Einleitung: Prozessoren und ihre Rolle in digitalen Technologien
Computer sind, wie alle anderen digitalen Geräte, eine Zusammenstellung mehrerer elektronischer Komponenten, insbesondere:
- Die Hauptplatine, die die verschiedenen Elemente verbindet, die Aufgaben koordiniert und die Ressourcen zuweist (Abbildung 1):
- Der Prozessor, der die Aufgaben ausführt (Nummer 1);
- Der Arbeitsspeicher (oder RAM), der Informationen vorübergehend speichert, sodass sie für den Prozessor schnell zugänglich sind (Nummer 6);
- Die Festplatte, die alle für den Betrieb des Computers nötigen Daten sowie die Nutzerdaten dauerhafter speichert (Nummern 4 und 5);
- Der Grafikprozessor, der grafische Daten verarbeitet, um deren Anzeige zu ermöglichen. Sein Aufbau und seine Zusammensetzung sind dem Prozessor recht ähnlich (Nummer 14).
Was ist ein Prozessor und wie funktioniert er?
Die Prozessoren, um die es hier geht, bestehen aus kleineren Einheiten – den Transistoren. Diese Transistoren bilden logische Schaltungen, die die durchfliessenden Informationen in Form elektrischer Ströme verarbeiten. Die Rechenleistung eines Prozessors hängt von der Anzahl der Transistoren ab, die er enthält – eine Zahl, die mit immer feineren Technologien zunimmt. Gemäss Moores Gesetz (Abbildung 2) soll sich die Transistordichte auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppeln. Dieses Postulat erwies sich über Jahrzehnte als näherungsweise zutreffend, wird aber durch physikalische Grenzen ausgebremst, sodass sich die Entwicklung der Rechenleistung von Moores Gesetz entfernt.
Transistoren: das Herzstück elektronischer Chips
Die zwei Arten von Chips: Logik und Speicher
Die häufigsten Prozessortypen sind Logik-Chips und Speicher-Chips:
- Erstere sind die «Gehirne» der elektronischen Geräte, die Informationen verarbeiten, um eine Aufgabe auszuführen. Sie sind essenziell für deren Betrieb, da sie die Rechenleistung für alle digitalen Geräte – vom Server bis zum kleinen vernetzten Objekt – liefern.
- Letztere erfüllen die Funktion der Datenspeicherung. Es gibt zwei Typen: den flüchtigen Speicher, der beim Ausschalten des Geräts gelöscht wird (DRAM-Chips), und den nichtflüchtigen Speicher, der erhalten bleibt (NAND-Chips). Mehr Details siehe Artikel von ASML.
Unser Artikel konzentriert sich insbesondere auf die Umweltauswirkungen dieser beiden Chiptypen.
Herstellungsprozesse elektronischer Chips
Die Schlüsselschritte der Herstellung eines Silizium-Wafers
Die Herstellung der Halbleiter ist eine der wesentlichen Verschmutzungsquellen im Lebenszyklus dieser Komponenten. Es ist daher wichtig, die eingesetzten Verfahren grundsätzlich zu kennen, um die Ursachen der Umweltauswirkungen zu verstehen.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, werden Chips – stark vereinfacht (mehr Details hier, auf Englisch) – aus einer Grundlage aus reinem, perfekt poliertem Silizium in Form einer Scheibe von rund 200 mm Durchmesser, dem sogenannten Wafer, hergestellt. Anschliessend werden Materialschichten – meist Oxide – auf der Siliziumscheibe abgeschieden, gefolgt von einer Photoresist-Schicht. Der Wafer wird danach einem Laserstrahl ausgesetzt, also einem kontrollierten und durch eine Linse projizierten Lichtstrahl, um den gewünschten integrierten Schaltkreis auf das Resist zu zeichnen.
Die Rolle des Photoresists und des Lasers bei der Belichtung
Der Schaltkreis wird anschliessend geätzt, indem ein Teil der Photoresist- und Oxidschicht entfernt wird, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Eine sehr geringe Menge an geladenen Teilchen wird dann auf die Oberfläche aufgebracht, um unterschiedliche Halbleiterzonen zu schaffen. Danach wird das überflüssige Photoresist entfernt und es werden metallische Leiterbahnen auf den Wafer gelegt, um die Transistoren zu verbinden. Dieser Schritt umfasst rund ein Dutzend zusätzliche Photoresist-Laser-Ätz-Zyklen. Chips werden so Schicht für Schicht aufgebaut, indem der Vorgang 40- bis 100-mal wiederholt wird, um einen komplexen integrierten Schaltkreis zu erhalten. Sobald der Wafer-Bearbeitungszyklus abgeschlossen ist, werden die Wafer in einzelne Chips zerschnitten, getestet und in Schutzgehäusen verkapselt.
