Der Semiconductor Industry Thread

[MrMunki]

Hallo liebe Krabbelgruppe,

ich möchte euch heute einen kurzen Abriss über die Halbleiterindustrie geben. Einige Unternehmen wie ASML und TSMC sind im Börsenumfeld wohlbekannt – Spoiler: Wenn man das Geschäftsmodell/Marktsegment der beiden Unternehmen versteht, wird auch schnell klar, warum sich das so schnell nicht ändern wird :). Ich möchte euch nicht mit technischen Details langweilen (für Interessierte gibt es weitaus bessere Quellen mit mehr Informationen), hoffe aber mit ein paar wesentlichen Informationen euch die Industrie besser verständlich machen zu können.

Hintergründe zu mir: Ich habe in einem von den neumodischen Studiengängen (Fancy-Name und dahinter dann 08/15-Physik-Chemie-Elektrotechnik-Informatik-Vorlesungen) mit Fokus auf Elektronik und Halbleiterfertigung/Mikrosystemtechnik studiert und bin seit >10 Jahren in der Halbleiterindustrie in einer kleinen Foundry beschäftigt. Meine Börsenerfahrung ist ähnlich lang, allerdings erst in den letzten Jahren auch Einzelinvests. Meine Anlagestrategie ist eine Mischung aus Trendfolge (@nmh Sternelisten), Fundamentalstrategie und Halbleiter-Bias.

Disclaimer: Von den später genannten Firmen habe ich die eine oder andere im Depot – einige Durchaus aufgrund meines Bias. Bitte bei allen Unternehmen immer weiterführend informieren und selbstständige Investmententscheidungen treffen.

Halbleiterindustrie #101:

Es war einmal...ok, ich versuche es ein bisschen einzukürzen. Was sind Microchips? Nehmen wir ein Beispiel aus dem Alltag: Jeder hat Lichtschalter und Lampen in seiner Wohnung. Schalter an = Licht an. Schalter aus = Licht aus. Ein Microchip ist vergleichbar: Man hat (ein ganz paar mehr) Schalter, und am Ende geht irgendwo ein Licht an. „Ganz paar mehr“ sind inzwischen über 100 Million Transistoren pro mm² und neben Glühlampen gibt es inzwischen dünne Displays – oder verschiedenste Datenspeicher (wenn man die Lampe lieber später anmachen möchte).

Der Weg dahin war lang: Der erste Transistor (Schalter) wurde 1947 vorgestellt, der erste integrierte Schaltkreis (mit zwei Transitoren) 1958 und erst in den 70er/80er Jahren wurden Integrationsdichten erreicht, mit denen Schaltkreise universeller anstatt nur für spezifische Anwendungen eingesetzt werden konnten => so genannte Prozessoren. Interessante Info: Auch heute noch ist der weitaus größere Teil der Schaltkreise „spezialisiert“: Kleine Chips mit ein paar Eingängen, ein paar Ausgängen und einer auf den Einsatzzweck optimierten, begrenzten Funktion dazwischen. Der Fachbegriff für diese Schaltkreise ist „ASIC“ (Application Specific Integrated Circuit).

Aber zurück zur Halbleiterfertigung: 1947 wurde der erste Transistor im Labor gefertigt. Das größte Problem war damals das Substrat in entsprechender Reinheit zu erzeugen. Im laufe der Industrialisierung gelang das immer besser und die ersten Firmen entstanden, die eigene Microchips herstellten und vermarkten. Hier war alles unter einem Dach: Schaltkreisdesign, später auch Simulation des Designs, Herstellung/Fertigung, Verkappslung (Einhäusung) und Test. Mit der Zeit wuchs der Markt und Firmen spezialisierten sich, bzw. Firmen mit ihrem spezifischen Know-how entwickelten ihre Geschäftsfelder – später mehr dazu.

