L’Europe, leader mondial dans les usages numériques au service de la planète ?

TSMC, l’AWS de la production de circuits électroniques

 

Logo TSMCTSMC ? Posez la question autour de vous : connaissez-vous TSMC, savez-vous ce qu’ils font?

Il est probable que la majorité des personnes vous répondront qu’elles n’en ont pas la moindre idée.

TSMC, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, est, comme son nom l’indique, une société basée à Taiwan qui fabrique pour le compte d’autres entreprises des semi-conducteurs, en priorité des microprocesseurs.

La pénurie mondiale de microprocesseurs fait la une des journaux depuis quelques semaines. Elle met en évidence le rôle clef des “fondeurs”, les entreprises comme TSMC.

Que les plus grands constructeurs automobiles du monde soient obligés de fermer leurs usines parce que quelques composants électroniques indispensables font défaut, c’est une autre illustration de la sensibilité de l’économie mondiale à un petit nombre d’industries de base.

Pénurie puces mondiale automobile

En 2021, des milliers d’éditeurs de logiciels sont “infrastructures less” et s’appuient sur les solutions des géants du cloud public, AWS, GCP ou Azure pour leurs infrastructures.

En 2021, des centaines de concepteurs de composants électroniques sont “fabless”, sans usine de production et s’appuient sur TSMC pour fabriquer les composants qu’ils conçoivent.

TSMC joue, pour ces concepteurs de composants, le même rôle qu’AWS, IaaS pour les éditeurs de logiciels SaaS. TSMC, c’est un CaaS, Chip as a Service !

Dans ce billet, je présente un panorama raisonnablement complet de l’écosystème des composants électroniques. Il y a un grand nombre d’enjeux stratégiques mondiaux dans cette industrie ; il est important de comprendre comment elle fonctionne.

 

TSMC en quelques chiffres

TSMC est le numéro un mondial des fondeurs indépendants, qui travaillent exclusivement pour d’autres entreprises et ne commercialisent pas directement leurs microprocesseurs.

TSMC est né en 1987, il y a 35 ans. Bien que l’entreprise soit basée à Taiwan, son capital est détenu à 80% par des investisseurs étrangers ; elle est cotée à Taiwan et à New York.

TSMC a investi massivement dans l’innovation ; ils sont aujourd’hui les plus avancés dans les solutions de pointe. Dans cette industrie, l’un des indicateurs de performance est l’écart qui sépare deux connexions ; il se mesure en nanomètre, nm.

TSMC 5nm factoryTSMC est l’un des seuls, avec Samsung, à proposer depuis 2020 des microprocesseurs en 5 nm. Les investissements industriels nécessaires à la fabrication de ces microprocesseurs sont gigantesques, comme le montrent cette image d’une des usines TSMC en 5 nm et le montant des investissements réalisés par TSMC depuis 2009.

TSMC CAPEX 2009-2021

Les smartphones d’Apple avec les processeurs A14 sont construits en 5 nm par TSMC.

5 nm, c’est vraiment très petit, mais difficile à visualiser. Concrètement, cela signifie qu’il y a 134 millions de transistors par mm2.

Apple A14 chip componentsCe schéma des composants d’un processeur A14 d’Apple donne le vertige ! Sur 100 mm2, il y a presque 12 milliards de transistors.

TSMC prévoit de passer au 3 nm en 2021 et Apple a déjà réservé pour ses prochains iPhone toute la production de TSMC en 3 nm.

 

Microprocesseurs : qui fait quoi dans cette industrie

Nous utilisons tous des centaines de microprocesseurs dans notre vie quotidienne. On pense en priorité aux ordinateurs et smartphones. Ces microprocesseurs sont aussi présents dans des milliers d’objets de notre quotidien : voitures, télévisions, équipements électroménagers…

Ce sont les bases de tous les usages numériques et il est important de comprendre “qui fait quoi” dans cette industrie vitale pour toutes les activités économiques de la planète.

J’ai représenté sur ce schéma cinq niveaux d’acteurs qui interviennent dans cette industrie.

De bas en haut :

● Fournisseurs d’équipements industriels.

● Fondeurs : usines de fabrication.

● Concepteurs de processeurs : développent les architectures de microprocesseurs

● Objets d’accès : incorporent des microprocesseurs dans nos PC, tablettes ou smartphones.