Strukturbreite: technologische und ökologische Herausforderungen
Es ist die Auflösung des Lasers, bestimmt durch die Wellenlänge der Lichtquelle, die die Grösse der Halbleiter-Nodes (technology node) festlegt. Diese Masseinheit (in Nanometern), die ursprünglich auf die Länge des Transistor-Gates verwies, entspricht heute keiner physikalischen Messung mehr, sondern dient zur Bezeichnung einer bestimmten Generation der Chip-Strukturierungstechnologie und der zugehörigen Leistung.
Die Strukturbreite des Lasers beeinflusst die Transistordichte und damit die Menge der pro Schaltkreisfläche verarbeitbaren Informationen. Eine kleinere Node weist darauf hin, dass der Prozessor leistungsfähiger und energieeffizienter ist.
Umweltauswirkungen der Chips: CO₂-Emissionen und Wasserverbrauch
Wir haben gesehen, dass die Chip-Herstellung auf besonders komplexen Verfahren beruht. Die mit den verschiedenen Herstellungsschritten verbundenen Umweltauswirkungen werden zunehmend untersucht und von der Mikroelektronik-Industrie berücksichtigt. Verschiedene Forschungs- und Industriegruppen befassen sich mit der Frage der Umweltauswirkungen von Chips. In Europa ist Imec (Interuniversity Microelectronics Centre) das grösste unabhängige Forschungs- und Innovationszentrum im Bereich Nanoelektronik und digitale Technologien. 1984 in Belgien gegründet, hat die Organisation das Ziel, Halbleiter energieeffizienter und verantwortungsvoller zu gestalten. Sie stellt unter anderem ein teilweise öffentliches Werkzeug zur Schätzung der Umweltauswirkungen der Chip-Herstellung je nach Node bereit (imec.netzero).
CO₂-Emissionen pro Technologie und Scope (Abbildung 4)
Die wachsenden Auswirkungen der feinsten Nodes
Abbildung 4 stammt aus der öffentlichen Version des Tools netzero.imec. Sie zeigt die Treibhausgasemissionen (THG) in kg CO2-Äquivalent für 12 Node-Typen (oben am ältesten, unten am neuesten) je nach verwendeter Technologie (Strukturbreite) und nach den durch die BGES-Methodik definierten Scopes. Man stellt einen Anstieg der Emissionen bei feinerer Strukturbreite fest, hauptsächlich aufgrund der zunehmenden Anzahl Herstellungsschritte bei den kleinsten Nodes. Zudem ist für alle Chips der Scope 2 für den Grossteil der Auswirkungen verantwortlich. Dies erklärt sich durch die sehr energieintensiven Maschinen und Verfahren. Hinzu kommt, dass sich die Halbleiterindustrie überwiegend in einer Region mit stark CO2-belastetem Strom befindet (Süd- und Ostasien).
Der Wasserverbrauch und die Ressourcenkonflikte in Taiwan
Die Chip-Herstellung verursacht auch andere Umweltauswirkungen. So benötigen die Reinigungsschritte grosse Mengen hochreinen Wassers – eine in Taiwan bereits relativ knappe Ressource. Während einer besonders intensiven Dürre 2021 wurde die Bewässerung eines Viertels der Reisfelder des Landes zugunsten der Chipfabriken eingestellt (Reporterre). Ebenso muss das für die Wafer verwendete Silizium extrem rein sein (99,99999999%), was komplexe und energie- sowie ressourcenintensive Reinigungsschritte erfordert.
Wie lassen sich diese Auswirkungen begrenzen? Lösungen und Best Practices
Übergang zu kohlenstoffärmerem Strom: Herausforderungen und Chancen
Aufseiten der Hersteller würde der Übergang zu kohlenstoffärmerem Strom die mit Chips verbundenen Treibhausgasemissionen reduzieren – etwa durch den Einsatz erneuerbarer Energien. Die Umsetzung bleibt jedoch komplex, da Taiwan der weltweit wichtigste Chip-Lieferant ist. Das Land müsste seine Energiewende stark beschleunigen, um genügend zu produzieren und seine Klimaziele zu erreichen. Das Thema wird detailliert in diesem wissenschaftlichen Artikel (auf Englisch) behandelt.