Im laufe der Jahre ist die Fertigung immer besser geworden. Die bekannteste Messgröße ist die Strukturbreite – und damit einher das immer noch gültige Moore’s Law. Die Strukturbreite ist dabei ein Indikator für die kleinste Stelle im Schaltkreis – also z.B. die Länge des Transistor-Gates. Strukturbreiten im Mikrometerbereich kann man noch recht einfach im (einfachen) Labormaßstab herstellen, im Mikrometer und Sub-µm Bereich brauchen wir eine in die Jahre gekommene Fabrik (viele Fabriken aus den 80er/90er Jahren sind noch „im business“), unter 100 nm wurden erstmals in Fabriken ab dem Jahrtausendwechsel erreicht – und unter 10 nm schafft man nur noch mit neuster Herstellungstechnik (welche man meistens auch gleich in neue Fabriken stellt: bei 10 Mrd USD für Maschinen kommt es auf ein paar Millionen für das Gebäude auch nicht mehr an).

Man merkt schnell: Je kleiner, desto schwieriger ist die Herstellung – desto komplexer sind die Maschinen – und desto schwieriger wird es, die Investitionen und Betriebskosten dauerhaft zu decken. Insbesondere dort, wo mehrere Firmen im direkten Wettbewerb stehen, ist der Druck rechtzeitig mit der Entwicklung fertig und am Markt zu sein so hoch, dass es nur noch win-or-die gibt. Bekanntes Beispiel, an das sich der eine oder andere Börsianer noch erinnert: Qimonda war eine Ausgründung von Infineon, welche 2006 Insolvenz anmelden musste. Problem waren damals keine unüberwindbaren technische oder betriebswirtschaftliche Probleme, Problem war Zeit: Man hatte gute technische Ideen, lag mit der Entwicklung aber ca. 1...1,5 Jahre hinter der Konkurrenz zurück: in den wenigen Jahren des technologischen Vorsprungs wird das Geld verdient – sobald Wettbewerber dann den Markteintritt schaffen kommt man selten über Kostendeckung hinaus.

Aber gut, was ist die logische Entwicklung, wenn der Herstellprozess an sich hohe Angangsinvestitionen und Betriebskosten hat – und die Zeitleiste maßgeblich dafür ist, ob man überhaupt Geld verdienen kann? Zwei Entwicklungen (die sich auch noch gegenseitig verstärken):

1. „go fabless“: Wenn Herstellung keinen Spaß macht, lässt man es einfach andere machen.

Im ASIC-Segment verdient man Geld, wenn man eine Marktlücke entdeckt und dafür den passenden Chip bereitstellt. Um so eine Lücke zu finden benötigt man Kenntnisse von den Anwendungsgebieten – und von Schaltungsentwurf/Test. Das Bauen kann man problemlos den spezialisierten Fabriken überlassen: Die machen sich gegenseitig Konkurrenz, so dass ich für die Fertigung keine Mondpreise zahlen muss – und die Vermarktung des Chips mit Margen „was der Markt hergibt“ kann man wieder selbst übernehmen.

Im „leading edge“ Segment ist es ähnlich: Durch die Strukturgröße und den Fertigungsprozess definiert man zwar die Packungsdichte an Transitoren und die maximalen Taktfrequenzen – aber die Leistung des Chips hängt längst nicht mehr davon ab, wieviele Transistoren wie schnell miteinander arbeiten – sondern wie optimiert die Prozessoren auf ihre Anwendung sind. Die Entkopplung von Rechenleistung von Taktfrequenz konnte man erstmals beim AMD K7 beobachten (mein damaliger Athlon XP1700 hatte bei 1,46 GHz vergleichbare Leistung zum Pentium 4 mit 1700 MHz), inzwischen sieht man bei allen AMD und Intelmodellen: Jedes Jahr mehr Leistung, aber bei stagnierender – oder sogar geringerer Taktfrequenz. Auch hier gilt also: Viel Know-how steckt im Design – Marktführerschaften sind auch hier ohne „lästige Fabriken“ möglich.

