Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen?
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iit-kompakt 02 Tina Tauchnitz, Roland Wuchrer Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen? Impulse gegen einen besonders brisanten Fachkräftemangel Halbleiterchips sind systemrelevant: Ohne sie ist die Digitalisierung und Elektrifizierung von Industrie und Gesellschaft unmöglich. Nachdem lange maßgebliche Anteile der Produktion ins Ausland abgewandert sind, soll jetzt die Halbeiterfertigung und damit ein Großteil der Wertschöpfung zurück nach Deutschland und Europa gebracht werden. Doch wer entwickelt und produziert die in Zukunft benötigen Chips, wenn schon jetzt die Suche nach qualifiziertem Fachpersonal die Personalabteilungen der Branche herausfordert?
iit-kompakt 02 – Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen? 2
Mikroelektronik: Fachkräftemangel ist ein Beruf und persönliche Entwicklung ideal sind, kämpfen die Uni-
gesellschaftliches Problem versitäten und Fachhochschulen mit sinkenden Zahlen bei Stu-
Fachkräftemangel in den MINT1-Fächern ist ein bekanntes bran- dierendenanfänger:innen und steigenden Abbruchquoten in der
chenübergreifendes Problem, aber Fachkräftemangel in der Elektrotechnik. Auch die Halbleiterhersteller können ihre Aus-
Halbleiter- und Mikroelektronikindustrie ist kritisch für die tech- bildungsstellen für Techniker:innen für Betrieb und Wartung der
nologische Souveränität, die internationale Wettbewerbsfähig- Fertigungslinien größtenteils nicht besetzen.
keit sowie den Wohlstand Deutschlands und Europas. Denn: Die
Mikroelektronik ist essenzielle Basistechnologie. Digitalisierung Die Herausforderung: Elektronik nicht nur nutzen,
und Energiewende sind ohne leistungsstarke und effiziente Halb- sondern verstehen
leiterchips undenkbar. Die Mikroelektronik ist Ideengeber für Auch wenn Jugendliche heute selbstverständlich Computer,
Produkt- und Prozessinnovationen – vom Automobil-, Maschi- Smartphone oder E-Roller („digital natives“) bedienen, beschäf-
nen- und Anlagenbau über die Energietechnik bis hin zur Me- tigen sich nur die wenigsten damit, wie die Technik und Elek
dizintechnik. In der Halbleiterindustrie sagt man auch oft: „Chips tronik funktionieren. Hier wäre ein Schulfach „Technik“2 denk-
sind nicht alles, aber ohne Chips ist alles nichts“. Beispielsweise bar, um bereits in der Schule technische Sachverhalte zu
führt ein kleiner Effizienzgewinn bei der Leistungselektronik vermitteln. Ein gutes Beispiel, wie die Welt der Mikroelektronik
dazu, dass bei der Einspeisung von Strom aus Windkraft und den Schüler:innen eröffnet werden kann, sind die Wettbewerbe
Photovoltaik oder beim Betrieb von Elektroautos enorme Men- von VDE und Bundesministerium für Bildung und Forschung
gen an Strom eingespart werden können. „INVENT a CHIP“ und „LABS for CHIPS“3. Im Vordergrund ste-
hen das Ausprobieren und Selberfertigen, wodurch das Interes-
Moderne Halbleiterchips sind das komplexeste Produkt, das die se und die Freude an Elektronik bei den Schüler:innen geweckt
Menschheit je entwickelt und in Großserie produziert hat. Ihre werden soll.
fehlerfreie Umsetzung erfordert eine langfristige Synchronisa-
tion verschiedener technologischer Entwicklungen (s. auch „Per- Den Gründen für die fehlende Begeisterung an der Elektrotech-
fekt getaktet?“, Spitzner 2022). Die dahinter stehende Innova- nik geht beispielsweise die „Imagestudie Elektrotechnik“4 nach.
