Même si les puces électroniques sont devenues essentielles dans de nombreux produits, leur développement et leur fabrication sont devenus dominés par un petit nombre de producteurs avec une capacité et un appétit limités pour produire les puces de base qui sont un aliment de base pour les technologies d’aujourd’hui. Et parce que la fabrication de puces nécessite des centaines d’étapes de fabrication et des mois de production, l’industrie des semi-conducteurs ne peut pas pivoter rapidement pour satisfaire la flambée de la demande alimentée par la pandémie.
Après des décennies d’inquiétude sur la façon dont nous allons tailler des caractéristiques aussi petites que quelques nanomètres sur des plaquettes de silicium, l’esprit de la loi de Moore – l’espoir que des puces puissantes et bon marché seront facilement disponibles – est maintenant menacé par quelque chose de bien plus banal : inflexible des chaînes d’approvisionnement.
Une frontière solitaire
Il y a vingt ans, le monde comptait 25 fabricants fabriquant des puces de pointe. Aujourd’hui seulement Société de fabrication de semi-conducteurs de Taiwan (TSMC) à Taïwan, Intelligence aux États-Unis, et Samsung en Corée du Sud ont les installations, ou usines, qui produisent les puces les plus avancées. Et Intel, longtemps un leader technologique, a du mal à suivre, ayant manqué à plusieurs reprises les délais de production de ses dernières générations.
L’une des raisons de la consolidation est que la construction d’une installation pour fabriquer les puces les plus avancées coûte entre 5 et 20 milliards de dollars. Ces usines fabriquent des puces avec des caractéristiques aussi petites que quelques nanomètres ; dans le jargon de l’industrie, ils sont appelés nœuds de 5 nanomètres et 7 nanomètres. Une grande partie du coût des nouvelles usines sert à acheter le dernier équipement, comme un outil appelé un lithographie ultraviolet extrême (EUV) qui coûte plus de 100 millions de dollars. Fabriquées uniquement par ASML aux Pays-Bas, les machines EUV sont utilisées pour graver des motifs de circuits détaillés avec des caractéristiques de la taille du nanomètre.
Les fabricants de puces travaillent sur la technologie EUV depuis plus de deux décennies. Après des milliards de dollars d’investissements, les machines EUV ont été utilisées pour la première fois dans la production commerciale de puces en 2018. « Cet outil a 20 ans de retard, soit 10 fois plus que son budget, car il est incroyable », déclare David Kanter, directeur exécutif d’un consortium d’ingénierie ouvert axé sur les machines. apprentissage. « C’est presque magique que ça marche même. C’est totalement comme de la science-fiction.
Un tel effort gargantuesque a permis de créer les milliards de minuscules transistors de la puce M1 d’Apple, fabriquée par TSMC ; il fait partie de la première génération de puces de pointe à s’appuyer entièrement sur l’EUV.
Seules les plus grandes entreprises technologiques sont prêtes à payer des centaines de millions de dollars pour concevoir une puce pour les nœuds de pointe.
Payer pour les meilleures puces est logique pour Apple, car ces puces sont intégrées aux derniers modèles de MacBook et d’iPhone, qui se vendent par millions aux prix des marques de luxe. « La seule entreprise qui utilise réellement EUV en grand volume est Apple, et ils vendent des smartphones à 1 000 $ pour lesquels ils ont une marge insensée », a déclaré Kanter.
Non seulement les usines de fabrication de telles puces sont chères, mais le coût de conception des circuits extrêmement complexes est désormais hors de portée de nombreuses entreprises. En plus d’Apple, seules les plus grandes entreprises technologiques qui exigent les performances informatiques les plus élevées, telles que Qualcomm, DMLA, et Nvidia, sont prêts à payer des centaines de millions de dollars pour concevoir une puce pour des nœuds de pointe, déclare Sri Samavedam, vice-président senior des technologies CMOS chez Imec, un institut de recherche international basé à Louvain, en Belgique.
