Unternehmen kündigen immer wieder Chipfabriken an, die Milliarden kosten, und jede Zahl klingt gleichermaßen gewaltig. Das meiste dieses Geldes fließt nicht in den Bau. Es fließt in die Maschinen darin, und das ist der Teil der Rechnung, der tatsächlich eine Ankündigung von der anderen unterscheidet.
Die Maschinen machen laut einer Analyse von Construction Physics. Eine einzige Anlage kann 10 Milliarden bis 20 Milliarden Dollar oder mehr kosten, und das meiste dieses Geldes fließt in Maschinen, nicht in Beton und Stahl. Elon Musk hat vorgeschlagen einen 119 Milliarden Dollar teuren Halbleiterkomplex in Texas, und Maschinen würden wahrscheinlich auch den Großteil dieses Preises ausmachen.
Diese Eskalation folgt einer vorhersehbaren Kurve. Eine Anlage, die Anfang der 1970er Jahre etwa 4 Millionen Dollar kostete, wuchs bis 2015 auf etwa 14 Milliarden Dollar an und verdoppelte sich alle vier Jahre oder so unter dem, was die Branche Rock's Law nennt. TSMC $TSM hat verpflichtet 165 Milliarden Dollar für seinen Campus in Arizona zugesagt, verteilt auf sechs Anlagen, zwei Verpackungsanlagen und ein Forschungszentrum, was dem entspricht, was Rock's Law für heute vorhersagen würde.
Die Maschinen, die mehr kosten als die Fabrikhülle
Samsung hat verpflichtet mindestens 17 Milliarden Dollar für seine Anlage in Taylor, Texas, zugesagt, aber nur 6 Milliarden davon fließen in den eigentlichen Bau. Die verbleibenden 11 Milliarden Dollar werden für Maschinen und Ausrüstung ausgegeben.
Das mit Abstand teuerste Stück des Ausrüstungsbudgets ist das Lithographiesystem, die Maschine, die Schaltkreismuster auf einen Siliziumwafer druckt. ASML $ASML, das niederländische Unternehmen, das ein fast Monopol auf extreme ultraviolette Lithographie hält, Preise seine neuesten Lithographiesysteme für etwa 380 Millionen US-Dollar pro Stück. Die vorherige Generation kostete etwa 183 Millionen US-Dollar pro Stück. Eine Fabrik benötigt mehrere dieser Maschinen, und allein die Lithographie-Tools können etwa 20 % der Gesamtkosten der Fabrik ausmachen, was dem Preis des gesamten Gebäudes und seiner Infrastruktur entspricht.
Die Bezahlung dieser Maschinen ist nur die halbe Miete. Der Jahresbericht 2024 von ASML verzeichnete nur 44 verkaufte EUV-Systeme in diesem Jahr, kaum mehr als die rund 40, die es 2021 verkauft hat, trotz jahrelanger Versprechen von Produktionssteigerungen. Ein Unternehmen kann eine Fabrik in einer Pressemitteilung ankündigen. Es muss dennoch Jahre warten, bis ASML tatsächlich die Maschinen liefert, die es betreiben.
Ätz- und Abscheidungssysteme machen den anderen großen Ausrüstungsaufwand aus und machen schätzungsweise 40 % bis 50 % der gesamten Ausrüstungskosten in der fortgeschrittenen Chipfertigung aus, laut SEMI's Branchenprognose 2026. SEMI prognostiziert, dass sich die Ausgaben für Ausrüstungen für 300-Millimeter-Wafer-Fabriken, der Standardgröße für die moderne Chipfertigung, von 133 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 auf 151 Milliarden US-Dollar im folgenden Jahr erhöhen werden, ein Anstieg von etwa 14 % in zwölf Monaten.
Versteckte Kosten in einem unscheinbaren Gebäude
Die 20 % bis 30 % der Anlagenkosten, die auf das Gebäude entfallen, klingen bescheiden, aber selbst dieser Anteil kauft weit mehr als nur eine Hülle. Construction Physics fand heraus, dass Dienstleistungen, die HLK-Technik, Abluftsysteme und ultrareine Wasserinfrastruktur fast zwei Drittel der Kosten einer Anlage ausmachen, verglichen mit weniger als 20 % bei einem Einfamilienhaus.
Einer dieser Dienste ist am wichtigsten: die Luft sauber genug zu halten, um einen Chip darin zu bauen. Die Halbleiterfertigung erfordert Reinräume, die nach ISO 14644-1, dem internationalen Standard, der die Luftreinheit nach der Anzahl der darin schwebenden Partikel bewertet, klassifiziert sind. Die fortschrittlichsten Anlagen arbeiten in ISO-Klasse 1, die nicht mehr als 10 Partikel pro Kubikmeter Luft erlaubt, etwa die Größe eines Virus. Um diesen Standard zu erreichen, sind Filter erforderlich, die 99,999 % aller weiteren Partikel in der Luft auffangen, oft das gesamte Dach auskleidend.
Die gleichen Lithografiewerkzeuge, die saubere Luft benötigen, brauchen auch einen Boden, der sich unter ihnen nicht bewegt. Sie strukturieren Merkmale, die in Nanometern gemessen werden, und die geringste Vibration kann einen Wafer ruinieren. Anlagen werden gebaut, um Vibrationskriterienkurven zu entsprechen, einem Ingenieurstandard, den das Institute of Environmental Sciences and Technology nach dem ersten Vorschlag von Ungar und Gordon 1983 übernommen hat, laut Colin Gordon Associates. Die strengste Stufe, genannt VC-E, begrenzt die Bodenvibration auf 3,12 Mikrometer pro Sekunde, was die Autoren des Standards selbst als "eine herausfordernde Vorgabe zu erreichen" bezeichnen. Fundamente müssen mechanisch vom Rest des Gebäudes getrennt werden, mit physischen Lücken zwischen isolierten Platten und der umgebenden Struktur.
Wasser- und Stromrechnungen, die nie aufhören
Die Errichtung der Anlage ist nur die erste Rechnung. Der Betrieb kostet genauso viel, jeden einzelnen Tag. Eine durchschnittliche Produktionsanlage verbraucht täglich 10 Millionen Gallonen ultrareines Wasser, so viel wie 33.000 US-Haushalte an einem Tag, laut dem Weltwirtschaftsforum. Die Produktion dieses Wassers verbraucht 40% bis 60% mehr Wasser, als die Anlage letztendlich nutzt.
Die Stromrechnung ist genauso hoch. Eine große Anlage kann stündlich bis zu 100 Megawattstunden Strom verbrauchen, mehr als viele Autofabriken oder Ölraffinerien, laut McKinsey. Allein TSMC verbrauchte 2024 in Taiwan 25,55 Milliarden Kilowattstunden, etwa 9% des gesamten Stromverbrauchs des Landes.
Diese Rechnungen sind genau der Grund, warum Regierungen jetzt beim Bau helfen, anstatt die Unternehmen die Kosten alleine tragen zu lassen. Das US-Handelsministerium ausgezeichnet TSMC Arizona bis zu 6,6 Milliarden Dollar an direkter Finanzierung nach dem CHIPS and Science Act, und Intel $INTC erhielt bis zu 7,86 Milliarden Dollar in vier Bundesstaaten.
Eine Chipfabrik zu bauen, war früher das Problem eines Unternehmens. Jetzt ist es ein nationales.