2. „Foundry Business“: Wenn alle Fabless gehen, wer stellt dann die Chips her? Hier kommen die Foundries ins Spiel. Das Prinzip der Foundries: Auf maximale Kosteneffizienz trimmen. Das funktioniert, in dem man die Fabriken ausreichend (immer größer) baut – und möglichst immer an der Vollauslastung fährt. Der Effekt ist dem Betriebswirtschaftler unter dem Begriff „Economy of Scale“ bekannt: Die Fixkosten (Energie für Reinraumklimatisierung, Personalkosten) steigen deutlich geringer als der Output, im Ergebnis also bessere Kosten/Output. Vollauslastung erreicht man, in dem man eben nicht auf das (beschränkte) eigene Portfolio beschränkt ist (=abhängig von Nachfrage bestehender Produkte und Entwicklungszyklen künftiger Produkte), sondern eben als Foundry einen Stamm an Kunden hat. Anekdote aus meinem eigenen Arbeitsleben: Wir hatten mal zwei Kunden, die mit ihren Schaltkreisen zusammen 90% des Markts abdeckten. Die Fertigung erfolgte – ohne das die beiden Kunden dieses Wissen voneinander hatten – beide in derselben Fabrik. Dies war äußerst vorteilhaft für die Fabrikauslastung: Wenn der eine Kunde seine Bestellungen drosselte, konnte man darauf warten die Bestellung des anderen Kunden zu erhalten – dann hatte nämlich der eine Kunde einen Designzuschlag verloren und der andere den Zuschlag erhalten. Gut für eine Foundry.

Auch wenn exakte Informationen geheim gehalten werden: Die meisten Fabriken benötigen eine Auslastung von >85%, um profitabel arbeiten zu können => der Kostensenkungsdruck ist also trotz Spezialisierung auf den Fertigungsprozess immer da. In den letzten Jahren haben sich zwei Strategien entwickelt: Entweder besser/schneller die Kosten senken – oder Nischen/Spezialisierungen finden, die die anderen Foundries nicht anbieten können/wollen.

Wenn wir uns mal die historische Entwicklung der beiden„Großen“ im Business anschauen:

• AMD: 2013 erfolgte Abspaltung und Verkauf der Fertigung in das eigenständige Unternehmen Globalfoundries. Damit kann AMD (dort wo die Lieferverträge es zulassen) auch anderswo fertigen lassen – und Globalfoundries die Fabriken durch Aufträge von verschiedenen Kunden besser füllen.

• Intel: Jahrelang war Intel Marktführer, weil nicht nur exzellentes Know-how im Chipdesign und exzellentes Know-how in der Fertigung verfügbar waren, sondern beides auch aufeinander abgestimmt werden konnte. Insbesondere in der Zeit vom i80466 bis zum Pentium 4 lagen sie so immer vorn – seitdem ist die Performance mehr von Design als Fertigung bestimmt – und schlussendlich hat auch Intel Anfang 2021 verkündet bei <7 nm keine eigene Fertigung mehr aufzubauen und zu unterhalten.

...ob das so schlau war? Prozessordesign können andere auch (z.B. ARM) – bzw. lässt sich prinzipiell in endlicher Zeit erschließen (Apple-Pläne).

Einen anderen Weg ist Samsung gegangen: Bis 2005 wurden in den Samsung-Fertigungen nur Samsung-Chips hergestellt. Um kosteneffizienter zu werden ist man hier nicht den Weg der Trennung gegangen – sondern hat einfach Teile der eigenen Fertigungen auch für anderen Kunden geöffnet. Auch ein Weg.

Noch andere Wege gehen Größen wie Bosch (nicht börsennotiert) und ABB: Diese beiden Unternehmen unterhalten eigene Fertigungsstätten und fertigen darin nur eigene Produkte. Geschäftsmodell hier: Durch die vertikale Integration und die gute (führende) Positionierung am Markt mit den eigenen Produkten „gönnt“ man sich den Luxus der inhouse Fertigung – und schaut dabei nicht so genau auf den Dollar. Gerüchten zur Folge (genaue Zahlen sind leider nicht öffentlich) sind die Fertigungen dabei kostenseitig alles andere als konkurrenzfähig (=nicht gewinnbringend), solange man am Ende im Gesamtprodukt die Marge stimmt…

Zurück zum Foundry-Business:

Eine eigene Foundry zu gründen ist gar nicht mal so schwer: Komplette Fabriken wechseln immer mal den Besitzer – in der Regel ist man für läppische 50M...300M USD dabei. Eine solche Fabrik ist dann aber in der Regel 10-30 Jahre alt, im besten Fall für Strukturbreiten runter zu 60 nm geeignet und...teuer im Unterhalt. Sofern man die laufende Produktion und den Kundenstamm nicht mit übernimmt, steht die Fabrik erst einmal leer bzw. ist minimal ausgelastet. Bei üblichen Technologietransfer- und Qualifizierungszeiten ist man da ratzfatz dieselbe Größenordnung noch mal an laufenden Kosten los, bevor man sich langsam einer Gewinnzone auch nur nähert. Muss man die Kunden noch akquirieren – oder die Technologie entwickeln...vielleicht die Idee der eigenen Foundry doch noch mal zurückstellen. Nicht vergessen: Auslastung matters. Erst die letzten Prozente auf dem Weg zur Vollauslastung werfen Gewinne ab.