De nombreuses autres entreprises produisent des ordinateurs portables, des téléviseurs et des voitures qui utilisent des puces fabriquées avec des technologies plus anciennes, et une augmentation de la demande pour ces dernières est au cœur de la pénurie actuelle de puces. En termes simples, une majorité de clients de puces ne peuvent pas se permettre – ou ne veulent pas payer – les dernières puces ; une voiture typique utilise aujourd’hui des dizaines de puces électroniques, tandis qu’un véhicule électrique en utilise beaucoup plus. Cela s’additionne rapidement. Au lieu de cela, les fabricants de choses comme les voitures sont restés avec des puces fabriquées à l’aide de technologies plus anciennes.
De plus, bon nombre des appareils électroniques les plus populaires d’aujourd’hui ne nécessitent tout simplement pas de puces de pointe. « Cela n’a pas de sens de mettre, par exemple, un A14 [iPhone and iPad] puce dans chaque ordinateur que nous avons dans le monde », explique Hassan Khan, un ancien chercheur doctorant à l’Université Carnegie Mellon qui a étudié les implications de politique publique de la fin de la loi de Moore et travaille actuellement chez Apple. « Vous n’en avez pas besoin dans votre thermomètre intelligent à la maison, et vous n’en avez pas besoin de 15 dans votre voiture, car il est très gourmand en énergie et très cher. »
Le problème est que même si de plus en plus d’utilisateurs s’appuient sur des technologies de puces plus anciennes et moins chères, les géants de l’industrie des semi-conducteurs se sont concentrés sur la construction de nouvelles usines de pointe. TSMC, Samsung et Intel ont tous récemment annoncé des milliards de dollars d’investissements pour les dernières installations de fabrication. Oui, ils sont chers, mais c’est là que se trouvent les profits et depuis 50 ans, c’est là que se trouve l’avenir.
TSMC, le plus grand sous-traitant au monde de puces, a réalisé près de 60 % de son chiffre d’affaires en 2020 en fabriquant des puces de pointe avec des caractéristiques de 16 nanomètres et moins, y compris la puce M1 d’Apple fabriquée avec le processus de fabrication de 5 nanomètres.
Pour aggraver le problème, « personne ne construit d’équipements de fabrication de semi-conducteurs pour prendre en charge les technologies plus anciennes », déclare Dale Ford, analyste en chef à l’Electronic Components Industry Association, une association commerciale basée à Alpharetta, en Géorgie. « Et donc nous sommes en quelque sorte coincés entre le marteau et l’enclume ici. »
Puces bas de gamme
Tout cela est important pour les utilisateurs de la technologie non seulement en raison de la rupture d’approvisionnement qu’elle provoque aujourd’hui, mais aussi parce qu’elle menace le développement de nombreuses innovations potentielles. En plus d’être plus difficiles à trouver, les puces de base moins chères deviennent également relativement plus chères, car chaque génération de puces a nécessité des équipements et des installations plus coûteux que les générations précédentes.
Certains produits de consommation demanderont simplement des puces plus puissantes. La construction de réseaux mobiles 5G plus rapides et la montée en puissance des applications informatiques dépendantes des vitesses 5G pourraient obliger à investir dans des puces spécialisées conçues pour les équipements de réseau qui communiquent avec des dizaines ou des centaines d’appareils connectés à Internet. Les fonctionnalités automobiles telles que les systèmes avancés d’assistance à la conduite et les systèmes d’« infodivertissement » embarqués peuvent également bénéficier de puces de pointe, comme en témoigne le constructeur de véhicules électriques. Les partenariats signalés par Tesla avec TSMC et Samsung sur le développement de puces pour les futures voitures autonomes.
