Japan konkurriert um das „Ära der optischen Chips“

Zusammenfassung:

Der nächste Kapazitätswettbewerb um KI-Rechenleistung erstreckt sich von GPUs bis hin zu Silizium-Photonik-Chips. Der Wafergießer Tower Semiconductor baut seine Produktionskapazität für Siliziumphotonik in Japan energisch aus. Russell Ellwanger, CEO von Tower, erklärte kürzlich, dass KI-Rechenzentren das rasante Wachstum der Nachfrage nach Silizium-Photonenchips vorantreiben und das Unternehmen die Produktionskapazität so schnell wie möglich erweitern muss. Japan wird zu einem der wichtigsten Produktionsstandorte von Tower für optische Kommunikationshalbleiter weltweit werden.

Laut dem zuvor angekündigten Plan von Tower wird das Unternehmen mehr als 600 Milliarden Yen oder etwa 4 Milliarden US-Dollar in Japan investieren und sich dabei auf die Erweiterung seiner 300-mm-Siliziumphotonik-, Siliziumgermanium- und fortschrittlichen optischen Verpackungskapazitäten konzentrieren. Darunter plant die japanische Regierung, bis zu etwa 160 Milliarden Yen und etwa 1 Milliarde US-Dollar an Unterstützung bereitzustellen.

Für Tower ist dies nicht nur eine gewöhnliche Runde der Fab-Erweiterung, sondern auch eine langfristige Wette im Zeitalter von KI-Rechenzentren, optischen 800G/1,6T-Modulen, NPO und CPO.

1. KI bringt die Siliziumphotonik in einen Produktionserweiterungszyklus

Warum muss Tower jetzt die Produktion erweitern?

Es gibt nur einen Hauptgrund: Immer mehr Daten müssen zwischen KI-Servern übertragen werden.

Wenn der KI-Cluster von Tausenden GPUs auf Zehntausende oder sogar Hunderttausende GPUs anwächst, ist es nicht mehr nur die GPU selbst, die den Umfang der Rechenleistung wirklich begrenzt, sondern auch die Art und Weise, wie Daten mit hoher Geschwindigkeit zwischen GPUs ausgetauscht werden können. Herkömmliche Kupferverbindungen sind einem zunehmenden Druck in Bezug auf Entfernung, Bandbreite, Signalintegrität und Stromverbrauch ausgesetzt, und optische Verbindungen rücken daher zunehmend näher an Server und Chips heran.

Der Wert der Silizium-Photonik-Technologie besteht darin, ausgereifte Siliziumprozesse zur Herstellung photonischer Geräte wie Modulatoren, Fotodetektoren und Wellenleiter zu nutzen und mit elektronischen Chips zusammenzuarbeiten, um die Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten über optische Signale zu ermöglichen.

Aus diesem Grund werden nach 800G 1,6T optische Module, Siliziumphotonik, NPO und CPO zu den Kernschlüsselwörtern der KI-Rechenzentrums-Industriekette.

Tower-CEO Ellwanger sagte, dass die aktuelle Marktnachfrage nach Silizium-Photonenchips sehr hoch sei und das Unternehmen die Produktionskapazität so schnell wie möglich erhöhen müsse.

△Russell Ellwanger, CEO von Tower Semiconductor

Die von Tower veröffentlichten Informationen zeigen, dass sein Silizium-Photonik-Geschäft in eine Phase schnellen Wachstums eingetreten ist. Das Unternehmen sichert sich nicht nur zukünftige Aufträge, sondern beginnt auch mit der Planung der Produktionskapazitäten für 2027 und sogar 2028 im Voraus.

Mit anderen Worten: Tower konkurriert derzeit nicht um die heutigen Aufträge für optische Module, sondern um den Fertigungszugang zur optischen KI-Verbindungsinfrastruktur in den nächsten Jahren.

2. Warum setzt Tower auf Siliziumlicht?

Tower unterscheidet sich von TSMC, Samsung und Intel. Der Schwerpunkt liegt nicht auf den fortschrittlichsten CPU- und GPU-Logikprozessen als Haupteinsatzgebiet, sondern der Schwerpunkt liegt langfristig auf der Herstellung von Spezialprozessen für Wafer.