Eine Nummer größer? Nehmen wir mal an, wir heißen Apple oder Tesla – oder hatten gutes Glück bei GME-Spekulationen und Geld spielt keine Rolle. Eine Leading Edge Fabrik soll es sein, wir wollen uns eine 5 nm Foundry bauen. Das Portemonnaie muss in dem Fall trotzdem sehr groß sein: Bosch hat kürzlich eine neue Fabrik in Deutschland gebaut und sich nicht lumpen lassen – ca. 1 Mrd EUR wurden investiert. Für leading edge reicht das aber noch nicht, für eine <10 nm Fabrik muss man das 5-10 fache hinlegen. Hier entstehen Größenordnungen, wo selbst ein Intel sich zurückzieht und das Feld TSMC und Samsung überlässt.

Im Foundry-Segment ist TSMC Marktführer mit 55% Anteil (2020), Samsung folgt auf Platz 2 (25% Marktanteil in 2020). Die Nr. 3 (UMC, 6.9%) und Nr. 4 (Globalfoundris, 6.6%) sind bei Leading Edge nicht mehr am Start: Beide Firmen haben sich vor Jahren aus dem Rennen um kleinere Strukturgrößen zurückgezogen => keine Konkurrenz zu befürchten.

Kann also ein Apple oder Tesla oder GME-Glücksritter neu reinmogeln? Ausschließen mag ich es nicht, aber mit einer Zeitleiste von 2-3 Jahren (Fabrik bauen und Maschinen installieren/hochfahren) und weiteren 3-5 Jahren Entwicklung (m.E.n. so nur realistisch, wenn ein Lizenztransfer von TSMC oder Samsung stattfindet) wird das nicht schnell passieren.

Quintessenz:

• Der Markt an <10 nm Chips wird in den nächsten Jahren steigen. TSMC und Samsung teilen sich den Markt, es ist nicht – in absehbarer Zeit – mit Konkurrenz zu rechnen. Als Aktionär freut man sich über solche Nachrichten: (https://www.tomshardware.com/news/tmsc-is-reportedly-terminating-discounts-and-increasing-prices)

• Der übrige Foundry-Markt ist hart umkämpft und Foundries austauschbar: Prinzipiell nicht das Marktumfeld des schnell Dollars – Investmententscheidungen sollten gut durchdacht und regelmäßig überprüft werden.

Halbleiter #102 oder „Was macht eine Leading Edge Fabrik aus?“

Wie angemerkt: Von den 10 Mrd für die Fabrik gehen nur ein paar 100 Million USD in das Gebäude – der Rest sind Maschinen. Über die Jahre sind bei den Anlagenherstellern Großunternehmen entstanden – zum einen, um im zyklischen Geschäft überhaupt zu überleben – zum anderen, weil es sich einfacher in einer Marktführerschaft lebt und kleinere Konkurrenten daher einfach geschluckt oder in den Ruin getrieben wurden.

Kategorie 1: Monopolisten

ASML: Wenn man über Leading Edge Fertigung redet, kommt man an ASML nicht vorbei. ASML stellt Lithographiemaschinen her. Diese Maschinen übertragen die Strukturen von der Maske auf den Wafer, d.h. sie werden in jeder Ebene einmal benötigt – und bei einer tpyischen Ebenenanzahl von 20-80 Ebenen kommt da was zusammen. ASML ist eine ganze Weile im Geschäft, d.h. sie decken mit ihrer Produktpalette das gesamte Spektrum ab:

1 µm...0.35 µm: legacy Geschäft, i-line Lithographie, <5M USD pro Anlage, Konkurrenz (Nikon, Canon) vorhanden