tionskraft in der Halbleiter- und Mikroelektronikindustrie wird Darin stellt sich heraus, dass in der Elektrotechnik ein massives
durch den ständigen Zustrom neuer Köpfe und deren Ideen Imageproblem bei Schüler:innen besteht: Oft verbinden die
angetrieben: Die Fortschritte bei der Chipentwicklung begin- Schüler:innen Zukunftshemen wie Energiewende, Elektromobi-
nend bei neuen Materialen und energieeffizienten Schaltungs- lität, Industrie 4.0 als auch ein abwechslungsreiches Arbeitsum-
designs über spezielle Fertigungsanlagen und hochgenauen feld nicht mit der Elektrotechnik und Mikroelektronik. Sie schät-
Halbleiterprozessen bis hin zu zuverlässigen Chipeinhausungen zen die Elektrotechnik als unkreativ, zu handwerklich und mit
erfordert Fachkräfte aus der Elektrotechnik, aber auch aus der zu wenig Menschenkontakt ein. Doch gerade Teamfähigkeit,
Chemie, Werkstoffwissenschaft und Physik, aus dem Maschinen- Kommunikation sowie Kreativität stellen neben den technischen
bau und der Informatik. Ein Mangel an qualifizierten Fachkräften Fähigkeiten die wichtigsten Kernkompetenzen in der Mikroelek-
in diesen Bereichen führt also zu einem Austrocknen der Inno- tronik dar5. Denn die steigende Komplexität in der Mikroelek
vationspipeline und gefährdet damit die Innovations- und Wett- tronikentwicklung erfordert die enge Zusammenarbeit zwischen
bewerbsfähigkeit und den Wohlstand in Deutschland und verschiedenen Teams wie Design und Fertigung sowie zwischen
Europa. Fachdisziplinen. Auch komplexe Themen müssen Nicht-Expert:in-
nen wie beispielsweise Anwender:innen verständlich dargestellt
Fachkräftemangel: Ein altbekanntes Problem mit werden. Zur Erhöhung der Attraktivität und Sichtbarkeit sind
neuer Schärfe Kommunikationskampagnen aber auch die Modernisierung von
Die ausgebildeten Fachkräfte in der Elektrotechnik bzw. Mikro- Studienfächern mit höherem Praxisbezug, z. B. grüne Mikroelek-
elektronik können bereits seit mehr als einem Jahrzehnt den tronik oder Mikroelektronik für KI, erforderlich.
Mehrbedarf an Ingenieur:innen und Techniker:innen, der durch
die Digitalisierung, Elektrifizierung und Energiewende hervor- Wenn sich Schüler:innen dann für einen Karriereweg in der Mi-
gerufen wird, sowie den hohen Bedarf infolge des demografi- kroelektronik entscheiden, fehlt vielen allerdings ein grundle-
schen Wandels nicht mehr decken. Obwohl die Chancen für gendes Technikverständnis, um die steigenden Anforderungen
1 Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik (MINT)
2 https://www.vdma.org/viewer/-/v2article/render/1230730
3 https://www.invent-a-chip.de
4 https://www.elektroniknet.de/karriere/arbeitswelt/nicht-mal-die-mathe-cracks-koennen-was-mit-e-technik-anfangen.195724.html , https://dialog.vde.com/de/
vde-dialog-ausgaben/2022-02-industrial-transformation/fachkraeftemangel, https://www.fbtei.de/index.php/news/76-imagestudie-et-zwischenergebnis
5 europäischen Mikroelektronik-Bildungsinitiative „MicroElectronics Training, Industry and Skills“ (METIS)iit-kompakt 02 – Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen? 3
Innovationspipeline
Anforderungen für Chip-
die Anwendung Innovation
Design Fertigung Packaging
Benötigte Fachkräfte in der Mikroelektronik
Fachkräfte der Elektronik, der Physik, der Informatik, der Technik, der Chemie
und der Materialwissenschaften etc.
