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Industrie des semi-conducteurs
Article mis en ligne le 30 août 2017
dernière modification le 31 août 2017

par Laurent Bloch
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Licence : CC by-nd

 La filière numérique - informatique

Le monde numérisé d’aujourd’hui repose sur la science et la technologie informatiques. Pour faire de l’informatique il faut des ordinateurs. Les ordinateurs serveurs d’aujourd’hui sont des objets bon marché à faible valeur ajoutée, la fabrication d’un ordinateur chez le constructeur Dell prend trois minutes. Les entreprises qui en utilisent beaucoup (de l’ordre de deux millions chez Google, de l’ordre de 400 000 chez le français OVH) les assemblent elles-mêmes.

La valeur ajoutée se concentre en deux produits : le microprocesseur et le système d’exploitation, dont la création demande, pour chacun, en chiffres ronds, un millier d’ingénieurs pendant six à dix ans.

Vouloir être une puissance dans le monde numérique sans capacité de production de microprocesseurs et de système d’exploitation, c’est comme vouloir être une puissance maritime sans chantiers navals : être à la merci de ceux qui voudront bien vous les vendre au prix qu’ils décideront. Être une colonie du monde numérique.

L’Europe en général, et la France en particulier, disposent de telles capacités, ce dont les instances politiques ont peu conscience et mesurent insuffisamment l’importance. Il serait hautement souhaitable que ces capacités soient protégées et développées.

 Marché mondial des semi-conducteurs

En 2015 le marché mondial des semi-conducteurs a représenté 335 milliards de dollars, dont 50 % pour l’industrie américaine. Si on se limite aux produits de pointe, la production est concentrée dans six entreprises qui ont des usines dans six pays :

Intel USA, OR, Hillsboro (3 usines)
  USA, AZ, Chandler (2 usines)
  USA, NM, Rio Rancho
  Israël, Kiryat Gat
GlobalFoundries Allemagne, Dresde
  USA, NY, Malta
  Singapour
TSMC Taïwan, Hsinchu (2 usines)
  Taïwan, Taïnan
  Taïwan, Taïchung (3 usines)
UMC Taïwan, Taïnan
  Singapour
STMicroelectronics France, Crolles
Samsung Corée du Sud, Hwaseong
  Corée du Sud, Pyeongtaek
  USA, TX, Austin

On notera dans ce tableau l’absence du Japon, qui a dominé le marché à la fin des années 1980 et au début des années 1990, et de la Chine, qui supporte les conséquences des restrictions à l’exportation des matériels de fabrication des semi-conducteurs (cf. ci-dessous, mais le projet récent du taïwanais TSMC de construire une usine en Chine continentale pourrait bouleverser le marché). Global Foundries est issu de la branche fabrication d’AMD, et a été racheté par le fonds souverain émirati ATIC (Dubaï), ce qui fait de STMicroelectronics le dernier acteur européen du domaine, peut-être pas pour longtemps.

Le gouvernement chinois a décidé en 2016 d’investir 140 milliards de dollars dans le développement de son industrie des semi-conducteurs. Nul doute qu’un tel effort porte des fruits, et lorsque la Chine aura accès à la technologie de pointe le seul industriel européen, le franco-italien STMicroelectronics, sera en difficulté.

 Équipements de fabrication de semi-conducteurs

L’industrie des équipements de fabrication des semi-conducteurs comporte deux sous-secteurs : la fabrication des matériaux et des appareils auxiliaires, et la fabrication proprement dite des semi-conducteurs. Ce dernier sous-secteur est encore plus concentrée que l’industrie des semi-conducteurs, pour le haut de gamme en pratique trois fournisseurs se partagent le marché : le néerlandais ASML qui en détient les deux tiers, les japonais Nikon et Canon.

 Équipements de fabrication des semi-conducteurs

La technique de base de fabrication d’un microprocesseur est la photo-lithographie, qui consiste à dessiner littéralement au moyen d’un faisceau de rayons ultra-violets les transistors du circuit sur une tranche de silicium traitée chimiquement. Les opérations successives sont analogues à celles de l’exposition et du développement d’une pellicule de photo argentique. Un processeur contemporain comporte de l’ordre de trente couches de circuits superposées, ce qui amène à renouveler trente fois l’opération de photo-lithographie, pour un total final de deux à trois milliards de transistors sur une surface de 2 cm2. Le niveau technologique de la fabrication est qualifié par la finesse du dessin, représentée conventionnellement par la longueur de la grille du transistor. En 2016, les fabrications de pointe ont une géométrie de 14 nm (il y a un milliard de nanomètres dans un mètre).