Towers Technologielandschaft umfasst Siliziumphotonik, Silizium-Germanium-SiGe, Hochfrequenz-HF, Energiemanagement, Bildsensoren und andere Bereiche. Diese scheint im KI-Zeitalter nicht den „2nm, 1,4nm“-Weg zu verfolgen, sondern hat neue Wachstumschancen gewonnen.

Zusätzlich zu GPUs benötigen KI-Server auch eine große Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Netzwerkchips, optischen Modulen, optoelektronischen Chips und analogen Hochgeschwindigkeitsgeräten.

Insbesondere im Bereich der Siliziumphotonik hat Tower eine tiefe Prozessansammlung gebildet.

Towers PH18DA und andere Plattformen zielen auf optische Hochgeschwindigkeitskommunikationsanwendungen ab und können Laser, optische Verstärker, Modulatoren, Fotodetektoren und andere Geräte integrieren und bieten so eine Fertigungsbasis für 800G, 1,6T und optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen der nächsten Generation.

Damit kommt Tower eine ganz besondere Rolle in der Industriekette der optischen KI-Kommunikation zu: Das Unternehmen stellt keine GPUs her, kann aber wichtige photonische Siliziumchips herstellen, die für die Verbindung einer großen Anzahl von GPUs erforderlich sind.

3. 4-Milliarden-US-Dollar-Wette auf Japan

Der Umfang des japanischen Produktionserweiterungsplans von Tower übersteigt 600 Milliarden Yen, was etwa 4 Milliarden US-Dollar entspricht, und wird hauptsächlich auf zwei Strecken gefördert.

Der erste Weg besteht darin, Tower zu nutzen, um die Produktionskapazität für Siliziumphotonik in bestehenden Waferfabriken in Japan schnell zu erweitern.

Tower plant, seine Arai-Fabrik in Myoko City, Präfektur Niigata, umzugestalten und entsprechende Fertigungsressourcen für 300-mm-Siliziumphotonik und fortschrittliche optikbezogene Produktion zu nutzen; Gleichzeitig wird das Unternehmen die 300-mm-Wafer-Produktionskapazität von Uozu Fab 7 in der Präfektur Toyama weiter erhöhen.

Fab 7 verfügt derzeit über eine Fertigungsbasis für Silizium-Germanium und Silizium-Photonik. Daher kann Tower die Einführung der Ausrüstung, die Prozessüberprüfung und den Hochlauf der Massenproduktion schneller abschließen, als eine neue Waferfabrik von Grund auf neu zu bauen.

Tower geht davon aus, dass diese neue Kapazität im vierten Quartal 2027 die Massenproduktionsreife erreichen wird.

Der zweite Weg ist radikaler.

Tower plant, in der Nähe von Fab 7 weiterhin neue 300-mm-Produktionsanlagen zu errichten, um die Produktionskapazität für Siliziumphotonik und Siliziumgermanium weiter auszubauen. Die neue Produktionskapazität soll ab etwa 2029 einen wesentlichen Beitrag zum Umsatz des Unternehmens leisten.

Dem Plan von Tower zufolge wird die entsprechende japanische 300-mm-Wafer-Produktionskapazität nach Abschluss der entsprechenden Projekte voraussichtlich etwa 45.000 Wafer pro Monat erreichen.

Das bedeutet, dass Japan zu einem der wichtigsten Produktionsstandorte für Towers nächste Runde der Silizium-Photonik-Erweiterung werden wird. (Wie im Bild gezeigt – 2028)

4. Warum hat Japan Tower 1 Milliarde Dollar gegeben?

Hinter der groß angelegten Investition von Tower in Japan steht die Strategie der japanischen Regierung, den Wiederaufbau der Halbleiterlieferkette zu fördern.

Das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie plant, das Tower-Projekt mit bis zu etwa 160 Milliarden Yen bzw. etwa einer Milliarde US-Dollar zu unterstützen, wobei der Schwerpunkt auf der Unterstützung von Fertigungskapazitäten für Kommunikationshalbleiter der nächsten Generation wie Siliziumphotonik und Siliziumgermanium liegt.

