Hardware ist wertvoll – und profitabel
Interview mit Ravi Subramanian, Siemens EDA
Wie verändert sich die Halbleiterbranche und was treibt die Hersteller an? Ravi Subramanian, Senior Vice President und General Manager des Geschäftsbereichs IC Verification Solutions bei Siemens EDA, kennt die Trends, denn sie zeigen sich früh in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen.
? Herr Subramanian, was bewegt aktuell den Halbleitermarkt und die Halbleiterindustrie?
! Ravi Subramanian: Ein im vergangenen Jahr veröffentlichter Bericht von IDC wies auf erhebliche Veränderungen der Gewinne der Halbleiterindustrie hin. In den vergangenen Jahren wurden Gewinne von Software auf Hardware migriert, auf Silizium-Chips und Endgeräte.
Die IDC-Grafik (Bild) zeigt eine signifikante Veränderung der Gewinnentwicklung hin zu Endgeräten und Halbleitern in den letzten zehn Jahren, in denen die Elektronikindustrie im Zeitalter der Digitalisierung einen zunehmenden Beitrag zum weltweiten BIP leistet.
Trotz COVID zeigt das Wachstum, das in bestimmten Halbleitermärkten verzeichnet werden konnte, einen dramatischen Unterschied im Vergleich zur Leistung der Halbleiterindustrie während früherer Abschwächungen in den Jahren 2000 und 2007.
Solange es weltweit eine eher lockere Geldpolitik gibt, sollten 2021 drei Dinge erwartet werden.
- Zunächst ist zu erwarten, dass sich ein signifikantes Wachstum bei den Halbleitern, die von Unternehmen entwickelt wurden, die nicht traditionelle Halbleiterhersteller sind, in den schnell wachsenden F&E-Ausgaben für die Entwicklung von Halbleitern durch diese Unternehmen widerspiegelt.
- Zweitens werden massive Investitionen in Branchen getätigt, in denen Daten beschafft, verarbeitet und analysiert werden, entweder am Rande oder im Kern verschiedener Netzwerke. Die Arbeitslasten in diesen Branchen ändern sich dahingehend, Daten zu verarbeiten und Einblicke in Kunden und deren Verwendung von Produkten zu gewinnen. Diese Bereiche bringen die Wirtschaftlichkeit der Unternehmen voran und sie werden daher die größten Nutznießer sein. Hyperscaler – auch »Wale« genannt – zeigen beispielsweise bereits, dass sie die stärksten Spieler in diesem Bereich sind. Sie werden weiterhin wachsen.
- Und schließlich wird der Halbleitermarkt in der zweiten Jahreshälfte expandieren und sich beschleunigen, wenn weltweit die Impfungen gegen COVID ihre Wirksamkeit zeigen. Die meisten Analysten und Ökonomen erwarten eine gleichzeitige wirtschaftliche Erholung in den verschiedenen Regionen. Das bedeutet, dass mehrere Regionen der Welt synchron wachsen – im Gegensatz zu einer Situation, in der in einigen Teilen der Welt die Märkte wachsen und in anderen Teilen der Welt die Märkte nicht wachsen. Wenn eine solche synchronisierte wirtschaftliche Erholung eintritt, steigt das Wachstum der Halbleiterhersteller drastisch in Bezug auf die Wachstumsrate, vor allem weil auch das BIP deutlich wächst.
? Sie sagten, dass die Treiber für dieses Wachstum die Datenverarbeitung und -analyse sind. Welche Märkte sind für das größte Wachstum verantwortlich?
! Subramanian: Der 5G-Markt gehört heute zu den wachstumsstärksten vertikalen Märkten und befindet sich in einer Phase des rasanten Anstiegs. Unternehmen wie Qualcomm und MediaTek berichten von steigenden Umsätzen, forciert von ihren 5G-Halbleitern, die wiederum viele verschiedene Branchen antreiben. Auf dem 5G-Markt geht es tatsächlich darum, neue Netzwerke für so viele Branchen jenseits von Audio und Video für Verbraucher zu ermöglichen – darunter Fertigung, Spiele, Gesundheitswesen und Verkehr.
Der zweite vertikale Markt ist der industrielle IoT-Markt. Dies ist der am schnellsten wachsende Bereich für Halbleiter. Industrielles IoT bezeichnet den Einsatz von Halbleitern in Fertigungsumgebungen, in denen Chips in Sensoren, Steuerungssystemen und Computern für die Herstellung von Produkten verwendet werden. Dies sind etwa Chips in Industriecomputern oder speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Die Automatisierung der Fabriken treibt die digitale Transformation an. Dies schafft eine große Chance für Halbleiter, da es dort viele Bestandssysteme mit Upgrade-Potenzial und Optionen für neue Systeme gibt.