Abbildung 1: Der Fachkräftemangel lässt die Innovationspipeline leerlaufen
Bedarf an Hoher Hoher
Fachkräften Ersatzbedarf Zusatzbedarf
Angebot an Weniger Weniger
Fachkräften Absolvierende, Absolvierende,
v. a. an v. a. an
Fachhoch- Universitäten
schulen
Starke/r Halbleiter- Wenig Interesse am
ausbau bzw. Studienfach und
Demographie -nachfrage Schwundquoten Ausbildung
Abbildung 2: Ursachen für den Fachkräftemangel (eigene Darstellung nach VDE 2022; https://shop.vde.com/de/arbeitsmarkt-studie-2022,
zuletzt geprüft am 28.06.2022)iit-kompakt 02 – Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen? 4
in Ausbildung oder Studium zu meistern. Die Hochschulen und lungen für eine praxisnahe Aus- und Weiterbildung von Lehr-
Ausbildungsstätten setzen zwar bereits zum Gegensteuern eine kräften umfassen beispielsweise „Train-the-Trainer“-Programme
Reihe von qualitätssichernden Maßnahmen ein, dazu gehören und forschungsbezogene oder fertigungsnahe Schulungspro-
z. B. Studien- bzw. Berufsberatung, Schnupperkurse und -prak- gramme für Lehrende.
tika für Schüler:innen, Brückenkurse, ein geführter Studienbe-
ginn, Mentorenprogramme oder Lehrveranstaltungsevaluatio- Um den Transfer von Wissen und Anforderungen aus der Indus-
nen und Weiterbildungsangebote in Didaktik. Doch es bedarf trie in die Hochschulen zu erleichtern, sind langfristige Koope-
weiterer Anstrengungen und Maßnahmen. rationsmodelle, duale Studiengänge mit gezielten Wahlfachin-
halten oder E-Learning-Modelle denkbar. Insbesondere das
Impulse für mehr Fachkräfte: Konsequenzen für duale Studium zwischen Fachhochschulen und Halbleiterunter-
Studium, Aus- und Weiterbildung nehmen bietet Studierenden eine vertiefende Praxis. Immer
Intelligente Halbleiterfabriken und Virtualisierung der gesamten häufiger wird auch das „Studium mit vertiefender Praxis“ an
Halbleiterwertschöpfungskette vom Material bis zur Baugruppe Hochschulen in Kooperation mit Unternehmen angeboten. Dies
lassen die Anforderungen an Studium und Berufsausbildungen verbindet die Vorteile eines Dualen Studiums mit denen eines
steigen. So werden dringend neue Studien- bzw. Berufsprofile regulären Hochschulstudiums. Zudem können sich die Mitarbei-
mit höherer Digital-, Design- und Fertigungskompetenz wie Mi- ter:innen der Unternehmen beispielsweise über ein berufsbe-
kroelektronikdesigner:in, Ingenieur:in und Wartungstechniker:in gleitendes Studium oder Weiterbildungsangebote an der Hoch-
für intelligente Mikroelektronikfertigung oder Ingenieur:in für schule fachlich weiterentwickeln. Weitere Maßnahmen für eine
neue Materialien der Mikroelektronik benötigt.6 stärkere Verzahnung der Halbleiterindustrie mit der Hochschul-
ausbildung beinhalten auch finanzielle Unterstützung seitens
Außerdem müssen das Gewinnen von Fachkräften und Ausbil- der Unternehmen. Beispielsweise sind der kostenfreie Zugang
dungsqualität gemeinsam gedacht werden. Neuromorphe Hard- zu Shuttle-Runs für die Chipentwicklung und -fertigung, die
ware, vertrauenswürdige und nachhaltige Elektronik oder Ad- Einrichtung von Stiftungsprofessuren, Anlagenspenden aber
vanced Packaging werden immer wichtiger, weil sie für mehr auch Sabbatical Programme für den zeitlich befristeten Aus-
Energieeffizienz, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit in der tausch von Beschäftigten aus der Industrie in die Forschung und
Mikroelektronik sorgen. Diese Themen müssen sich also auch umgekehrt denkbar. Da der Fachkräftemangel nicht von heute
in Ausbildung und Studium von künftigen Fachkräften wider- auf morgen gelöst werden kann, ist die fachliche und digitale
finden – ebenso wie beispielsweise Mustererkennung mittels Fortbildung der Bestandsbelegschaft genauso wichtig, beispiels-
Künstlicher Intelligenz, Cybersicherheit oder digitale Modellab- weise über ein berufsbegleitendes Studium oder arbeitsinteg-
bildungen ganzer Mikroelektronik-Produktionslinien (sog. rierte Weiterbildungsangebote.