● Serveurs Clouds publics : les grands acteurs du Cloud Public sont aussi des concepteurs de microprocesseurs.

Couches basses infrastructures numériques

Pour chacun de ces niveaux, j’ai sélectionné quelques acteurs économiques importants, présentés dans les prochains paragraphes.

Ce schéma sert de référence pour la suite de ce billet.

 

Fournisseurs d’équipements industriels

Les machines-outils utilisées par les fondeurs sont très spécialisées et complexes. Deux des leaders mondiaux dans ce domaine sont ASML et Applied Materials

ASML, Advanced Semiconductor Materials Lithography

ASML Dutch roots  30 yearsASML est encore moins connue que TSMC ! C’est pourtant le leader mondial de la lithographie, qui permet de dessiner les circuits électroniques en nm. ASML est une société… européenne, basée à Eindhoven aux Pays-Bas, ancienne filiale du groupe Philips. C’est l’un des très rares domaines du numérique où l’Europe a un leader mondial.

Si ASML arrêtait sa production de machines, toute l’industrie mondiale des composants électroniques serait rapidement à l’arrêt.

Cet article récent, publié le 15 avril 2021, montre que l’on commence à prendre conscience de l’importance d’ASML dans toute l’économie mondiale.

ASML indispensable à l'économie

Coïncidence ? Comme TSMC, ASML est née il y a 35 ans.

ASML Litho 2Grâce à des investissements massifs en R&D, ASML s'est construit un quasi-monopole dans les équipements lithographiques haut de gamme dont les fondeurs ont besoin pour fabriquer leurs circuits électroniques.

Cette image montre l’une de ces machines en train de graver une “galette” qui contient des centaines de microprocesseurs. N’oubliez pas qu’il y a sur une seule galette de l’ordre de 3000 à 6000 milliards de transistors !

Applied Materials

Avant de graver les galettes de silicium, il faut les fabriquer. C’est l’un des métiers d’Applied Materials.

Applied material deposition technologyApplied Materials est née en Californie ; ils aiment dire qu’ils sont le “Silicon de la Silicon Valley”.

Comme ASML, les investissements en R&D d’Applied Materials permettent les améliorations spectaculaires que l’on connaît dans le monde des microprocesseurs.

Il existe beaucoup d’autres entreprises dans ce secteur des équipements industriels, mais ASML et Applied Materials sont représentatives d’une industrie dont dépend toute l’économie mondiale et qui reste inconnue du grand public et d’un grand nombre de professionnels du numérique.

 

Fondeurs

C’est dans cette catégorie que se trouve TSMC.

Ce tableau donne la liste, en 2020, des principaux acteurs du marché.

La taille des “wafers”, les galettes, est un paramètre clef : plus ils sont grands, plus on peut fabriquer de circuits électroniques à partir d’une seule galette. Aujourd’hui, les galettes de 300 mm et 200 mm sont utilisées pour les microprocesseurs.

Wafers leaders by size  2020

Les trois fondeurs que j’ai sélectionnés sont :

● TSMC

● Samsung

● Intel

Intel n’est plus dans les cinq premiers dans la catégorie reine, des 300 mm ; il est sixième. C’est pourtant encore celui auquel on pense en priorité quand on parle de microprocesseurs !

Samsung est le numéro un dans la catégorie des 300 mm.

TSMC est le numéro un mondial si l’on additionne les 300 mm et les 200 mm.

TSMC Intel Samsung investissements Le métier de fondeur est très consommateur de capitaux : les usines ont des coûts unitaires qui se chiffrent en milliards de dollars.

Ce tableau donne les montants des investissements annoncés par les trois acteurs cités. Il faut le regarder avec attention ; les périodes d'investissements ne sont pas les mêmes.

TSMC parle de 3 ans, Samsung de 10 ans et Intel… ne dit rien sur la période  couverte.

Intel

Intel n’est plus le leader que l’on a connu dans le siècle dernier. Il fait face à de nombreuses difficultés. J’en ai sélectionné trois :

Intel annonce un investissement de 20 milliards de dollars. Très bien, mais nul ne sait sur quelle période, alors que TSMC annonce 100 milliards, 5 fois plus, et sur 3 ans.

Intel invest 20 B$

Intel will use TSMC for top of the line products● En même temps, Intel annonce que ses usines fabriqueront des circuits en 7 nm, alors que TSMC produira dès 2021 des circuits en 3 nm. Conséquence : Intel annonce qu’il va sous-traiter à… TSMC la fabrication de ses processeurs haut de gamme en 2023, car il n’a pas la capacité en interne pour le faire.

