Software in der Halbleiterindustrie – Herausforderungen und Innovationen einer spezialisierten Branche

Für unser NEXT-Magazin zum Schwerpunktthema Software konnten wir über diese und weitere Fragen mit Frank Geißler (Director Sales, Kontron AIS) sowie Thomas Leps (Director Hightech Verticals, SYSTEMA) sprechen. Beide Unternehmen entwickeln unter anderem maßgeschneiderte Softwarelösungen für die Halbleiterindustrie und insbesondere für die im Dresdner Norden ansässigen Fabs. Während sich Kontron AIS auf Equipment Control, Equipment Interfaces und Line Control im Backend konzentriert, beschäftigt sich SYSTEMA mit MES und Host-Systemen bzw. Hochautomatisierung in Frontend und Backend. Das daraus resultierende sehr spezifische Branchenwissen und die darauf aufbauenden, häufig individuellen Softwarelösungen sind beispielhaft für das, was zahlreiche sächsischen Softwareunternehmen leisten können.

Inwiefern unterscheidet sich die Softwareentwicklung für bzw. in der Halbleiterindustrie von der in anderen Branchen?

Frank Geißler: Die Halbleiterindustrie ist im Gegensatz zu anderen Branchen stark durch die von der SEMI-Organisation erarbeiteten Standards definiert. Gerade im Hinblick auf die in der Halbleiterindustrie übliche Maschinenintegration mittels SECS/GEM, GEM300 und EDA sind diverse Standards zu beachten. Diese haben auch unmittelbare Auswirkungen auf die Maschinensteuerung in Bezug auf das Auftragsmanagement und die automatisierte Beladung mittels OHT (Overhead Transport) und AGV (Automated Guided Vehicle). Somit braucht es für Softwareentwicklung in der Halbleiterindustrie nicht nur technische Expertise, sondern auch ein tiefgreifendes Verständnis für die einzigartigen Anforderungen dieser hochspezialisierten Branche.

Thomas Leps: Wir sehen die Halbleiterindustrie vor allem als Vorreiter bei Automatisierung und Produktionssoftware: Die von Frank Geißler angesprochenen Standards haben sich lange vor Industrie 4.0 etabliert. Zwei wesentliche Dinge sind aus unserer Sicht zum einen die Komplexität der Prozesse und Systeme und zum anderen die Qualitätsanforderungen. In der Halbleiter-Frontend-Fertigung mit 1.000 und mehr Prozessschritten muss in einem hochautomatisierten Reinraum mit zahllosen Systemen alles wie am Schnürchen zusammenspielen. Anpassungen an der Software und deren Rollout erfolgen meist remote und dürfen den laufenden Fab-Betrieb nicht stören, oder wie ein Kollege es ausdrückt: Das ist wie eine Herzoperation während eines Marathonlaufs oder das berühmte „Changing tires on a rolling bus“. Aber auch die Software ändert sich (noch) nicht so häufig: Anwendungen werden oft jahrzehntelang betrieben. Diese „Legacy Software“ muss dennoch gewartet und funktionsfähig gehalten werden.

In welchen Bereichen der Halbleiterindustrie ist Software aktuell am wichtigsten und wie hat sich die Rolle der Software im Laufe der Zeit verändert?

Frank Geißler: In der Halbleiterindustrie gibt es schon seit Jahrzehnten eine hohe Integrationstiefe. Die im Sinne von Industrie 4.0 definierte Konnektivität war und ist daher bereits gelebte Praxis, ebenso wie die Nutzung von Daten zur Prozessoptimierung. In den letzten Jahren hat die Integrationstiefe sogar noch einmal zugenommen und auch kleinere Fabriken sowie Backend-Standorte nutzen den umfangreicheren GEM300-Standard zur Anlagenintegration. In diesem Sinne wird der EDA-Standard auch in größerem Umfang genutzt, um umfassendere Daten für die Produktion durch Maschinen bereitzustellen. Darüber hinaus nimmt der Anteil der Software, die Halbleiterlieferanten zu und auf ihren Produkten bereitstellen, stark zu, so dass die Produkte immer komplexer werden.