„digital twins“).
Open-Source-Designwerkzeuge als Standard
Die zunehmende Technologiediversität in der Halbleiterentwick- etablieren
lung lässt vermuten, dass eine frühe Spezialisierung der Fach- Die Zugangshürden für die Entwicklung und Fertigung eines
kräfte erforderlich ist. Aber dies ist ein Trugschluss: Gerade weil Halbleiterchips sind sehr hoch. Gerade im Bereich Design, wo
die Innovationszyklen immer kürzer und Themengebiete immer der höchste Bedarf an Fachkräften in Europa existiert, sind die
breiter werden, ist nicht mehr absehbar, wie technische Lösun- benötigten Lizenzen für EDA-Werkzeuge („electronic design
gen in den kommenden Jahren konkret aussehen werden, wel- automation“) und Simulationsprogramme extrem teuer. Selbst
che Anwendung das „Next Big Thing“ wird und wie schnell die bei großen Halbleiterfirmen gibt es aus wirtschaftlichen Gründen
Innovation bis zur Marktreife geführt werden kann. Es wird des- nur wenige verfügbare Nutzungslizenzen für Chipdesign-Soft-
halb eine breitere mikroelektronische Grundausbildung benötigt, ware. Zudem wird eigene Designkompetenz bei den Anwen-
damit sich Fachkräfte schnell und flexibel auf die sich ständig der:innenn – häufig Unternehmen ohne eigene Fertigung – vor
verändernden Anforderungen in der Mikroelektronik einstellen allem in den drei großen deutschen Hauptmärkten Automotive,
können. Dafür sind Lehrpläne erforderlich, die darauf ausgerich- Medizintechnik und Industrie, immer wichtiger. Daher gibt es
tet sind, sowohl praktische, projektbasierte und designorientier- immer mehr Bestrebungen, die gesamte Halbleiterwertschöp-
te als auch multidisziplinäre Forschungs- und Bildungserfahrun- fungskette nach dem Vorbild einer Open-Source-Software öf-
gen der Studierenden zu fördern. Um hochtalentierte Fachkräfte fentlich zugänglich zu machen7 und damit die Hardwareent-
heranzuziehen, bedarf es erstklassiger Aus- und Fortbildung von wicklung zu demokratisieren. Das Studium der Mikroelektronik
Lehrkräften in der Mikroelektronikausbildung. Künftige Entwick- profitiert umfassend davon, da Halbleiterchips von Studierenden
6 europäischen Mikroelektronik-Bildungsinitiative „MicroElectronics Training, Industry and Skills“ (METIS)
7 https://www.skywatertechnology.com/blog/how-to-design-with-a-free-skywater-pdk/, zuletzt geprüft am 28.06.2022iit-kompakt 02 – Wer entwickelt und produziert unsere Chips von morgen? 5
oder Promovierenden vollständig selbst entwickelt werden kön- begleitende Austausch- und Beratungsangebote, z. B. Mentoring
nen. Dies erhöht einerseits die praktische Ausbildungsqualität und Vernetzung, sowie verbesserte Möglichkeiten zur Verein-
und vereinfacht aber auch den Austausch und Zusammenarbeit barung von Familie und Beruf, z. B. Doppelspitzen-Modell, von
mit anderen Forschergruppen. StartUp-Gründungen im Bereich denen alle Fachkräfte profitieren können, fokussieren.
