Chip-Fabriken sind zu einigen der teuersten Gebäude geworden, die je errichtet wurden. Die Maschinen im Inneren kosten tatsächlich mehr als die Wände um sie herum.
Daniel Ceng / Anadolu via Getty Images
Unternehmen kündigen immer wieder Chipfabriken an, die Milliarden kosten, und jede Zahl klingt gleichermaßen enorm. Der Großteil dieses Geldes fließt nicht in das Gebäude. Es fließt in die Maschinen darin, und das ist der Teil der Rechnung, der tatsächlich eine Ankündigung von der anderen trennt.
Laut einer Analyse von Construction Physics, machen die Maschinen 70 % bis 80 % der Gesamtkosten einer modernen Chipfabrik aus. Eine einzige Anlage kann 10 Milliarden bis 20 Milliarden Dollar oder mehr kosten, und das meiste davon geht für Maschinen und nicht für Beton und Stahl aus. Elon Musk hat vorgeschlagen einen 119 Milliarden Dollar teuren Halbleiterkomplex in Texas, und wahrscheinlich würden auch hier die Maschinen den Großteil dieses Preises ausmachen.
Diese Eskalation folgt einer vorhersehbaren Kurve. Eine Anlage, die in den frühen 1970er Jahren etwa 4 Millionen Dollar kostete, wuchs bis 2015 auf ungefähr 14 Milliarden Dollar an und verdoppelte sich etwa alle vier Jahre, was die Branche als Rock'sches Gesetz bezeichnet. TSMC $TSM hat sich verpflichtet 165 Milliarden Dollar in seinen Campus in Arizona zu investieren, verteilt auf sechs Fabriken, zwei Verpackungsanlagen und ein Forschungszentrum, was dem entspricht, was das Rock'sche Gesetz für heute vorhersagen würde.
Samsung hat sich verpflichtet mindestens 17 Milliarden Dollar in seine Anlage in Taylor, Texas, zu investieren, aber nur 6 Milliarden Dollar davon sind für den eigentlichen Bau vorgesehen. Die verbleibenden 11 Milliarden Dollar werden für Maschinen und Ausrüstung ausgegeben.
Der teuerste Teil dieses Ausrüstungsbudgets ist das Lithographiesystem, die Maschine, die Schaltkreismuster auf einen Siliziumwafer druckt. ASML $ASML, das niederländische Unternehmen, das ein Quasi-Monopol auf extreme ultraviolette Lithographie hat, Preise seine neuesten Lithografiesysteme zu etwa 380 Millionen Dollar pro Stück. Die vorherige Generation kostete etwa 183 Millionen Dollar pro Stück. Eine Fabrik benötigt mehrere dieser Maschinen, und allein die Lithografiewerkzeuge können etwa 20 % der Gesamtkosten der Anlage ausmachen, was dem Preis des gesamten Gebäudes und seiner Infrastruktur zusammen entspricht.
Die Bezahlung dieser Maschinen ist nur die Hälfte des Problems. Der Jahresbericht 2024 von ASML verzeichnete nur 44 verkaufte EUV-Systeme in diesem Jahr, kaum mehr als die rund 40, die 2021 verkauft wurden, trotz jahrelanger versprochener Produktionssteigerungen. Ein Unternehmen kann eine Anlage in einer Pressemitteilung ankündigen. Es muss dennoch Jahre warten, bis ASML die Maschinen tatsächlich liefert, die sie betreiben.
Ätz- und Abscheidungssysteme machen den anderen großen Ausgabenposten aus und machen schätzungsweise 40 % bis 50 % der gesamten Ausgaben für Ausrüstung in der fortschrittlichen Chipproduktion aus, laut dem Industrieausblick 2026 von SEMI. SEMI prognostiziert, dass die Ausgaben für Ausrüstung für 300-Millimeter-Wafer-Anlagen, der Standardgröße für die moderne Chipproduktion, von 133 Milliarden Dollar im Jahr 2026 auf 151 Milliarden Dollar im folgenden Jahr steigen werden, ein Anstieg von etwa 14 % in zwölf Monaten.
Die 20 % bis 30 % der Anlagenkosten, die für das Gebäude anfallen, erscheinen bescheiden, aber selbst dieser Anteil kauft weit mehr als nur eine Hülle. Construction Physics fand heraus, dass Dienste, die HLK-, Abluftsysteme und die Infrastruktur für ultrareines Wasser 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 14644-1klassifiziert sind, dem internationalen Standard, der die Luftreinheit danach bewertet, wie viele Partikel darin schweben. Die fortschrittlichsten Anlagen arbeiten auf 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 % von allem anderen in der Luft auffangen, oft die gesamte Decke auskleidend.
Die gleichen Lithografie-Werkzeuge, die saubere Luft benötigen, benötigen auch einen Boden, der sich nicht unter ihnen bewegt. Sie prägen Merkmale in Nanometergröße, und die geringste Vibration kann einen Wafer ruinieren. Anlagen werden gebaut, um den Vibrationskriterienkurven zu entsprechen, einem technischen Standard, den das Institute of Environmental Sciences and Technology nach Vorschlag von Ungar und Gordon im Jahr 1983 übernommen hat, laut Colin Gordon Associates. Die strengste Stufe, genannt VC-E, begrenzt die Bodenerschütterung auf 3,12 Mikrometer pro Sekunde, was die Autoren des Standards selbst als "ein anspruchsvolles Kriterium zu erreichen" bezeichnen. Fundamente müssen mechanisch vom Rest des Gebäudes getrennt werden, mit physischen Abständen zwischen isolierten Platten und der umgebenden Struktur.
Der Bau der Anlage ist nur die erste Rechnung. Der Betrieb kostet genauso viel, jeden einzelnen Tag. Eine durchschnittliche Fertigungsanlage verbraucht täglich 10 Millionen Gallonen hochreines Wasser, so viel wie 33.000 US-Haushalte pro Tag, laut dem Weltwirtschaftsforum. Die Herstellung dieses Wassers verbraucht 40 % bis 60 % mehr Wasser als die Anlage letztendlich verwendet.
Die Stromrechnung ist ebenso 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 allein die Kosten tragen zu lassen. Das US-Handelsministerium verliehen TSMC Arizona erhielt bis zu 6,6 Milliarden Dollar an direkter Finanzierung im Rahmen des 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 Problem.
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