Neue Systeme werden entwickelt, um die Produktionseffizienz drastisch zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken, um Produkte wesentlich effizienter zu entwickeln. Das reicht von Systemen für Lebensmittel- und Getränkeverpackungen bis hin zu Flugzeugen der nächsten Generation, wie elektrischen Privatflugzeugen, und allem dazwischen. Fertigungssysteme sind ein wichtiger Wachstumsbereich im kommenden Jahrzehnt. Siemens ist führend in der industriellen Automatisierung und ermöglicht die digitale Transformation dieser Branchen.
Der dritte vertikale Markt ist die Welt der Rechenzentren, in der Unternehmen riesige Datenmengen verarbeiten. Unternehmen wie Facebook, Instagram oder Google sowie Unternehmen im Bereich des Internethandels bieten stark nachgefragte Dienstleistungen an und unterstützen die Vernetzung zwischen Menschen, um soziale Netzwerke und Wirtschaftsökosysteme rund um soziale Netzwerke zu schaffen, die von Informationssuche und Handel getrieben werden. Die Nachfrage wächst rasant, weil immer mehr visuelle und audiobasierte Kommunikationsschnittstellen eingesetzt werden, die einzigartige Erlebnisse schaffen. Der Bedarf an Rechenleistung in Rechenzentren wächst drastisch und verändert sich gleichzeitig, was den Bedarf an immer leistungsfähigeren Halbleitern vorantreibt. Das entscheidende Problem dabei ist, dass das schiere Datenvolumen und die Rechenleistung so groß sind, dass die Effizienz bei der Entscheidung, wie viel an Rechenzentrumskapazität gebaut werden soll, an erster Stelle steht. Immer mehr Unternehmen in diesem Bereich wie Google, Microsoft und Amazon entwickeln ihre eigenen Chips, um mit neuen und vielfältigen Arbeitslasten bei einer gesteigerten Energieeffizienz eine deutlich höhere Recheneffizienz zu erzielen. Betrachtet man die F&E-Ausgaben dieser Unternehmen und was die Nachfrage nach mehr F&E antreibt, kommt es wirklich auf eine leistungsfähige, energieeffiziente Verarbeitung der Daten im Rechenzentrum an.
Der letzte Markt ist der Verkehr. Viele fokussieren auf Autos, aber ich ziehe es vor, das gesamte Verkehrswesen zu betrachten. Es umfasst Automobile, Robotik und autonome Fahrzeuge und immer ist Sicherheit ein wichtiger Faktor. Fahrerassistenzsysteme, Sicherheitssysteme in Autos, Systeme in Drohnen und Robotern sind Beiträge zur Entwicklung von Verkehrssystemen in einer Umgebung, die autonomer, elektrischer und stärker von Sicherheitsbeschränkungen beeinflusst wird.
? Welchen Einfluss hat COVID auf diese Märkte?
! Subramanian: COVID löste die allgemeine Verbreitung der Telearbeit aus, was den Umsatz bei Rechenzentren, Netzwerkausrüstung, Speichern sowie Notebooks und Tablet-PCs, die für das Homeoffice benötigt werden, ankurbelte. Bestimmte Techniksektoren und Halbleiterkategorien sind dadurch sehr stark gewachsen.
Andererseits hatte die Automobilindustrie aufgrund der Auswirkungen von COVID auf die Lieferkette und anderer Faktoren, die die Automobilindustrie beeinträchtigten, eines der schlechtesten Jahre. Sie erholt sich jetzt, aber COVID machte deutlich, dass nicht alle Techniksektoren gleich sind. Einige verzeichnen ein stärkeres Wachstum aufgrund der Entwicklung durch COVID.
Eine gewisse Normalisierung ist jetzt im Gange, aber die Ausgaben für traditionelle Konsumprodukte und langlebige Konsumgüter wurden zurückgehalten, bis zu den Feiertagen am Jahresende, als der Verkauf wieder dramatisch zunahm. Während des größten Teils des Jahres jedoch schrumpfte das BIP aufgrund des Rückgangs der Ausgaben erheblich. In den USA machen die Konsumausgaben etwa 65 % des BIP aus, sodass ein Großteil des BIP-Rückgangs durch eine sinkende Nachfrage nach Dienstleistungen und Konsumgütern bedingt ist. COVID hatte Auswirkungen auf eine ganze Reihe von Branchen. Manche sagen, dass COVID die Digitalisierung beschleunigte.
? Wie werden sich dieses Wachstum und die Marktveränderung auf die EDA-Branche (Electronic Design Automation) allgemein und Siemens EDA speziell auswirken?