Design-IP und Chipentwicklung werden durch den Wegfall der
hohen Lizenzkosten einfacher. Um nicht nur mehr Chip-Desig- Ausblick
ner:innen ausbilden zu können, sondern auch Chipinnovationen Die Umsetzung zentraler gesellschaftlicher Aufgaben wie die
für prinzipiell alle zugänglich zu machen, sollten Open-Design- Digitalisierung oder die Energiewende sind ohne leistungsstarke
Werkzeuge und -Hardware als Standard in der Mikroelektro- und effiziente Halbleiterchips undenkbar. Für eine nachhaltige
nik(-ausbildung) etabliert werden. Digitalisierung und intelligente Produktion werden spezialisierte
und energiesparende Mikroelektronik und Sensorik benötigt,
Frauenanteil in Führungsebenen der um KI-gestützte Rechenmethoden, Kommunikationsnetze oder
Halbleiterindustrie und Hochschulen weiter Roboter effizient und sicher zu betreiben. Um genügend Fach-
erhöhen kräfte in diesen Bereichen binden zu können, müssen Aus- und
Der Frauenanteil im Elektrotechnikstudium liegt bei ca. 20 Pro- Weiterbildung im Bereich Mikroelektronik sowohl qualitativ als
zent und in der Elektrotechnikindustrie stagniert er bei nur ca. auch quantitativ gelingen. Dies ist nur möglich, wenn Wissen-
10 Prozent8. Dabei können mehr Frauen in Führungspositionen schaft, Bildung und Industrie zusammenarbeiten, um Kompe-
den Kulturwandel auch in der Halbleiterindustrie und an den tenzbedarfe in moderne Lehrpläne in einer gemeinsamen „Mis-
Hochschulen über ergänzende Sichtweisen, neue Impulse und sion: Chip“ einfließen zu lassen.
Führungsstile in Forschungsgruppen, Lehralltag und industrielle
Roadmaps beschleunigen – und Vorbild und Motivation für jun-
ge Frauen sein. Auf dem Weg dorthin werden weitere Unter-
stützungsprogramme benötigt. Diese sollten sich vor allem auf
Mehr Praxisbezug Stärkere elektroni-
durch Kooperations- sche Allgemein- Mehr weibliche Vorbilder
modelle zwischen bildung an Schulen in der Mikroelektronik
Halbleiterindustrie und
Hochschulen
Höherer Frauenanteil
Imagekampagnen für auf Führungsebenen
mehr Sichtbarkeit und
Sinnhaftigkeit von
Karrierewegen
Neue Studien- oder
Mehr Fortbildungen zur Berufsprofile mit
Digitalisierung für Digital-, Design- und
Belegschaft und Lehrkräfte Fertigungskompetenz
Open-Source-Design-
werkzeuge in
Studium und Industrie
Abbildung 3: Maßnahmenkatalog gegen den Fachkräftemangel
8 VDE 2022; https://shop.vde.com/de/arbeitsmarkt-studie-2022Herausgeber Autor:innen
Prof. Dr. Volker Wittpahl Tina Tauchnitz
Institut für Innovation und Technik (iit) Tel: 0351 486797-24
in der E-Mail: Tina.Tauchnitz@vdivde-it.de
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Tel.: 0351 486797-25
iit-kompakt Nr. 02 E-Mail: Roland.Wuchrer@vdivde-it.de
August 2022
Layout: VDI/VDE-IT
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Gorodenkoff/AdobeStock (Titelbild)
ISBN: 978-3-89-750245-1Sie können auch lesen