● Intel annonce aussi qu’il mettra ses usines au service d’autres concepteurs de processeurs. Je ne suis pas convaincu qu’il y aura beaucoup de clients pour travailler avec un concurrent potentiel, qui en plus n’est pas capable de proposer les technologies les plus modernes.

TSMC

TSMC va investir 100 B$, et en trois ans, pour répondre à une demande croissante du marché.

TSMC va investir 100 B$

Comme on l’a vu, TSMC a pour ses clients deux avantages majeurs sur Intel :

● Accès aux technologies les plus modernes, 3 nm dès 2021.

● Pas de risques de concurrence : TSMC ne fabrique pas de processeurs sous sa marque.

TSMC market share by sizy of nmLa domination de TSMC est encore plus évidente si on regarde les parts de marché par familles de produits. Dans les solutions haut de gamme, 10 nm ou moins, TSMC avec 90% et Samsung avec les 10% restants trustent le marché.

Ce graphique montre l’évolution sur les 5 dernières années des cours de bourse d’Intel et de TSMC. On comprend mieux pourquoi TSMC a vu son cours grimper de 374% alors qu’Intel s'est contenté de 111%.

Share price Intel vs TSMC

 

Concepteurs de processeurs

Cette famille regroupe des dizaines de sociétés qui conçoivent des processeurs. J’ai choisi de parler de quatre d’entre elles, qui sont représentatives des différentes stratégies possibles.

Apple

Apple a une très forte équipe interne pour concevoir des circuits électroniques propriétaires et en tirer un avantage compétitif. Le premier MacBook Air avec un processeur non Intel, le M1, sur base ARM, en est le dernier exemple.

Apple est un “fabless” : il fait fabriquer ces processeurs par les trois fondeurs cités, Intel, Samsung et TSMC.

Nvidia

Nvidia ampere AI processorNvidia est l’une des vedettes montantes du secteur. Après les cartes graphiques, Nvidia est devenu très présent dans les processeurs pour l’Intelligence Artificielle. Nvidia est, comme Apple, une entreprise “Fabless”.

À la différence d’Intel, Nvidia a su innover et diversifier ses marchés ; c’est un acteur clef dans de nouveaux secteurs comme les jeux vidéo. Ses performances spectaculaires en bourse, avec un cours multiplié par 14 en 5 ans, confirment ce succès.

Share price Nvidia 5 years

Nvidia a annoncé son intention de racheter ARM pour 40 milliards de dollars. Cette opération n'est pas encore confirmée et de nombreux acteurs tels que Qualcomm et des autorités de la concurrence sont contre.

Qualcomm object deal ARM - Nvidia

L’histoire d’ARM est exemplaire des échecs de l’Europe. ARM est le leader mondial des processeurs présents dans tous les smartphones du monde. ARM est née en Angleterre, a été financée par le gouvernement britannique avant d’être rachetée par le japonais Softbank.

Si le rachat par Nvidia est bloqué, ce serait une excellente opportunité pour l’Europe de mettre la main sur un acteur clef du marché. 40 milliards de dollars, ce n’est pas un investissement déraisonnable pour revenir sur ce marché essentiel!

Intel

Intel est de loin la marque la plus connue dans l’industrie des microprocesseurs. Comme on l’a vu précédemment, sa place réelle dans l’industrie est aujourd’hui en dessous de sa notoriété, et continue à chuter rapidement.

Intel avait une place clef dans les ordinateurs personnels, concurrencé seulement par AMD. Il vient de perdre un client important, Apple, qui bascule sur des processeurs de la famille ARM conçus en interne. Intel est totalement absent du marché des smartphones, dominant en volume.

Intel avait aussi une place dominante dans les centres de calculs. Cette domination est elle aussi remise en cause par l’arrivée des géants du cloud public. J’y reviens plus loin.

● Les entreprises ferment leurs centres de calculs privés, ce qui réduit la taille du marché.

Nvidia in data centers● AWS, GCP et Azure construisent de plus en plus leurs propres serveurs, et ils ne sont plus seulement construits avec Intel. ARM, Nvidia et beaucoup d’autres prennent chaque jour une place plus importante dans leurs infrastructures.