Die japanische Regierung hat in den letzten Jahren die Kumamoto-Fabrik von TSMC, das Rapidus-Projekt für fortschrittliche Logik sowie eine Reihe von Projekten zu Halbleitermaterialien, -geräten und -verpackungen unterstützt. Die von Tower vertretenen Fertigungskapazitäten für die Siliziumphotonik haben die optische Hochgeschwindigkeitsverbindung der künstlichen Intelligenz ergänzt.

Gemäß den entsprechenden Vereinbarungen muss Tower langfristige Produktions- und Lieferverantwortung übernehmen. Im Falle einer knappen Halbleiterversorgung erhält der japanische Markt auch entsprechende Versorgungsgarantien.

Daher geht es bei dieser Subvention nicht nur darum, „Tower zum Bau einer Fabrik in Japan einzuladen“.

Was Japan wirklich zu erhalten hofft, ist ein wichtiger Produktionsknotenpunkt, der das zukünftige KI-Rechenzentrum, die optische Kommunikation und die optoelektronische Integrationsindustrie bedienen kann.

5. Das Layout des Tower Japan hat noch einen weiteren Vorteil: die Menschen, die Panasonic zurückgelassen hat

Tower hat sich aus einem weiteren Grund für Japan entschieden, der oft übersehen wird: Talent.

Tower trat bereits 2014 durch die Gründung von TPSCo mit Panasonic in Japan ein und übernahm die Halbleiterfertigungsressourcen von Panasonic in der Region Hokuriku.

Obwohl Panasonic sich später schrittweise aus einem Teil seines Halbleiterfertigungsgeschäfts zurückzog, blieb eine große Anzahl von Ingenieuren, Handwerkern und Industrieunternehmen mit Erfahrung in der Waferherstellung erhalten.

Für die Halbleiterfertigung ist dies sehr wichtig.

Eine Fabrik kann nicht nur durch den Kauf von Ausrüstung produzieren. Prozessintegration, Gerätewartung, Ertragsverbesserung, Fehlerkontrolle und Erfahrung in der Massenproduktion erfordern eine langfristige Akkumulation.

Daher kann Tower bestehende Fabriken, Infrastruktur, Ingenieurteams und Lieferkettensysteme direkt nutzen, um die Produktion in Japan zu erweitern, anstatt eine neue Produktionsbasis von Grund auf aufzubauen.

Dies ist auch ein wichtiger Grund, warum Tower sich weiterhin stark auf Japan konzentriert.

6. Der eigentliche nächste Kampf: CPO

Allerdings eskaliert auch die Konkurrenz, der Tower ausgesetzt ist.

In der Vergangenheit wurden photonische Siliziumchips hauptsächlich in steckbaren optischen Modulen verwendet, aber da die Bandbreite von KI-Schaltchips weiter zunimmt, rücken optische Geräte immer näher an Schalt-ASICs und Computerchips heran.

Daher begann die Branche, von traditionellen steckbaren optischen Modulen zu NPO und dann weiter zu CPO überzugehen.

CPO, Co-Packaged Optics, Co-Packaged Optics.

Die Kernidee besteht darin, die optische Engine näher an den Schaltchip zu bringen und den Stromverbrauch und Signalverlust zu reduzieren, indem die Übertragungsentfernung von elektrischen Hochgeschwindigkeitssignalen verkürzt wird.

Das bedeutet, dass der zukünftige Wettbewerb im Bereich der Silizium-Photonik nicht nur darin bestehen wird, wer Silizium-Photonik-Chips herstellen kann, sondern auch darum geht, wer Silizium-Photonik, fortschrittliche Verpackungen, Schalt-ASICs, Chiplets und Hochgeschwindigkeitsverbindungen in ein System integrieren kann.

Wafer-Foundry-Unternehmen wie TSMC, Tower und GlobalFoundries planen alle in diese Richtung.

Für Tower besteht eine der wichtigen Aufgaben der japanischen Produktionserweiterung darin, die Fertigungskapazitäten im Voraus auf die nächste Stufe des CPO-Wettbewerbs vorzubereiten.