Die Abscheidung von Treibhausgasen in den Werken
Innerhalb der Prozesse selbst gibt es Praktiken, die ebenfalls die Treibhausgasemissionen begrenzen, etwa die Abscheidung. Die eingesetzten Gase werden nie vollständig verbraucht und können giftig, brennbar oder mit hohem Treibhauspotenzial sein. Die Luftreinhaltevorschriften der einzelnen Länder verlangen daher die Behandlung gefährlicher Gase, bevor diese freigesetzt werden – durch Auffangen, Verbrennen oder chemische Reaktionen (z. B. TSMC). Diese Praxis auf alle klimarelevanten Gase auszuweiten, könnte die Umweltauswirkungen der Industrie weiter senken.
Die Lebensdauer von Chips verlängern: Refurbishment und Kreislaufwirtschaft
Sobald Chips hergestellt sind, ist der grösste Hebel zur Kompensation ihrer Umweltauswirkungen die Verlängerung ihrer Lebensdauer. Bei Smartphones und Computern kann dies bedeuten, das Material durch Refurbishment in ein zweites Leben zu überführen. Es kann auch darum gehen, Komponenten alter Geräte zu trennen und einzelne Teile wiederzuverwenden, um ein neues Gerät zu bauen, das einem konkreten Bedarf entspricht.
Der Fall Citronics und der Mikrocomputer
Dieses zirkuläre Modell entsteht zunehmend, mit Akteuren wie Citronics, das die Prozessoren alter Telefone wiederverwendet, um Mikrocomputer zu bauen, die anschliessend für Automatisierung oder im Energiesektor zum Einsatz kommen.
Versorgungsfragen und die Abhängigkeit von asiatischen Ländern
Dominanz Taiwans und Südkoreas in der weltweiten Produktion
Wie oben erwähnt, repräsentiert Südostasien den Grossteil der weltweiten Prozessorproduktion mit nahezu 300 Milliarden Dollar bei einem Marktvolumen von 525 Milliarden im Jahr 2023. In Bezug auf die Anzahl der Produktionsstätten stellt Ostasien 66% der weltweiten Standorte. Taiwan produziert 60% der weltweiten Halbleiter und 90% der fortschrittlichsten Logik-Chips. Bei den Speicher-Chips halten koreanische Unternehmen einen dominanten Anteil von 60% am Markt.
Warum sind Europa und die USA im Rückstand?
In Europa fehlt es an Spitzenanlagen in diesem Bereich. Auch wenn es mehrere relativ fortgeschrittene Standorte (STMicroelectronics, GlobalFoundries) gibt, entfällt der Grossteil der europäischen Produktion (knapp 50%) auf relativ ältere Technologien (Strukturbreite ab 180 nm), die für Anwendungen in Industrie und Automobil bestimmt sind. Fortgeschrittene Technologien etwa für Smartphones oder High-End-Computer werden in Europa kaum produziert. Die USA hingegen verfügen über eine gute Produktionskapazität für alle Technologietypen bis zu 10 nm Strukturbreite. Nur Taiwan und Südkorea verfügen über die erforderliche Infrastruktur zur Herstellung der neuesten Spitzen-Chips mit einer Strukturbreite unter 10 nm (Abbildung 5).
Die geopolitischen und wirtschaftlichen Risiken dieser Abhängigkeit
Zusammenfassend stehen Halbleiter im Zentrum neuer Technologien. Während die Innovationen in den Herstellungsprozessen seit den 1970er-Jahren die Strukturbreite um den Faktor 10’000 verringert haben, sind die mit diesen Komponenten verbundenen Umweltauswirkungen ebenfalls gestiegen. Ob mit Blick auf den Klimawandel oder den Wasserstress: Je fortgeschrittener die Technologien, desto grösser die Auswirkungen – trotz der Optimierung der Verfahren. Es besteht also eine doppelte Herausforderung, da die Produktion mehrheitlich in Asien angesiedelt ist.
Welche Lösungen, um einen Teil der Produktion zu relokalisieren?
Zunächst würde die Errichtung von Produktionsstandorten in einer Region mit geringerer Umweltbelastung des Strommix die durch die Herstellung dieser Komponenten verursachte Verschmutzung begrenzen. Zudem würde die Etablierung fortschrittlicher Produktionsstandorte in Europa die Abhängigkeit von Südostasien reduzieren. Solche Infrastrukturen in Europa an einem Standort mit relativ reichlich vorhandenen kohlenstoffarmen Energiequellen und Wasser zu planen, wäre ein Ansatz, um beide Problemfelder zu adressieren. Diese Überlegung ist umso dringlicher, als neue Anwendungen entstehen, die immer mehr Rechenleistung erfordern. So weisen die neuesten für die künstliche Intelligenz entwickelten Chips kolossale Umweltauswirkungen auf – beispielsweise verursacht die Herstellung des Nvidia HGX H100 GPU eine Klimawirkung von 1’312 kg CO₂-Äq..