Quel avenir pour Intel ? Dépassé dans son rôle de fondeur, attaqué dans les marchés où il était dominant, est-ce qu’Intel sera encore un acteur majeur du numérique en 2025 ?

Je vous laisse choisir votre réponse à cette question.

Samsung

Samsung exynos 2Samsung est la seule entreprise présente dans trois des cinq niveaux du tableau des fournisseurs. Samsung conçoit, fabrique et utilise ses propres circuits électroniques dans ses smartphones et autres objets numériques, sous la marque Exynos.

Cette intégration verticale permet à Samsung de contrôler toute la chaîne de valeur des processeurs. Comme Apple, il peut ajouter des fonctionnalités spéciales, propriétaires dans ses processeurs, pour différencier ses objets d’accès.

 

Objets d’accès

PC portables, tablettes, smartphones, consoles de jeux… On rentre là dans des domaines où les fournisseurs sont très connus des entreprises et du grand public.

Main smartphones vendors 2020 CanalysLa majorité des constructeurs, Dell, Lenovo, Xiaomi ou Oppo, achètent leurs processeurs à des fournisseurs tels que Qualcomm, spécialistes des architectures ARM.

Le troisième grand fournisseur de smartphones, Huawei, conçoit ses propres processeurs sous la marque Kirin. Huawei est encore un “fabless”, mais les blocages américains vont l’amener à construire lui aussi ses propres usines de microprocesseurs, comme Samsung.

Est-ce une coïncidence si les trois leaders mondiaux du marché, Samsung, Huawei et Apple, sont ceux qui conçoivent aussi leurs processeurs ?

 

Serveurs

La situation évolue très vite dans le monde des serveurs : la domination d’Intel est attaquée sur tous les fronts, par les fournisseurs concurrents et par les géants du cloud public.
Tous préparent des processeurs pour remplacer ou compléter les “historiques” x86 d’Intel et AMD.

Quelques exemples :

ARM GRACE ARM CPU● Nvidia annonce la disponibilité en 2023 de Grace, un processeur très haut de gamme pour centre de calcul, orienté Intelligence Artificielle.

● AWS proposera avant la fin de l’année 2021 Graviton2, un processeur construit par Nvidia, en exclusivité pour AWS.

● Google propose depuis plusieurs années des TPU, TensorFlow Processor Unit, des processeurs maison pour optimiser l’usage de son outil de Machine Learning Tensorflow.

● Microsoft a annoncé en 2020 un accord avec... TSMC pour créer un laboratoire commun pour développer des processeurs dédiés pour Azure.

Confirmant le thème général de ce billet, comme dans le Cloud, la démarche Best of Breed s’impose rapidement dans le monde des processeurs. Les solutions universelles, supposées tout faire pour tout le monde comme l’Intel x86, se font tailler des croupières par des dizaines de solutions très spécialisées qui sont 10 à 100 fois plus performantes dans leurs domaines respectifs.

 

Impacts climatiques forts de l’industrie des circuits électroniques

Dans un billet récent, j’analyse différents scénarios possibles pour répondre aux défis climatiques de la planète.

TSMC emission of carbonJ’y parle du dernier livre de Bill Gates, “How to avoid a climate disaster”, dans lequel il explique que la production de biens matériels est le plus grand émetteur de gaz à effet de serre.

L’industrie des composants électroniques en est un bon exemple, comme l’explique cet article de Bloomberg qui parle de... TSMC.

TSMC émet plus de gaz à effet de serre que le constructeur automobile General Motors.

Les fabricants de processeurs sont aussi de gros consommateurs de matières premières et d’eau, comme le montre ce graphique.

TSMC water consumption

Dans un billet sur la Frugalité Numérique des objets d’accès, je montre que le processus de fabrication des smartphones ou les PC portables, dont font partie les processeurs, est plus consommateur d’énergie que leur usage.

 

Dimensions stratégiques internationales

Taiwan, berceau de TSMC, est une île de 24 millions d’habitants et 36 000 km2, 15 fois plus petite que la France, à 160 km de la Chine continentale.

La République Populaire de Chine n’a jamais abandonné son objectif d'annexer Taiwan et la tension entre ces deux territoires est redevenue très forte, comme le confirme cet article.

China War over Taiwan sooner

La reprise en main de Hong Kong est un autre exemple de la volonté chinoise d’augmenter son contrôle politique dans la région.