! Subramanian: Die EDA-Branche ist seit vielen Jahren an F&E-Investitionen von Halbleiterunternehmen gebunden. Aber die EDA-Branche beschränkt sich künftig nicht nur auf die F&E-Budgets von Halbleiterunternehmen. Sie wird vielmehr eher durch F&E-Ausgaben von Nicht-Halbleiterunternehmen vorangetrieben. Wir haben über Automobilindustrie und Hyperscaler gesprochen, aber wir haben auch Halbleiter in vielen anderen Branchen. Und immer mehr Systemunternehmen bauen Produkte, die Halbleiter enthalten. All diese Aktivitäten erweitern den EDA-Markt.
Es ist für die EDA-Branche von entscheidender Bedeutung, eine Systemsicht einzunehmen und den Begriff des Produktlebenszyklus in das Management elektronischer Produkte zu integrieren. Eine Systemsicht erweitert den Fokus über einzelne Halbleiter hinaus auf Platinen, Gehäuse, Module, auf denen sie installiert sind, und die Systeme, in denen sie eingebaut sind, bis hin zur Umgebung, in der das System betrieben wird.
EDA muss all das berücksichtigen. Automobilhersteller müssen beispielsweise wissen, wie sich ein bestimmtes Gerät in einem Auto unter verschiedenen Verkehrs- und Umweltbedingungen verhält. Heute versucht man dieses Problem zu lösen, indem man tonnenweise Daten aus realen Daten oder synthetisierten Szenarien sammelt. Die Systemszenarien müssen in Umgebungen dargestellt werden, die den Betrieb des Chips und die auf dem Chip ausgeführte Software modellieren. Die Zusammenführung der Systemperspektive und die umfassende Berücksichtigung von Chip, Software, Sensor, System und Umgebung ist unerlässlich.
Die Validierung und Zertifizierung von Systemen sind von entscheidender Bedeutung. Dazu wird eine virtuelle Umgebung geschaffen, um den Chip zusammen mit der entsprechenden Software zu validieren und zu zertifizieren, d.h. es werden Szenarien für den Betrieb der Chips demonstriert und ausgeführt – und auf den Chips läuft die für die Funktion benötigte Software.
Sicherheit ist hierbei genauso wichtig wie die Grundfunktion des Produkts. Es wird immer schwieriger, beides zu entkoppeln. Das macht virtuelle Zertifizierung zu einem obligatorischen Ansatz und verlangt nach dem Konzept des digitalen Zwillings, der Ausdruck des zugrundeliegenden Themas einer Systemperspektive ist.
Diese Perspektive gibt es nicht nur bei Siemens. Siemens war sicherlich ein Pionier bei der Umsetzung der Vision rund um den digitalen Zwilling. Heute haben wir digitale Zwillinge für Autos, Düsentriebwerke, Flugzeuge sowie für verschiedene Teile des menschlichen Körpers. In Kürze werden wir digitale Zwillinge für biologische Systeme, elektrische Systeme und mechanische Systeme haben.
Der nächste Schritt für die EDA-Technik beginnt dort, wo die Systemperspektive und digitale Zwillinge ins Spiel kommen. Die Fortschritte bei der Halbleiter- und Gehäusetechnik führen dazu, dass EDA-Software die Entwicklung heterogener Multi-Die-Systeme mit höheren Kapazitäten und mehr Leistung unterstützen muss. Ich glaube, dass die Welt der digitalen Zwillinge, die Welt der Chips und die Welt des Produktmanagements gemeinsam die Zukunft der EDA- Technik prägen werden.
Im Hinblick auf die Wachstumsaussichten des EDA-Marktes ergeben sich die größten Chancen aus der Verifizierung, von Chips über Systeme bis hin zu Software. Unter ihnen sind die Verifizierung und Validierung von Systemen heute der am schnellsten wachsende Teil der EDA-Branche, was sie zur Priorität für Investitionen macht. Es ist von grundlegender Bedeutung, Software für das Verifizieren und Validieren anzubieten, sowohl dynamische Simulationen und Analysen als auch statische Techniken sowie hardwarebasierte Verifizierungsplattformen wie zum Beispiel Emulation und FPGA-Prototyping. Beispielsweise erleben wir eine Renaissance bei der formalen Verifikation, Techniken mit höherer systematischer Testabdeckung und KI-/ML-unterstützten Analysetechniken.
Bei hardwaregestützten Verifizierungsplattformen sind die wachsenden Chipgrößen die Haupttreiber, nicht nur bei Single-Die-, sondern auch bei Multi- Die-Systemen. Ein weiterer Treiber ist die Notwendigkeit, eine arbeitslastbasierte Softwareanalyse durchzuführen, nicht nur die Funktion der Chips, sondern auch die Arbeitslasten, unter denen sie laufen und was das in Bezug auf Leistung und Stromaufnahme bedeutet.
