Zukunft der Halbleiterindustrie Acht Trends im Halbleiterbereich für das Jahr 2025 (und darüber hinaus)

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Schlauere Maschinen, effizientere Herangehensweise an Chipmaterialien, und nahezu allgegenwärtige Biosensorik: Diese Trends dürften den Chipmarkt in den kommenden Jahren besonders stark antreiben.

Angesichts der rapiden Geschwindigkeit, in der sich Technologie in den vergangenen Jahrzehnten gewandelt hat, mag eine Voraussage der kommenden Halbleitertrends wie eine vergebliche Mühe erscheinen. Dennoch sind Perspektiven und Erwartungen wichtig. Daher wagen wir hier einen Ausblick daraus, hier sind unsere Vorhersagen darüber, welche Kräfte die Halbleiterbranche in den kommenden Jahren weiter prägen und umgestalten werden.

1. Maschinen dabei helfen, besser zu „denken“

In den letzten Jahren gab es große Fortschritte beim maschinellen Lernen, beim Deep Learning und bei der künstlichen Intelligenz (KI). Der Schwerpunkt lag dabei vor allem auf dem Training der Modelle, auf denen KI-Dienste aufbauen. Nun wird sich die Dynamik vom Training zur Inferenz verlagern.

Inferenz ist eher mit Denken und Schlussfolgerungen vergleichbar, wobei trainierte Modelle auf Daten angewendet werden, um Vorhersagen und Schlussfolgerungen abzuleiten. Chiptechnologien, die eher zum „Denken“ als zum „Lernen“ geeignet sind und daher zu genaueren Ergebnissen der KI führen, werden in den Vordergrund treten. Außerdem werden Neural-Prozessoren (Neural Processing Units; NPUs) gegenüber Grafikprozessoren (GPUs) stärker in den Vordergrund rücken – vor allem dann, wenn diese in der Nähe der Datenquelle eingebettet sind.

Fortschritte bei photonischen integrierten Schaltkreisen (PINs), die die Geschwindigkeit und Kapazität der Datenübertragung erhöhen, werden ultraschnelle künstliche neuronale Netze ermöglichen und das neuromorphe Computing unterstützen. Speziell für Bildverarbeitungsanwendungen werden Convolutional Neural Networks (CNNs) die Fähigkeit von Maschinen zur Interpretation und zum Verständnis von Bildern und visuellen Informationen verändern.

2. Mehr KI an der Edge

Die stetig fortschreitende Innovation bei KI-Chiptechnologien - nicht zuletzt hinsichtlich der Entwicklung von NPUs - wird eine wachsende Chance eröffnen, jedem vernetzten Gerät und Sensor mehr Intelligenz zu verleihen. Dabei handelt es sich um Edge-KI, bei der KI-Funktionen in Geräte eingebettet werden, die sich direkt am Rande des Netzwerks befinden.

Der Einsatz intelligenter Analysen in Geräten und Sensoren - und damit viel näher an der Quelle der Eingabedaten - reduziert die Latenzzeit und erhöht die Datensicherheit und den Datenschutz. Die KI-Verarbeitung am Rande des Netzwerks reduziert auch die Daten, die über das Netzwerk vom Gerät zum Rechenzentrum gesendet werden, was zu einer Verringerung der auf Servern erforderlichen Verarbeitung führt. NPUs, die einfachere KI-Modelle wie TinyML verwenden, sind auch weitaus energieeffizienter als die in Rechenzentren eingesetzten GPUs.

Betrachtet man die Anzahl und Art der vernetzten Geräte und Sensoren, liegt die Chance für Edge-KI in jedem Industrie- und Verbrauchersektor auf der Hand. Die Innovation in diesem Bereich, die jedem Gerät „Intelligenz“ verleiht, wird schnell voranschreiten.

3. Neue Herangehensweisen an Halbleitermaterialien

Möglichkeiten zur Steigerung der Leistung von Halbleitern auf effizientere Weise werden eine Priorität sein. Siliziumkarbid (SiC) ist ein perfektes Beispiel dafür. Seine Eigenschaften und Vorteile für die Leistungselektronik sind bereits bekannt, und sein Potenzial in der Automobil-, Energie- und Industrietechnik ist enorm.