Thomas Leps: Etliche Fab-Betreiber verfolgen die Vision der „Lights-out-Fab“, d.h. sie erhöhen stetig den Automatisierungsgrad, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Früher stand vor allem die Unterstützung und Entlastung der Operator im Vordergrund, um z.B. Material leichter identifizieren und anfahren zu können; dazu wurden hochautomatisierte Systeme etabliert, d.h. der „Happy Path“ eines Ablaufs bzw. Prozesses ist vollständig in Software abgebildet, Operator und Ingenieur greifen nur im Fehlerfall ein. Inzwischen stell sich eher die Frage: Was geht noch ohne Software? Ein guter Freund hat es neulich plakativ so ausgedrückt: „Jedes Unternehmen muss ein Softwareunternehmen werden, manche haben das nur noch nicht verstanden“.

Wo bestehen in der Produktion denn aktuell noch größere Herausforderungen und wie kann Software hierbei unterstützen?

Frank Geißler: Eine Herausforderung liegt sicherlich in der gezielten Nutzung von KI. Deren Möglichkeiten für Prozessoptimierungen und -analysen sind gerade in Halbleiterfabriken mit den sehr langen Durchlaufzeiten (ca. 12 Wochen und mehr) und der hochintegrierten Produktionslandschaft sehr umfangreich. Die gezielte und sinnvolle Analyse der Daten stellt eine große Herausforderung dar. Softwarelösungen unterstützen z.B. durch Simulationen und erlauben damit eine schrittweise Validierung und Einführung von KI-basierten Erweiterungen.

In kleineren Halbleiterfabriken erfolgt zudem eine stetige Erhöhung des Automatisierungsgrades im Hinblick auf das Materialhandling durch Roboterzellen oder AGVs. Dies stellt Herausforderungen an die bestehenden Maschinen, die für die automatisierte Beladung z.B. mittels E84 befähigt werden müssen. Auch die damit notwendige Erhöhung der Integrationstiefe und der erweiterte Datenaustausch stellen gerade bestehende Fabs vor Herausforderungen. Softwareupgrades oder auch gezielte Softwareerweiterungen bilden hier zunehmend eine wichtige Basis.

Thomas Leps: Das stimmt und wird durch die Mass Customization bzw. Mass Personalization, die kleine Losgrößen und eine hohe Produktvielfalt mit sich bringt, noch verstärkt. Wir sehen aber noch eine Herausforderung, die sämtliche Fabs gemeinsam haben. Und das ist der Fachkräftemangel, sei es im Engineering, in der IT oder beim Bedien- und Wartungspersonal. Während bisher die Entlastung der Operator von einfachen, nicht wertschöpfenden Aufgaben im Mittelpunkt stand, geht es jetzt um die Digitalisierung und Durchgängigkeit der gesamten Prozesse im Engineering und im Betrieb der Fab dran. Dabei ist jedoch zu differenzieren: Typischerweise geht der Automatisierungsgrad mit der Wafergröße einher, d.h. die meisten 300mm-Frontends nutzen automatischen Transport und sind auch softwaregestützt „durchautomatisiert“. Bei kleineren Wafern (200mm) stechen Infineon in Dresden und Bosch in Reutlingen mit ihrem hohen Automatisierungsgrad eher hervor und andere haben noch aufzuholen.

Trotzdem bauen Halbleiterunternehmen ihre Softwareteams und -abteilungen stark aus. Infineons KI-Entwicklungszentrum in Dresden ist hierfür ein gutes Beispiel. Wo liegt der Vorteil dieser Abteilungen bzw. wo sind Leistungen und Lösungen externer Partner zielführender?

Frank Geißler: Ein großes Potenzial liegt in den umfassenden Möglichkeiten der Datengenerierung in Verbindung mit KI. Die Halbleiterfabriken sind dementsprechend daran interessiert, dieses zu nutzen und bauen daher ihre Softwareteams rund um das Thema Datenmanagement aus. Der Vorteil dieser Abteilungen liegt sicherlich in dem Domänenwissen, das ohne Einschränkungen in Bezug auf Geheimhaltung aufgebaut und genutzt werden kann.

Externe Partner werden aber auch weiterhin eine wichtige Rolle spielen, da auch sie über umfangreiches Domänenwissen verfügen, das nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand aufgebaut werden könnte. Die Halbleiterindustrie unterliegt zudem Schwankungen bzw. Zyklen, die externe Partner gut oder zumindest besser kompensieren können.

Thomas Leps: Absolut richtig. Wir beobachten bei Infineon und auch anderen Herstellern, dass sie eigene Lösungen dort platzieren, wo die eigene IP einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bietet, häufig z.B. bei der Defekterkennung oder bei APC-Reglern. Mit externen Partnern und Spezialisten arbeiten sie im Bereich der Fertigungssteuerung und -optimierung zusammen, wenn sie von den Erfahrungen der Software-Ppartner entlang der gesamten Halbleiter-Lieferkette hinweg profitieren können.