Verschiedene Probleme können große Möglichkeiten für F&E mit sich bringen, z.B. läuft die Software in verschiedenen Szenarien? Kann man Szenarien erstellen, die den Chip angreifen, und wie verhält sich dann die Software? Kann man Methoden des Lernens einsetzen, um zu verstehen, wie sich der Chip in einer normalen Situation richtig verhalten sollte? Was ist mit Hard- und Software? Und wie sollten sie sich in Situationen ändern, in denen die Sicherheit kompromittiert wurde?
Die wichtigste Frage in Bezug auf Sicherheit ist, wie viel Sicherheit reicht aus. Dies erzwingt eine systematischere Testabdeckung und die Einbeziehung statistischer Methoden, was zu einer Renaissance der Definition und Gestaltung von Experimenten führt.
KI ist in all diesen Bereichen eine Grundlagentechnik. KI kann auf alle Bereiche angewendet werden, da es viele Daten gibt, mit denen gearbeitet werden kann. Ich glaube, dass die Anwendung immer fortschrittlicherer Konzepte aus Statistik und Stochastik zusammen mit künstlicher Intelligenz die nächste Innovationswelle in der EDA-Technik vorantreiben wird.
? Erwarten Sie eine weitere Konsolidierung der Halbleiterbranche?
! Subramanian: Derzeit sind die Unternehmensbewertungen in der Halbleiterindustrie aufgrund des starken Wachstums und einer lockeren Geldpolitik sehr hoch. Unternehmen haben Geld für Übernahmen, das sie vor einem Jahrzehnt noch nicht hatten, und sie können davon profitieren. Betrachtet man den US-Dollarbetrag von Mergers & Acquisitions im Jahr 2020, so ist er der höchste aller Zeiten in der Halbleiterindustrie. Es gibt eine zunehmende Erkenntnis, dass Halbleiter Gewinne erzielen, und solange wir diese Preise haben, erwarte ich eine stärkere Konsolidierung.
Dies zeigen die drei großen Ankündigungen des letzten Jahres: Nvidia-Arm, AMD-Xilinx und Marvell-Inphi. Wir können davon ausgehen, dass wir mehr Konsolidierung sehen, wenn Unternehmen ihr Produktportfolio im Hinblick auf die Märkte überprüfen, in denen sie wachsen und eine führende Position aufbauen möchten.
Zahlreiche Unternehmen haben in den letzten fünf Jahren im Hype des Gartner-Technikzyklus KI-Chips und Halbleiter für KI und ML entwickelt. Derzeit wachsen die M&A-Bilanzen der Investmentbanken nicht nur durch Halbleiter, sondern auch durch Nicht-Halbleiterunternehmen und Systemunternehmen, die Halbleiterunternehmen kaufen, deutlich. Apple, Google, Microsoft, Amazon tun das. Wir können davon ausgehen, dass sich dieser Trend fortsetzen wird.
Einige Unternehmen, die vor Jahren angefangen haben, werden nicht mehr finanziert, andere dagegen werde weiterhin finanziert. Es gibt einen grundlegenden Unterschied zwischen diesen beiden Unternehmensklassen. Unternehmen der ersten Kategorie haben einen Chip entwickelt, haben aber den Einsatz ihres Chips in bestimmte Branchen nicht ausreichend analysiert – sie waren in ihrem Ansatz generisch. Unternehmen der zweiten Kategorie konzentrierten sich auf eine bestimmte Branche, einen bestimmten Markt und einen bestimmten Einsatz. Diese Unternehmen werden bewertet und können sofort ihren Wert für den Einsatz nachweisen.
Heute gibt es einen stärkeren Trend zur Qualität. Das bedeutet, dass das Geld der Qualität von Unternehmen folgt, die die Fähigkeit unter Beweis gestellt haben, neue Computerarchitekturen oder eine Softwarearchitektur zu entwickeln sowie eine Analyse des Einsatzes durchzuführen, um ein einzigartiges Preis-Leistungs-Verhältnis für diesen Einsatz zu liefern.
Viele Unternehmen der ersten Kategorie existieren nicht mehr, diejenigen aber, die den Trend zur Qualität verstanden haben, werden weiterhin erfolgreich sein.
? Vielen Dank für das Gespräch.
Ravi Subramanian, Ph.D.
ist Senior Vice President bei Siemens EDA und verantwortlich für den Geschäftsbereich IC Verification Solutions, der sich erstreckt über die Simulation und Analyse von analogen, HF- und Mixed-Signal-Schaltungen bis zur Verifikation und Validierung von Soft- und Hardware digitaler ICs für die Märkte Automobil, Funkkommunikation, Rechenzentren und IoT.