Die Herstellung von SiC-Halbleitern ist jedoch eine Herausforderung. Innovationen in diesem Sektor werden durch eine engere vertikale Integration des Herstellungsprozesses, vom Entwurf bis zur Prüfung, erzielt, was zu einer Verbesserung der Erträge und der Qualität führt.

Die Silizium-Photonik hat sich auch als eine Technologie herauskristallisiert, die ideal für einige der heutigen und zukünftigen Herausforderungen im Bereich der Datenverarbeitung geeignet ist. Durch die Verwendung von Licht (Photonen) anstelle von Elektronen zur Informationsübertragung steigert die Silizium-Photonik die Effizienz der Datenübertragung mit einer viel geringeren Latenzzeit als bei herkömmlichen elektronischen Halbleitern. Dies macht sie zu einer idealen Technologie für Verbindungen in KI-Rechenzentren, aber die möglichen Anwendungen sind nahezu unbegrenzt.

4. Traditionelle Chip-Technologie wird Quantencomputing vorantreiben

Das Konzept des Quantencomputings wird schon seit Jahren diskutiert, obwohl es bisher eher als Science-Fiction denn als reale Anwendung erschien. Der Schritt nach vorn in der Rechenleistung, den die Quantencomputer darstellen, ist so groß, dass ein völlig neuer Ansatz für die Verarbeitungstechnologien erforderlich ist. Mit einer relativ kleinen Anpassung können jedoch etablierte Halbleiterherstellungstechnologien für den Betrieb von Quantencomputern verwendet werden. Dies wird das Spiel verändern.

Der Einsatz bewährter FD-SOI-Halbleiterprozesstechnologien wird die Entwicklung von Quantencomputern hin zu realen Anwendungen beschleunigen. Auch wenn Quantencomputer nicht für jede Rechenaufgabe geeignet sind, werden wir potenzielle Anwendungsfälle in allen Industriezweigen und Anwendungen erforschen, von Finanzdienstleistungen bis zur Pharmazie, von der Cybersicherheit bis zur Klimamodellierung.

5. Biosensoren wandern von speziellen Fitness-Zwecken ins alltägliche Gesundheitswesen

Millionen von Freizeitsportlern verwenden bereits fleißig tragbare Geräte bzw. Wearables, um Bioindikatoren während ihres Trainings - oder auch im Ruhezustand - zu überwachen und ihre Fortschritte bei der Verbesserung der Fitness zu messen.

Die Fortschritte bei den Biosensoren - die Anzahl und Art der erfassten Bioindikatoren, die geringere Größe und Kosten sowie die erheblich verbesserte Energieeffizienz - werden dazu führen, dass sie in eine größere Vielfalt von Geräten und Materialien integriert werden. Das Zusammenspiel mit einer gesteigerten Kontrolle darüber, was überwacht wird, als auch an wen und wann die Informationen weitergegeben werden, wird dafür sorgen, dass sich die Menschen künftig auch bei der alltäglichen, laufenden Überwachung ihres Gesundheitszustandes wohler fühlen werden.

Der Einsatz von Biosensoren wird sich über die Welt der persönlichen und beruflichen Fitness hinaus auf die breitere Bereitstellung von Gesundheitsdienstleistungen ausweiten. In Kombination mit intelligenter KI werden medizinische Beratung und Diagnose bei Bedarf verfügbar sein. Und zwar oft, ohne dass ein Besuch in einer Praxis oder Klinik erforderlich wäre. Eine proaktive Gesundheitsfürsorge - Vorbeugung statt Heilung - war noch nie so gut möglich. Sie hat mittlerweile das Potenzial, das globale Gesundheitssystem erheblich zu entlasten.

6. Elektromobilität ist wieder auf Kurs, smarter und sicherer denn je

Es steht zwar außer Frage, dass der Absatz von Elektrofahrzeugen in einigen Märkten rückläufig ist, und dass die Wachstumsraten insgesamt geringer ausgefallen sind als bislang vorhergesagt wurde. Aber weltweit gesehen steigt der Absatz von E-Fahrzeugen weiter an.