Die Halbleiterindustrie ist unter hohem Druck, nicht nur Produkte für mehr Nachhaltigkeit zu entwickeln, sondern selbst immer nachhaltiger zu werden. Wie können Softwarelösungen hierbei unterstützen?

Frank Geißler: Softwarelösungen tragen bereits heute zur Verbesserung der Nachhaltigkeit in Halbleiterfabriken bei, indem z.B. mit ihnen die Ausbeute (Yield) kontinuierlich optimiert und damit Ressourcen geschont werden. Darüber hinaus entwickeln sich die Designtools für Chips ständig weiter und ermöglichen den Entwurf effizienterer Chips.

Thomas Leps: Die Integration und Verknüpfung bereits vorhandener Daten bietet ein großes Potential. Einfachere und etablierte Beispiele sind – neben der Erhöhung der Ausbeute und der Vermeidung von Ausschuss – das Anfahren von Anlagen, das softwaregestützt desynchronisiert werden kann, um Lastspitzen zu vermeiden, was das Management von Stromnetzen unterstützt. Scheduling optimiert z.B. Batch-Anlagen, die gleichzeitig mehrere Lose prozessieren und so Ressourcen effizienter nutzen; bei geringer Produktionsauslastung können nicht genutzte Anlagen pausieren, „in Idle“ gehen. Ein weiteres Beispiel: Durch geschickte Produktwechsel „reinigen“ sich die Kammern komplexer Clusteranlagen selbst und müssen nicht extra gewartet werden.

Generative KI ist ein Megatrend im Softwarebereich. Wo spielt er in der Halbleiterindustrie die größte Rolle bzw. entfaltet auch das größte Potential?

Frank Geißler: Mittels generativer KI erfolgt eine Mustererkennung in Daten und die eigenständige Ableitung und Generierung von Inhalten. Aktuell wird KI bereits in Halbleiterfabriken eingesetzt, um Muster zu erkennen bzw. Optimierungen vorzunehmen. Hier spielt die generative KI aus unserer Sicht noch keine tragende Rolle, da die notwendige Überprüfung und Überwachung in den hochkomplexen Produktionsschritten sehr aufwändig sind. Neben den produktionsnahen Prozessen wird der Einsatz aber auch in allgemeinen Prozessen z.B. in der Administration zunehmen und Effizienzsteigerungen mit sich bringen.

Insgesamt sind die Potenziale sehr groß und die generative KI wird hier sicherlich noch stärker ihren Anwendungsbereich in der Halbleiterindustrie finden und damit auch dem Fachkräftemangel teilweise entgegenwirken können.

Thomas Leps: Es gibt verblüffende Publikationen/Papers im Bereich Chip-Design und Anomalie-Erkennung, die zu einem schnelleren Erkennen und Beheben von Fehlerquellen führt. Folgt man einigen Autoren, so scheint der reine Entwickler ohne jegliche Beratungsaufgaben ersetzbar oder zumindest produktiver zu werden, aber der generierte Code ist zumindest heute weder schlank noch innovativ. In der Praxis stellen wir jedoch häufig fest, dass z.B. trotz leistungsfähiger Solver in der Materialflussoptimierung immer noch Vorbehalte gegen den Einsatz dieser Technologien bestehen: dDie wenigsten Kunden akzeptieren eine Black Box, deren Entscheidungen nicht nachvollziehbar sind. Hier führen wir die Anwender schrittweise an Machine Learning bzw. /AIKI-gestützte Lösungen heran. Bei Softwarelösungen für die Halbleiterindustrie spielt der Schutz der Kunden-IP eine sehr große Rolle und bremst damit ggf. Cloud-Helfer wie Copilot oder Tools zur weiteren Testautomatisierung aus. Auch hier gilt es, auf die Anwender einzuwirken, Vorteile zu kommunizieren und Risiken zu begrenzen. Das ist ein andauernder Veränderungsprozess, den wir aktiv begleiten.

Gibt es weitere Technologietrends, die Sie besonders im Blick haben und was genau versprechen Sie sich von ihnen?

Frank Geißler: Thomas Leps hat es gerade schon angesprochen: Die Anwendung von generativer KI wird auch im Bereich Softwareentwicklung einen tiefgreifenden Wandel bewirken. Bereits heute sind Entwicklerinnen und Entwickler mit einem KI-Copiloten bis zu 50 Prozent effizienter als früher. Dabei werden auch andere Tätigkeiten unterstützt wie die Dokumentation und Kommentierung von Software, sowie die schnellere Einarbeitung in fremde Software, indem der KI-Copilot den vorhandenen Code erläutert und Verbesserungen vorschlägt.

