Von Nokia 3310 zu iPhone: Die Spaltung, die die Halbleiterindustrie veränderte

Vor 25 Jahren war das legendäre Nokia 3310 der Höhepunkt der mobilen Elektronik. Die Platine war damals relativ einfach: Für das gesamte Kommunikationssystem brauchte man weniger als zehn wichtige Halbleiterbauteile.

Die Fertigungsprozesse lagen zwischen etwa 180 nm und 500 nm. Die Anzahl der Transistoren – das sind die grundlegenden Halbleiterbauteile, die elektrische Signale schalten und verarbeiten – betrug nur einige Millionen. Damals war die wichtigste Priorität nicht die Rechenleistung, sondern die Standby-Zeit des Akkus, die Stabilität der Funkverbindung (RF), die mechanische Robustheit und die Möglichkeit, die Geräte kostengünstig in Massenproduktion herzustellen.

Heute ist die Architektur eines neuen iPhones eine völlig andere Welt, was Komplexität und Systemintegration betrifft. Die Platine eines modernen Smartphones kann mehr als hundert verschiedene spezialisierte Mikrochips enthalten, die aus einer globalen, extrem spezialisierten Lieferkette stammen. Apples A-Serie-Prozessoren werden im fortschrittlichen 3-nm-Verfahren von der Chipfabrik TSMC hergestellt. Die Transistordichte ist auf mehrere zehn Milliarden Transistoren auf einer Fläche von nur wenigen hundert Quadratmillimetern gestiegen.

Die verschiedenen Farbblöcke repräsentieren spezialisierte Funktionsblöcke, die auf einem einzigen Pentium-II-Chip integriert sind, dem berühmten Intel-Mikroprozessor der späten 1990er Jahre. Dies spiegelt den Trend zur immer tieferen Spezialisierung in der Halbleiterindustrie wider. In dieser Phase war die Chiparchitektur jedoch noch relativ einfach im Vergleich zu modernen Prozessoren mit zig Milliarden Transistoren. Bild: Wikicommons

Die Halbleiterindustrie verlässt das Modell „Ein Unternehmen macht alles“

Auf den ersten Blick scheint die Veränderung nur eine natürliche Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes zu sein: Transistoren werden immer kleiner, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich alle 18 bis 24 Monate, sie werden schneller und energieeffizienter.

Aber wenn man genauer hinsieht, ist die revolutionäre Veränderung der Halbleiterindustrie in den letzten 25 Jahren nicht nur die Transistorgeometrie, sondern die Struktur der gesamten Industrie. Das heißt: Da Chips immer komplexer werden, kann kein Unternehmen mehr alles alleine machen. Eine Spaltung, die die Halbleiterindustrie veränderte, begann.

Zur Zeit des Nokia 3310 arbeitete die Halbleiterindustrie hauptsächlich nach dem IDM-Modell (Integrated Device Manufacturer). Ein Unternehmen kontrollierte fast die gesamte Wertschöpfungskette: vom IC-Design (integrierter Schaltkreis, ein elektronischer Mikrochip mit vielen Transistoren und Bauteilen auf einem Halbleitersubstrat), über die Wafer-Produktion (runde Siliziumscheiben für die Chip-Herstellung), das Packaging, das Testen bis hin zur Plattform-Software. Der Markteintritt bedeutete fast, dass man die gesamte Produktionskette von Anfang bis Ende besitzen musste.

Im Gegensatz dazu ist das „Gehirn“ moderner Smartphones das Ergebnis des ausgereiften Fabless-Foundry-Ökosystems (Design – Chipfabrik). Vorher, Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre, entstand TSMC, der weltweit größte Auftragsfertiger für Chips. Das schuf eine neue Ordnung in der Chipindustrie und trennte Foundry und Fabless.

Heute konzentriert sich Apple auf Systemarchitektur und Silizium-Design, TSMC übernimmt die fortschrittliche Wafer-Produktion, Qualcomm ist führend bei Modems und Basisband, Broadcom dominiert die drahtlose Konnektivität, während Skyworks Solutions und Qorvo sich auf RF-Frontend (die Funkschaltung zwischen Modem und Antenne, die für den Empfang und das Senden von Funksignalen zuständig ist) und mmWave (Millimeterwellen, sehr hohe Frequenzen, die in einigen schnellen 5G-Netzen verwendet werden) spezialisieren. Daneben gibt es unzählige Unternehmen, die sich nur auf Sensoren, PMIC (Chips für die Stromverwaltung, die den Strom für das gesamte Gerät regeln), Speicher, Substrate (Zwischenschichten, die den Chip mit der Platine verbinden) oder fortschrittliches Packaging spezialisieren.

Die gesamte Industrie hat sich von einem Modell „Ein Unternehmen macht alles“ zu einem globalen Netzwerk mit beispielloser Spezialisierung entwickelt. Die Aufteilung innerhalb eines Chips spiegelt genau die Art und Weise wider, wie die Halbleiterindustrie funktioniert – alles wird in spezialisierte Blöcke aufgeteilt, um für jede Aufgabe optimal zu sein.

Das Gehirn moderner Smartphones ist das Ergebnis des ausgereiften Fabless-Foundry-Ökosystems (Design – Chipfabrik). Bild: Shutterstock

Zu dieser Zeit wurde das Smartphone wirklich zu einem heterogenen Computersystem. In einem Gerät, das nur wenige Watt Strom verbraucht, müssen viele verschiedene Verarbeitungseinheiten gleichzeitig arbeiten: CPU (zentrale Verarbeitungseinheit, die die Hauptberechnungen durchführt), GPU (Grafikprozessor, spezialisiert auf Bildverarbeitung und parallele Berechnungen), NPU (Prozessor für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen), ISP (Bildsignalprozessor, optimiert Daten von der Kamera), Modem, Video-Engine (Block für Video-Encoding und -Decoding), Display-Pipeline (Kette für die Bilddatenverarbeitung vor der Anzeige auf dem Bildschirm), Speichercontroller (Steuerung der Kommunikation zwischen Prozessor und Speicher), Secure Enclave (separater Sicherheitsbereich für sensible Daten wie biometrische Daten) und viele andere.

Diese Spezialisierung ist das Ergebnis der Spaltung der Halbleiterindustrie: Statt dass ein Unternehmen alles macht, arbeiten heute viele spezialisierte Firmen zusammen, um die komplexen Chips für moderne Smartphones zu entwickeln und herzustellen.