Mais acheter les dernières puces de pointe ou investir dans des conceptions de puces spécialisées peut ne pas être pratique pour de nombreuses entreprises lors du développement de produits pour un avenir « de l’intelligence partout ». Les fabricants d’appareils grand public tels qu’une machine sous vide compatible Wi-Fi sont peu susceptibles de dépenser de l’argent pour développer eux-mêmes des puces spécialisées dans le but d’ajouter des fonctionnalités encore plus sophistiquées, dit Kanter. Au lieu de cela, ils se rabattront probablement sur les puces fabriquées à l’aide de technologies plus anciennes.
La majorité des clients de puces d’aujourd’hui se contentent des puces de base moins chères qui représentent un compromis entre le coût et les performances.
Et les articles à moindre coût tels que les vêtements, dit-il, ont des «marges très minces» qui laissent peu de marge de manœuvre pour des puces plus chères qui ajouteraient un dollar – sans parler de 10 ou 20 $ – au prix de chaque article. Cela signifie que le prix croissant de la puissance de calcul peut empêcher le développement de vêtements qui pourraient, par exemple, détecter et répondre aux commandes vocales ou aux changements météorologiques.
Le monde peut probablement vivre sans machines sous vide plus sophistiquées, mais le manque de puces toujours moins chères et plus puissantes aurait un coût réel : la fin d’une ère d’inventions alimentée par la loi de Moore et sa promesse vieille de plusieurs décennies d’une puissance de calcul de plus en plus abordable. sera disponible pour la prochaine innovation.
La majorité des clients de puces d’aujourd’hui se contentent des puces de base moins chères qui représentent un compromis entre le coût et les performances. Et c’est l’offre de ces puces de base qui semble loin d’être suffisante alors que la demande mondiale de puissance de calcul augmente.
« Il est toujours vrai que l’utilisation de semi-conducteurs dans les véhicules augmente, que l’utilisation de semi-conducteurs dans votre four grille-pain et pour toutes sortes de choses augmente », déclare Willy Shih, professeur de pratiques de gestion à la Harvard Business School. « Alors la question est, où la pénurie va-t-elle frapper ensuite? »
Une préoccupation mondiale
Au début de 2021, le président Joe Biden a signé un décret mandatant revues de la chaîne d’approvisionnement pour des jetons et a apporté son soutien à une poussée bipartite au Congrès pour approuver au moins 50 milliards de dollars pour la fabrication et la recherche de semi-conducteurs. Biden a également organisé deux sommets à la Maison Blanche avec des dirigeants des industries des semi-conducteurs et de l’automobile, dont une réunion le 12 avril au cours de laquelle il a mis en évidence une plaquette de silicium.
Les actions ne résoudront pas de sitôt le déséquilibre entre la demande et l’offre de puces. Mais à tout le moins, disent les experts, la crise d’aujourd’hui représente une opportunité pour le gouvernement américain d’essayer de réparer enfin la chaîne d’approvisionnement et d’inverser le ralentissement global de l’innovation dans les semi-conducteurs – et peut-être de renforcer la capacité des États-Unis à fabriquer les puces dont ils ont tant besoin.
On estime que 75 % de toutes les capacités de fabrication de puces étaient basées en Asie de l’Est en 2019, la part des États-Unis se situant à environ 13 %. Le TSMC de Taïwan détient à lui seul près de 55 % du marché de la fonderie qui gère les commandes de fabrication de puces grand public.
La rivalité américano-chinoise domine tout. La société championne nationale chinoise SMIC a construit des usines qui ont encore cinq ou six ans de retard sur la pointe des technologies de puces. Mais il est possible que les fonderies chinoises puissent aider à répondre à la demande mondiale de puces construites sur des nœuds plus anciens dans les années à venir. « Compte tenu des subventions de l’État qu’ils reçoivent, il est possible que les fonderies chinoises soient les fabricants les moins chers, car elles défendent les usines aux nœuds de 22 et 14 nanomètres », a déclaré Khan. « Les usines chinoises ne sont peut-être pas compétitives à la frontière, mais elles pourraient fournir une part croissante de la demande. »
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