Zunehmend wird die Softwareentwicklung zudem auch von Fragen der Sicherheit geprägt sein. Es ist schon heute nahezu unmöglich Systeme zu schaffen, die nicht miteinander vernetzt sind. Damit steigt das Risiko für Missbrauch, was höhere Standards in der Sicherheit erfordert. Entwicklerinnen und Entwickler müssen sich um die Lieferkette der Software kümmern, Schwachstellen schnell erkennen und beheben. Damit wird es künftig keine Systeme mehr geben, die nicht einer ständigen Pflege unterliegen. Sicherheitsupdates und Patches werden auch in Maschinen genauso normal sein, wie wir das heute von unseren Smartphones oder dem PC her kennen. Dafür werden auch neue Geschäftsmodelle benötigt, womit dies auch wirtschaftlich erfolgen kann. Eine Lieferung ohne Pflege- und Servicekonzepte wird es so nicht mehr geben.

Thomas Leps: Darüber hinaus beobachten wir, dass neue Substrate wie SiC, GaN und GaAs Automatisierungsschübe auch bei älteren Fabs auslösen, die Wafer mit 150 bzw. 200mm prozessieren. Weiterhin werden Ansätze, die in den Frontends bereits weit verbreitetet sind, zunehmende auch in den Backends genutzt, wie z.B. standardisierte Equipmentintegration und darauf aufbauend dann APC oder Single Device Traceability.

Und ja, auch in unserer Wahrnehmung verblassen andere Themen neben dem verstärkten Einsatz von KI. Gerade vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels. Nicht nur ein witziges Bild vom Papst im Wintermantel zeigt uns, wie schwierig es in Zukunft sein wird, menschengemachte von KI-generierten Inhalten zu unterscheiden. Wie sichern wir hier die technische Kompetenz und bieten einen möglichst spielerischen Zugang zu Software? Hier schätzen wir besonders die Arbeit des SiSax und seiner Mitgliedern bei Calliope mini und in der European Chips Skills Academy (ECSA) als Nachfolger von METIS.

Richtig. Solche großen Herausforderungen werden wir nur gemeinsam lösen können und wie so oft ist das Netzwerk hierbei der Schlüssel. Das Automation Network Dresden, zu dem sowohl Kontron AIS als auch SYSTEMA gehören, fördert seinerseits die Zusammenarbeit in der Automatisierungstechnik. Wie profitieren Ihre Unternehmen von dieser Netzwerkarbeit, und welche gemeinsamen Projekte oder Initiativen sehen Sie als besonders erfolgversprechend an, um die Zukunft der Halbleiterindustrie zu gestalten?

Frank Geißler: Im Automation Network Dresden (AND) haben sich mit FabMatics, Xenon, SYSTEMA und Kontron AIS innovative Dresdner Unternehmen zusammengeschlossen. Die Zusammenarbeit erfolgt auf vielfältige Weise. So werden in einzelnen Projekten gezielt Lösungen und Kompetenzen der Partner genutzt, um das Angebot zu erweitern bzw. gemeinsame Kunden umfassender zu betreuen. Darüber hinaus findet ein Erfahrungsaustausch zwischen den Unternehmen statt. Mit dem Innovationsforum im Januar organisierte das AND zudem eine zweitägige Konferenz mit zuletzt knapp 300 Teilnehmerinnen und Teilnehmern.

Thomas Leps: Und das nicht erst in diesem Jahr. Das Innovation Forum blickt mittlerweile auf über 20 Jahre zurück und die Teilnehmenden kommen aus aller Welt. Sie erkennen die Leistungsfähigkeit und den Mehrwert unseres Netzwerkess, gerade weil insbesondere, weil Spezialisten wie wir nicht nur bei der Software eng zusammenarbeiten, sondern auch das gute Zusammenspiel mit den beiden Maschinenbau-Partnern zum Tragen kommt. Die Halbleiterindustrie wird auch in Zukunft komplex bleiben und nur mit einer gut funktionierenden globalen Wertschöpfungskette erfolgreich sein. Mit Mitarbeitenden aus 26 Nationen in 8 internationalen Büros leisten wir unseren Beitrag dazu.