0.25 µm...40 nm DUV und DUV-Immersion Lithography, 5...10M USD pro Anlage, Konkurrenz (Nikon) vorhanden, 60% Marktanteil

<40 nm: 150M USD pro Anlage, Monopolstellung

Auch hier ist der Vorsprung nicht „über Nacht“ entstanden, sondern beruht auf technischem Know-how und Forschungsinvestitionen, wo jegliche Konkurrenz irgendwann das Handtuch geschmissen hat. Unter der Hand sagt man: Wenn man mit ASML Geschäfte machen will, ruft man an und fragt ASML, wann sie liefern wollen und wieviel man bezahlen darf. Anscheinend hat auch der eine oder andere Aktionär das Geschäftsmodell verstanden.

KLA-Tencor: In eine ähnliche Kategorie fällt KLA-Tencor. KLA stellt Mess- und Inspektionsgeräte her – und das auf einem technischen Niveau, bei dem die Konkurrenz nicht mithalten kann. Im Gegensatz zu den EUV-Anlagen kosten solche Anlagen aber nur wenige Millionen USD pro Stück – und mit technischen Absrichen (z.B. Einsatz in weniger kritischen Ebenen) gibt es Modelle von der Konkurrenz, um Zumindest ein Mindestmaß an Preiswettkampf aufleben zu lassen. Die Position von KLA ist jedoch ausreichend gefestigt, dass man sich als Miteigentümer nicht darum sorgen muss morgen kein Geld mehr zu verdienen.

Kategorie 2: Marktführer

Die Top 3 der breiter aufgestellten Equipmenthersteller sind:

• Applied Materials (AMAT)

• Lam Research

• Tokyo Electron Limited (TEL)

Das Portfolio der Hersteller überschneidet sich in manchen Prozessgebieten, so dass die Hersteller immer in Konkurrenz zueinander stehen. Bei kleineren Fabriken konnte man oftmals noch durch „Fuß in die Tür“ kriegen eine Vorrangstellung aufbauen (wenn man nur 3-5 Maschinen hat, dann nicht 3-5 verschiedene Hersteller/Modelle mit 3-5 verschiedenen Ersatzteilanforderungen, Bedienungs/Wartungsvorschriften). Ausnahmen kommen nur vor, wenn ein Hersteller bestimmte technische Anforderungen besser gelöst hat als ein anderer und man diesen Vorteil unbedingt benötigt.

In den größeren Fabriken hingegen lautet die Strategie eher, die verschiedenen Hersteller gegeneinander auszuspielen: Wahlweise bekommt der Lieferant den Zuschlag, der das attraktivste Angebot macht – oder man fährt mehrgleisig und kauft zwei Dutzend Anlagen für einen Anwendungszweck von einem Hersteller – und zwei Dutzend vom anderen.

Alle drei Hersteller sind gestandene Lieferanten, d.h. auch hier besteht wenig Risiko, dass einer der Hersteller morgen „out of business“ ist. Das Equipment-Zulieferergeschäft ist jedoch (wie die Halbleiterindustrie) zyklisch: Übervolle Auftragsbücher und Expansionen wechseln sich mit Sparphasen und Gesundschrumpfen ab. Auch in den Down-Phasen verdienen die Hersteller an Service und Ersatzteilen – das weniger an Umsatz und unklare Marktentwicklungen spiegeln sich aber im Aktienkurs wieder. Investmententscheidungen daher auch immer mal überprüfen.

Wie hat euch der Beitrag gefallen? Konstruktives Feedback willkommen.

Falls euch die Informationen interessieren – oder bei (Nicht-)Investmententscheidungen helfen, könnte ich mir eine Fortführung in Richtung „weitere Zulieferindustrie“ (one of my favorites: Entegris), „Unternehmen au Design/Test“ und/oder „Beyond Leading Edge: Alternativen mit Zukunft“ vorstellen. Genauso ist gerne ein jeder eingeladen, eigene Unternehmen aus dem Halbleiterbereich vorzustellen.

Grüße

MrMunki

[Crazyalex]

Ich fasse mich kurz: WOW!

