielt durch die Mitgliedstaaten für ausgewählte Einzelprojekte. Jeder EU-Mitgliedstaat bringt seine individuellen Standortbedingungen wie etwa Steuervergünstigungen für Forschung und Entwicklung mit. Geförderte Projekte müssen im Einklang mit dem Beihilferecht der EU stehen.
Die USA verwenden im CHIPS Act drei Instrumente: Steuergutschriften, direkte Fördermittel und zinsgünstige Kredite. Während medial die direkten Fördermittel für Einzelprojekte im Fokus stehen, stellen sie tatsächlich nur etwa ein Drittel der Förderung für die Einzelprojekte dar. Die restlichen zwei Drittel entfallen auf Steuergutschriften. Auch nicht mit direkten Fördermitteln geförderte Unternehmen können diese erhalten.
China nutzt Beteiligungen an den geförderten Mikroelektronikunternehmen und hat hierfür einen Staatsfonds aufgesetzt. Die Förderkriterien sind für Außenstehende intransparent. Ebenso intransparent in Umfang und Zugangskonditionen sind weitere, untergeordnete Förderinstrumente der Zentral- und Lokalregierungen (direkte Subventionen, Steuervergünstigung, zinsvergünstigte Kredite, etc.).
Die Förderung in Taiwan ist im Vergleich zu der EU, den USA und China gering, wenig invasiv und nicht an die Förderung von Einzelprojekten gebunden. Dort liegen allerdings per se attraktive Investitionsbedingungen vor, so dass staatlichen Anreize vergleichsweise gering ausfallen können.
Generell gilt: Steuervergünstigungen (= Einnahmenverzicht des Staates) sind meist ungerichtet und ein breiter Unternehmenskreis profitiert. Erst im Nachhinein wird ersichtlich, wieviel diese den Steuerzahler gekostet haben – falls dieser Wert überhaupt ermittelt wird.
Über direkte Fördermittel (= Mehrausgaben des Staates) hingegen kann genauer gesteuert werden, welche Unternehmen unter welchen Bedingungen gefördert werden. Dafür besteht hier das Risiko, Fehlentscheidungen in der Projektauswahl zu treffen.Michael Müller ist Berater im Bereich Elektronik- und Mikrosysteme.
- Wem nützen Chipfabriken?
Wer profitiert von den teuren Fabriken? Im Video beleuchtet Sebastian Gropp, Berater im Bereich Technologien des digitalen Wandels, die Effekte, die Chipfabriken auf ihre umliegenden Regionen haben.
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