7. Tower könnte Synergien mit Japans NTT bilden

Japan verfügt auch über eine wichtige Silizium-Photonik-Karte – NTT.

NTT Group ≈ Eine Mischung aus China Telecom + China Mobile + China Information Technology + großen IT-Dienstleistern (ähnlich der Regierung und dem Unternehmen Digital China/Huawei).

Wenn man nur Festnetz + Glasfaserbasis betrachtet, kommt es

China Telecom

China Mobile

NTT fördert seit langem den IOWN-Plan (Innovative Optical and Wireless Network) mit der Hoffnung, mithilfe der fotoelektrischen Integrationstechnologie den Energieverbrauch in Rechenzentren und Kommunikationsnetzwerken zu senken.

Eine der wichtigen Richtungen besteht darin, dafür zu sorgen, dass „Licht“ in das Computersystem gelangt.

Von optischen Verbindungen zwischen Rechenzentren über Server bis hin zu optischen Verbindungen auf Platinenebene und sogar in der Nähe von Chips wird die optoelektronische Integration zu einem wichtigen technischen Weg für Japans Kommunikationsindustrie der nächsten Generation.

Unternehmen wie NTT Innovative Devices, Shin Kong Electric, Broadcom und Accton haben bereits bei optischen Engines, Substraten, Schalt-ASICs und Systemintegration zusammengearbeitet.

Tower ist in der Lage, eine der wichtigsten Verbindungen bereitzustellen: Silizium-Photonik und Silizium-Germanium-Wafer-Herstellung.

Wenn die beiden Seiten die Zusammenarbeit in Zukunft weiter vertiefen, könnte Japan nach und nach Folgendes bilden:

Herstellung von photonischen Siliziumwafern → Optischer Motor → Fortschrittliches Substrat → CPO/NPO → Schalter → KI-Rechenzentrum

So eine vollständigere Industriekette.

Ellwanger sagte, dass es eine Möglichkeit gebe, wenn es um eine mögliche Zusammenarbeit mit NTT gehe, konkrete Einzelheiten der Zusammenarbeit seien jedoch noch nicht bekannt gegeben worden.

8. Japan konkurriert um das „Ära der optischen Chips“

Japan blieb im Bereich der fortschrittlichen Logikfertigung einst weit hinter TSMC und Samsung zurück, aber die KI-Ära hat Japan die Möglichkeit gegeben, die Halbleiterindustrie neu zu organisieren.

Dieses Fenster ist nicht unbedingt nur 2 nm groß.

Siliziumphotonik, Siliziumgermanium, fortschrittliche Verpackung, optoelektronische Integration, CPO und optische Hochgeschwindigkeitsmodule dürften im nächsten Jahrzehnt ebenfalls wichtige Wachstumsrichtungen für die Halbleiterindustrie werden.

Tower hat 4 Milliarden US-Dollar investiert, um die Produktion in Japan zu erweitern, daher lohnt es sich, dies im größeren industriellen Kontext zu verstehen.

Einerseits benötigt Tower eine große Produktionskapazität für Siliziumphotonik, um den Bedarf von KI-Rechenzentren zu decken; Andererseits hofft Japan, wichtige Kapazitäten für die Halbleiterfertigung wiederherzustellen. Tower braucht Japans Ingenieure, Produktionsgrundlagen und politische Unterstützung, während Japan Towers Silizium-Photonik-Technologie und globale Kunden braucht.

Die Interessen beider Parteien konvergieren zum jetzigen Zeitpunkt der optischen KI-Verbindung.

Da GPUs schneller und KI-Cluster größer werden, wird die Art und Weise, wie Daten zwischen Hunderttausenden von Chips übertragen werden, zu einem neuen Engpass.

Eine der wichtigsten Fragen in der Halbleiterindustrie der letzten zwei Jahrzehnte war: Wer kann die fortschrittlichsten Transistoren herstellen?

In den nächsten zehn Jahren könnte ein anderes Thema immer wichtiger werden:

Wer kann Hunderttausende KI-Chips mit schnellerem Licht und geringerem Stromverbrauch verbinden?

Tower setzt 4 Milliarden US-Dollar auf die Antwort.