Wir haben jetzt schon zweimal das Thema Fachkräfte angesprochen. Wie sehr leidet die Automatisierungsbranche aktuell schon unter dem Fachkräftemangel? Und welche Rolle spielen ausländische Fachkräfte, um diesen Mangel zu lindern oder zu beheben?

Frank Geißler: Der Fachkräftemangel ist auch in der Automatisierungsbranche allgegenwärtig und stellt eine elementare Herausforderung dar. Kontron AIS ist in den letzten zwei Jahren um 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gewachsen und wir streben auch in Zukunft ein weiteres Wachstum an. Um dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken, wurden und werden auch in Zukunft ausländische Fachkräfte notwendig sein. Wir setzen hierbei u.a. auf die Nearshoring-Kapazitäten innerhalb der Kontron Gruppe, die einen sehr guten Zugang zu hoch qualifizierten und motivierten Fachkräften ermöglicht.

Thomas Leps: Dem Fachkräftemangel werden wir auch mit bzw. trotz aller technischen Neuerungen nur erfolgreich begegnen können, wenn wir uns international öffnen, d.h. sowohl Fachkräfte nach Dresden/Sachsen/Deutschland holen als auch Büros dort etablieren, wo die Kunden ihre Chips produzieren und weltweit kooperieren. Gerade für einen Hochtechnologiestandort wie Deutschland ist es besonders wichtig, die Technikaffinität und das Interesse an natur- und ingenieurwissenschaftlichen Berufen zu fördern.

Welche Strategien braucht es Ihrer Meinung nach, um die Softwarebranche auf Ansiedlungen von Branchenriesen wie TSMC sowie die Erweiterungspläne lokaler Akteure vorzubereiten?

Frank Geißler: Da kann ich nur unterstützen, was Thomas Leps gerade gesagt hat: Die wohl wichtigste Säule ist die Ausbildung junger Menschen. Diese beginnt bereits in der Schule, wo die technischen Aspekte ausgebaut werden müssen, und endet in der Berufsausbildung bzw. im Studium. Zudem müssen wir uns klar für ein weltoffenes Sachsen und Dresden positionieren, um nationale und internationale Fachkräfte zu gewinnen.

Thomas Leps: Und wir müssen – wie im AND und im Silicon Saxony – kooperieren. Die kommenden und zeitlich sehr kompakten Ramp-ups der Frontend Fabs werden dann lokale Akteure einbeziehen, wenn wir unsere Kräfte bündeln und auch den Branchenriesen ein flexibles und reaktionsfähiges Angebot machen können. Für uns selbst erstaunlich: Ein starkes Zulieferernetzwerk wie den SiSax sucht man in Taiwan vergeblich.

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Unsere Gesprächspartner

Frank Geißler
Director Sales

frank.geissler@kontron-ais.com | +49 351 21 66 0

Thomas Leps
Director Hightech Verticals 

Thomas.Leps@systema.com | +49 351 88 24 60

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Über Kontron AIS

Die Kontron AIS GmbH setzt den Benchmark in industrieller Software – seit über 30 Jahren und mit einem erfahrenen Team von mehr als 250 Mitarbeiter*innen. Die bewährten Software-Produkte und individuellen Digitalisierungslösungen ermöglichen es Maschinen- und Anlagenbauern sowie Fabrikbetreibern neue Wege in der Automatisierung zu gehen, um sich so langfristig Wettbewerbsvorteile zu sichern. Gemeinsam mit den Kunden implementiert Kontron AIS weltweit und branchenübergreifend intelligente Digitalisierungsstrategien und -lösungen für die smarte Fertigung von morgen.

Als Tochterunternehmen der Kontron AG bietet die Kontron AIS GmbH integrierte, ganzheitliche IoT-Konzepte bestehend aus Hardware und Software sowie dank eines globalen Netzwerkes weltweite Projektbetreuung, Service und Support.

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Über SYSTEMA

SYSTEMA ist ein mittelständisches Unternehmen und wurde 1993 von Dipl. Inf. Manfred Austen gegründet. Neben dem Firmensitz in Dresden hat das Unternehmen Standorte in Regensburg und Bend, USA. SYSTEMA bietet Unternehmen der fertigenden Industrie umfassende Expertise bei der Auswahl und Implementierung von Automatisierungssoftware sowie bei der Anlagen- und Systemintegration – von der einzelnen Maschine bis hin zu hochautomatisierten Fertigungsszenarien an globalen Standorten.

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Dieses Interview wurde exklusiv für die NEXT „Im Fokus: Software“ geführt.

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