Und auch unabhängig von den Verkaufszahlen wird der Fortschritt in Bezug auf die Fähigkeiten der Elektromobilität weiter voranschreiten. Es besteht kein Zweifel daran, dass Halbleiter, Sensoren und Software eine immer größere Rolle für das Fahrerlebnis und den sicheren Betrieb von Fahrzeugen spielen werden.

Die Akzeptanz von E-Fahrzeugen durch die Verbraucher wird auch durch ein effizienteres Batterie- und Energiemanagement im Fahrzeug selbst sowie durch eine besser verfügbare und effizientere Ladeinfrastruktur in allen Ländern und Regionen gefördert. Das Engagement der Verbraucher, eine positive Rolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen zu spielen, wird zunehmen.

7. Alles besitzt einen Digitalen Zwilling

Digitale Zwillinge - digitale Darstellungen physischer Einheiten, von Maschinen über Gebäude bis hin zu ganzen Städten - ermöglichen die virtuelle Modellierung, das Testen geplanter Verbesserungen und eine schnellere Iteration von Verbesserungen in der realen Welt. Grundlegend für die Erstellung eines digitalen Zwillings ist ein Strom genauer Daten über die physische Einheit, die in der Regel von IoT- und mittlerweile auch KI-fähigen Edge-Sensoren bereitgestellt werden.

Weitere Innovationen im Bereich der intelligenten Sensoren werden dazu führen, dass fast alles Physikalische digital verknüpft werden kann. Dabei führen die aus den Daten gewonnenen Erkenntnisse zu Fortschritten bei der Konstruktion, Überwachung und Prozessoptimierung. Fast jede Art von Sensor, von Temperatur bis Druck, von Luftqualität bis Schall, spielt hierbei eine Rolle.

Die städtischen Behörden werden digitale Zwillinge nutzen, um die Umweltverschmutzung zu verringern, den Verkehr zu verbessern, die Sicherheit zu erhöhen und umfassendere Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Wir werden digitale Zwillinge unserer eigenen Wohnungen erstellen und sie zur Optimierung des Energieverbrauchs und als Grundlage für eine verstärkte intelligente Hausautomatisierung nutzen. Verkehrsmittel, Krankenhäuser, Flughäfen, Fabriken, Sportstätten – alles wird einen digitalen Zwilling haben.

8. Bis zur Unendlichkeit – und noch viel weiter

Was das Entsenden von Satelliten in den Weltraum betrifft, befinden wir uns in einem nie zuvor dagewesenen Zeitalter: Aktuell befinden sich etwa 9.000 Satelliten in der Erdumlaufbahn, aber es wird erwartet, dass diese Zahl bis zum Ende des Jahrzehnts auf bis zu 60.000 ansteigen wird. Ein Großteil dieses Wachstums wird durch die „Mega-Konstellationen“ von Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn vorangetrieben, die weltweit Kommunikationsnetze mit geringen Latenzzeiten und hoher Leistung schaffen.

Über die Erdumlaufbahn hinaus planen viele Nationen die Erkundung des Weltraums. Es ist wahrscheinlich, dass in den nächsten Jahren wieder ein Mensch den Mond betreten wird. Eines der Hauptziele dieser geplanten Expeditionen ist die Suche und Analyse von rohen und seltenen Mineralien, die das nächste Zeitalter der technologischen Innovation einläuten könnten.

Wenn die jüngste Geschichte uns etwas lehrt, werden wir im nächsten Jahr (und darüber hinaus) einige erstaunliche Fortschritte in der Technologie erleben. Dabei wird sich das Tempo des Wandels weiter beschleunigen. Einige der oben genannten Trends könnten sich als zutreffend erweisen, andere könnten Wunschdenken unsererseits sein. Es ist fast sicher, dass es auch Innovationen geben wird, die wir noch nicht kennen.

Die Zeit wird es zeigen. Aber wir sind gespannt, es herauszufinden. (sg)

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