Gruß Crazyalex

[Lorenson]

Mensch Meier! Ich hab mich gerade an den Rechner gesetzt um ein bisschen über Halbleiter zu recherchieren weil ich auf der Suche nach einem neuen Einzeltitel für's Depot bin. Und dann dein Beitrag! Wie bestellt. Vielen Dank für die Mühe! Klasse!

[digitus]

@MrMunki: auch von mir ein herzhaftes WOW! 🤩

Danke für den umfangreichen und (ganz offensichtlich sehr) fundierten Artikel!

ASML steht bei mir schon länger auf der Watchlist 😎.

Grüße,

Andreas

[willywupps]

Besten Dank für Dein Engagement und die Fülle an sachkundigen Informationen. Der gesamte Bereich ist für mich als Nichttechniker leider ein Buch mit mindestens sieben Siegeln, weshalb ich Dir für den Thread sehr dankbar bin! Gerne mehr... 🙂

[GetBetter]

@MrMunki 

Ein absoluter Top-Beitrag. Vielen Dank dafür.

Da Siltronic (WAF300) wohl demnächst übernommen und damit mein Depot verlassen wird, bin ich ohnehin auf der Suche nach Ersatz in diesem Bereich. Da ich ASML schon habe hatte ich den neuen Semiconductor-ETF von VanEck im Visier.

Mit den neuen Informationen bewerte ich die Sache jetzt aber nochmal neu.

[digitus · Accepted solution]

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@GetBetter  schrieb:
Da ich ASML schon habe hatte ich den neuen Semiconductor-ETF von VanEck im Visier.

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Der ETF dürfte aber weiter eine gute Wahl sein ... Apropos, @MrMunki, was hältst Du vom Portfolio des VanEck Semiconductor?

Grüße,

Andreas

[Roha]

@MrMunki 

Vielen lieben Dank für diesen tollen Beitrag und einen tiefen Einblick in die Welt der Halbleiter.

Sehe ich das richtig,  dass man z.B. in AMD, TSMC und ASML investieren müsste,  um das gesamte Spektrum abzudecken?

[Kabelmann]

Wow das ist ein super Beitrag. Hat Spaß gemacht es zu lesen und war sehr informativ.

Die Frage von @digitus würde mich auch interessieren. Wie findest du @MrMunki das Portfolio des VanEck Semiconductor? Dieser Beitrag hat mich jedenfalls dazu inspiriert in besagten ETF demnächst zu investieren.

Gruß Kabelmann

[Zilch]

Hey @MrMunki

Vielen lieben Dank für den Beitrag. Ich habe ihn gleich zwei Mal gelesen. Wirklich toll!! 

Wenn meine Informationen stimmen braucht eine ASML Anlage drei Boeing Frachtmaschinen 😄 keine sichere Angabe! Ich weiß aber, dass man bei ASML im Bereich Halbleiter das hat, was Adobe für Software ist. Burggraben, Monopol, führend - vom Markt nicht wegzudenken.

Wird mein nächstes Hebelinvestment sobald der Kurs 464€ nachhaltig überwunden wurde. 

Zu Intel: 10nm-Fertigung hatte Probleme, mit 7nm Jahre hinterher (2022 sollen die kommen, noch CEO Swan sieht sich 2023 wieder im Fahrplan). Ich habe vor kurzem irgendwo gelesen, dass das geplante fabless nun nicht mehr sein soll und die nun doch 7nm selber fertigen. Müsste mal meine Zeitschriften durchblättern. Hier aber ein Link, in dem erwähnt wird, dass die eigene Fertigung bis 2023 laufen soll.

Zum Vergleich: TSMC hat für 2022 Aufträge von Apple für 3nm Chips, an denen TSMC als auch Samsung forscht (ich gebe auch aus dem Grund meine Samsung Aktien nicht wieder her). Hier ein Bericht zu TSMC und Apple. 

Intel hängt also extrem hinterher. 

@MrMunki was würdest du sagen:

TSMC oder Samsung (oder beides), dazu ASML, vielleicht noch AMD, und man ist gut für die Zukunft auf dem Gebiet gerüstet? Immerhin wird die Technologie immer mehr benötigt. IoT, autonomes fahren, E-Mobilität, Smartphones/Tablets/Wearables, künstliche Intelligenz, selbst Toaster und Co - alles bekommt nen Chip.

Danke!