La conception de tels dessins est effectuée au moyen de logiciels spécialisés, très onéreux et pratiquement tous d’origine américaine.

Les matériels de photo-lithographie, nommés scanners, coûtent plusieurs dizaines de millions d’euros l’unité, il n’y a que quatre ou cinq industriels qui en produisent (ASML, Canon, Nikon), et il faut savoir que le néerlandais ASML détient 67 % du marché mondial de ces équipements stratégiques. La partie la plus délicate du scanner est une optique de haute précision, les objectifs pèsent plusieurs centaines de kilos et coûtent plusieurs millions d’euros, il n’y a que trois fournisseurs : l’allemand Zeiss, Canon et Nikon. Tous ces matériels sont considérés comme hautement stratégiques et soumis à des restrictions d’exportation, mais le taïwanais TSMC vient d’obtenir l’accord de son gouvernement pour construire en Chine continentale une usine de technologie à tranches de 300 mm et à géométrie de 16 nm.

Voici la photo d’un objectif de scanner de photo-lithographie :

Objectif de scanner pour la photolithographie

Pour une unité de production de circuits à 30 couches, afin d’assurer un fonctionnement correct de la chaîne de fabrication, il faut 30 scanners, pour un coût de l’ordre du milliard d’euros. Ces matériels doivent fonctionner en salle blanche, sur pilotis anti-sismiques de 40 m de profondeur pour éliminer les vibrations. La dernière usine Samsung a coûté 14 milliards de dollars. Nous recommandons la visite de l’usine STMicroelectronics de Crolles.

 Fabrication des matériaux et appareils auxiliaires

L’industrie des matériaux et appareils auxiliaires (ce que les économistes nomment les intrants) pour l’industrie des équipements de fabrication des semi-conducteurs comporte essentiellement les productions suivantes :

- les cristaux de silicium et leur découpage en tranches (wafers) de 20, 30 et désormais 40 cm de diamètre ;
- traitement des tranches de silicium ;
- les masques de photo-lithographie.

Ce sont des fabrications de haute précision qui font appel à des techniques de pointe, néanmoins la valeur ajoutée de ce sous-secteur est sans commune mesure avec celle des équipements de fabrication des semi-conducteurs proprement dits.

Les clients de ce sous-secteur sont soit l’industrie des équipements de fabrication des semi-conducteurs, soit directement l’industrie des semi-conducteurs.

 La chaîne de valeur des semi-conducteurs

 Les points stratégiques de l’industrie micro-électronique

Pour récapituler ce qui précède, les postes principaux et les plus stratégiques de la chaîne de valeur des semi-conducteurs sont les suivants :

- conception de circuits : pour une architecture de microprocesseur entièrement nouvelle, compter 1000 ingénieurs pendant 7 à 10 ans ; cette activité repose presque uniquement sur la compétence des ingénieurs, des chercheurs et des techniciens ;
- fabrication des composants des matériels de photo-lithographie : la partie la plus délicate est l’optique ; un objectif coûte plusieurs millions d’euros, sa fabrication recourt à des procédés très pointus ;
- fabrication des matériels de photo-lithographie : autour des objectifs il faut une mécanique de haute précision et des logiciels complexes ; un scanner pour géométrie de 14 nm coûte plusieurs dizaines de millions d’euros ;
- fabrication des microprocesseurs : une usine où la précision demandée aux machines est de l’ordre du nanomètre doit être exempte de la moindre micro-poussière (une simple bactérie sous le masque de photo-lithographie fait tout échouer), de la moindre vibration, de la moindre variation de température ; les usines de ce type sont construites sur pilotis anti-sismiques, avec un système de climatisation et de filtrage de l’air de la hauteur d’un immeuble de dix étages.

Nous allons examiner comment se situent l’Union européenne et la France sur ces quatre points.

 Positions européennes et françaises dans la filière micro-électronique

Conception de circuits

Le meilleur acteur européen dans ce domaine est le britannique ARM, qui a doublement quitté l’Europe du fait de son rachat par le fonds japonais SoftBank (pour 31 milliards de dollars) et de la sortie du Royaume Uni de l’UE. Il n’y a pas d’autre entreprise comparable en Europe, mais quand même des clusters de compétences non négligeables, notamment dans l’agglomération grenobloise autour de STMicroelectronics, du LETI (Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information1 rattaché au CEA) et des entreprises plus petites et plus spécialisées qui collaborent à leurs activités.