Map taiwan Corée TSMC SamsungTSMC à Taiwan, Samsung en Corée du Sud, la domination de l’Asie “non chinoise” dans l’industrie des composants électroniques est une réalité.

2034 a Novel of the Next World War” vient d’être publié aux États-Unis. Il situe le début d’une nouvelle guerre mondiale, en 2034, dans la mer de Chine qui sépare Taiwan du continent chinois.

Un extrait de ce livre a été publié dans la revue Wired. Cela vous évitera de lire tout le livre, qui est très “moyennement” intéressant.

Il existe une double dépendance dangereuse, technologique et politique, du monde entier dans le domaine des composants électroniques.

Où en est-on, en Europe ?

STM sales 2020 par catégories produitsL’Europe n’est pas totalement absente de ce marché des composants électroniques. STMicroelectronics est le principal concepteur et constructeur européen de composants électroniques. Par contre, STMicroelectronics n’a pas une présence significative sur le secteur des microprocesseurs ; ils sont actifs sur des marchés différents comme le montre la répartition de leur chiffre d’affaires pour l’année 2020.

Les États-Unis ont eux aussi pris conscience de cette dépendance. Pat Gelsinger, le nouveau patron d’Intel, vient de demander au Président Joe Biden de passer à l’action en investissant 50 milliards de dollars dans cette filière.

● En 1990, les États-Unis produisaient 37% des semi-conducteurs.

● En 2021, ce pourcentage est tombé à 12%.

● L’Asie représente 70% du marché mondial.

Cette dépendance de l’Europe et du reste du monde dans le domaine des composants est un vrai problème, oui. Elle est, à mon avis, plus importante que celle dont on parle beaucoup trop en ce moment, dans le domaine des infrastructures Clouds Publics.

Lemaire dépendance InacceptablePeut-on la réduire ? Ce n’est certainement pas en tenant des discours aussi creux que celui de notre ministre des Finances qu’on va avancer !

La dépendance de l’Europe est “inacceptable”...

Je vais en parler avec l’Allemagne…

Ces discours m’exaspèrent : je les entends depuis des années dans le monde du numérique, alors que nous avons besoin d’agir, pas de palabrer.

J’ai écrit ce billet pour que les lecteurs prennent conscience de l’importance du sujet, et de notre totale dépendance en matière de composants électroniques pour le monde du numérique.

L’Europe peut-elle rattraper ce retard “inacceptable” ?

Poser la question, c’est y répondre.

Bien plus que les milliards d’investissements annuels nécessaires, il faudrait créer de toutes pièces une industrie qui demande des compétences techniques très fortes, des savoir-faire qui se sont construits au cours des 35 années chez TSMC et Samsung.

L’option la plus radicale serait de racheter TSMC en Bourse ! Le prix, 550 B$, est hélas dissuasif.

Si je devais recommander une seule action de l’Europe pour reprendre, un peu, une place dans ce marché des composants, ce serait de tout faire pour que le rachat d’ARM par Nvidia échoue, en arguant du risque de position dominante. Il faudra ensuite dépenser, et vite, les 40 B$ nécessaires pour qu’ARM redevienne une société européenne.

Europe Map STM ARMUne fusion entre STMicroelectronics et ARM serait, à mon avis, la dernière opportunité qui reste à l’Europe pour continuer à exister dans ce secteur stratégique. La valeur boursière actuelle de STMicroelectronics est de 35 milliards €, équivalente à celle d’ARM.

ARM est une société qui n’a pas d’usines, mais elle est à la base de la majorité des processeurs qui équipent les smartphones mondiaux et, progressivement, les PC comme Apple puis les centres de calcul.

Cette démarche est cohérente avec celle que j’ai proposée dans mon billet :

L’Europe, leader mondial dans les usages numériques au service de la planète

Il faudrait que l’Europe adopte une stratégie similaire dans le domaine des composants électroniques : se concentrer sur la dimension usages, type ARM, et accepter le fait que l’on ne peut plus lutter dans la dimension infrastructures de production contre des TSMC ou Samsung.

C’est en étant pragmatique, en choisissant ses combats, en concentrant ses énergies sur un tout petit nombre de projets que l’Europe du numérique peut espérer continuer à jouer un rôle significatif dans toutes les industries du numérique.

C’est aussi vrai dans le domaine des composants, comme l'explique ce billet.

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