Signalons également l’activité de Bull (groupe Atos) dans le domaine des supercalculateurs, qui n’est pas tout à fait le même domaine, mais qui nécessite des compétences assez voisines.

Fabrication des composants des matériels de photo-lithographie

Des trois entreprises au monde qui fabriquent des optiques de photo-lithographie de classe 22 nm ou moins, une est européenne, l’allemand Zeiss.

Le cluster grenoblois est très actif dans le secteur des matériels annexes, qui sont aussi des fabrications de pointe, même si à valeur ajoutée moins grande : masques de photo-lithographie, wafers (tranches de silicium), traitement physico-chimique de surface, etc.

Fabrication des matériels de photo-lithographie

Des trois industriels significatifs de ce domaine, le leader mondial est le néerlandais ASML qui détient 67 % du marché mondial des scanners pour 6 milliards d’euros de chiffre d’affaires (à noter qu’Intel fabrique une partie des scanners qu’il installe dans ses usines, et qu’il possède 15 % du capital d’ASML).

Fabrication des microprocesseurs

Il y a deux usines de classe 30 nm ou moins sur le territoire de l’UE : à Dresde l’usine Global Foundries, propriété du fonds émirati ATIC, et l’usine STMicroelectronics de Crolles (entre Grenoble et Chambéry). Cette dernière est donc la seule unité de production pleinement européenne. Après une période difficile (le marché des semi-conducteurs est très volatil), STMicroelectronics semble sur la voie du redressement, mais pourrait faire l’objet d’une OPA.

Composants à usage militaire et aérospatial

Il convient de signaler le cas particulier des microprocesseurs à usage militaire et aérospatial, qui obéissent à des normes particulières, notamment pour ce qui concerne la résistance aux radiations (rayonnements cosmiques, nucléaires, etc.). Inutile d’insister sur l’intérêt d’une telle capacité en termes de souveraineté et de position stratégique. L’entreprise française Altis Semiconductors, dont le site de production principal est l’usine de Corbeil-Essonnes, rachetée en 2010 à IBM et Infineon, produit de tels composants, mais n’a pas eu les moyens de suivre la course à la densité des composants et ses produits sont dans la gamme des wafers de 200 mm et des portes de 130 nanomètres, encore utiles pour des systèmes embarqués à bord de véhicules ou de machines mais périmés pour les systèmes de pointe. L’entreprise n’en possède pas moins de sérieux atouts sur des marchés spécialisés, tels que les cartes à puce, le contrôle industriel, les micro-contrôleurs embarqués à bord de véhicules automobiles ou ferroviaires, les produits à destination du grand public et, sans doute le plus intéressant, les composants pour le domaine militaire.

Ainsi que le signalait un numéro récent d’Intelligence Online, l’industrie militaire française dépend aujourd’hui, pour ses produits les plus avancés, de composants de conception américaine, pour lesquels les licences d’exportation conformes à la législation américaine ITAR sont de plus en plus difficiles à obtenir, ce qui a failli remettre en cause certains contrats (les satellites Falcon Eye qu’Airbus Defence & Space et Thales Alenia Space ont vendus aux Émirats arabes unis en 2014). STMicroelectronics, qui détient les moyens de production nécessaires, se cantonne au domaine civil. Il n’aurait pas été déraisonnable d’imaginer que des investissements publics permettent à Altis, une entreprise qui a largement fait ses preuves mais qui est aujourd’hui en redressement judiciaire, de mettre son outil de production au niveau voulu pour les besoins des industries de défense et de l’aérospatial. Altis a finalement été rachetée par l’allemand X-Fab.

 Conclusion sur les positions européennes

Lorsque l’on examine les position européennes dans le domaine des industries microélectroniques et voisines, il apparaît que malgré quelques lacunes et faiblesses l’UE possède un potentiel non négligeable, qui pourrait être renforcé. Le principal obstacle à un tel développement semble résider dans le faible niveau de conscience des décideurs publics et privés, tant en ce qui concerne l’existence de ce potentiel que son caractère stratégique et la nécessité de le faire fructifier. À l’heure où le gouvernement chinois investit 140 milliards de dollars dans le développement de son industrie des semi-conducteurs, il serait catastrophique pour l’avenir des pays de l’UE d’abandonner la nôtre : de nombreux décideurs semblent croire que ce secteur peut être abandonné à l’Asie, or c’est là que réside le principal gisement de valeur de l’industrie d’aujourd’hui et de demain.


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