Chip War : la guerre des composants électroniques - Première partie

 

J’ai profité d’une activité professionnelle plus calme pendant les derniers jours de l’année 2022 pour terminer la lecture du livre de Chris Miller, CHIP WAR.

Je lis beaucoup, et ce livre est l’un de ceux qui m'a le plus impressionné en 2022.

Dans ce billet, je vous présente quelques-unes des idées les plus importantes que j’ai retenues de cette lecture.

J’espère surtout qu’il vous donnera envie de le lire dans son intégralité.

Il se lit comme un roman policier, alors qu’il parle de technologies et de stratégie mondiale. C’est un beau compliment…

 

Un thème clé: l’importance de l’industrie des composants électroniques

Cela fait plusieurs années que je m’intéresse à ce sujet.

Cette industrie des composants électroniques a démarré dans les années 1960. Aujourd’hui, il n’y a plus un seul secteur économique qui ne dépende pas, plus ou moins fortement, de ces composants.

Au CES (Consumer Electronics Show) 2023 qui vient de se terminer à Las Vegas, Honda a présenté un prototype du véhicule électrique autonome Afeela sur lequel ils travaillent, avec… Sony et Qualcomm. 

Sur ce schéma, on voit les 45 capteurs qui seront utilisés pour permettre le niveau 3 d’autonomie. Le nombre de processeurs et la puissance numérique embarquée sur un véhicule de ce type sont impressionnants.

Ce billet que j’ai écrit en 2021 présente un panorama raisonnablement complet de cette industrie.

A la fin de l’année 2021, dans une analyse des principaux risques qui menacent notre planète, j’ai parlé de la volonté de la Chine d’envahir Taiwan, ce qui aurait des conséquences dramatiques sur l’industrie des composants électroniques.

Dans les “Vœux du Président de la République Française pour le numérique”, l’industrie des composants électroniques occupe une place de choix.

Maintenant que tous les pays ont pris conscience de l’importance de cette industrie, il est essentiel d’en comprendre la variété et la complexité.

 

Composants électroniques : deux industries très différentes

Pour bien comprendre les enjeux mondiaux de cette industrie, il est indispensable de séparer le marché en deux familles:

• Les composants simples, qui s’appuient sur des technologies bien maîtrisées et matures.
• Les composants haut de gamme, construits avec les technologies les plus avancées du moment.

Ce schéma permet de mieux visualiser les progrès exponentiels réalisés dans la construction de ces composants électroniques.

A gauche, un processeur ARM de première génération:

• Construit en 1985.
• Lithographie en 3 µm.
• 25 000 transistors.

A droite, un processeur ARM M1 développé par Apple:

• Construit en 2020.
• Lithographie en 5 nm.( Rappel : 1 µm = 1000 nm.).
• 16 milliards de transistors = multiplication par 640 000 du nombre de transistors par rapport au processeur de 1985.

La segmentation en deux familles permet de suivre les évolutions de cette industrie des composants électroniques.

 

Famille des composants simples, sur technologies anciennes

A la fin des années 1950 et au début des années 1960, les premiers composants électroniques à base de transistors remplacent les processeurs à tubes.

Texas Instruments, Intel sont nés pendant cette période.

Les principaux composants que l’on retrouve dans cette famille sont:

• Les microprocesseurs simples, présents dans des milliers d’objets courants tels que les téléviseurs, les machines à laver…
• Les mémoires DRAM (Dynamic Random Access Memory). Ce sont des mémoires qui ont besoin d’être alimentées en énergie pour fonctionner et que l’on trouve dans tous les ordinateurs. L’industrie des DRAM a connu trois zones géographiques leaders successifs:
• Les Etats-Unis avec la Silicon Valley.
• Le Japon pendant les années 1980.
• La Corée du Sud et d'autres pays d’Asie aujourd’hui.
• Les mémoires Flash ou NAND. Ce sont des mémoires qui sont capables de stocker des informations sans être alimentées en énergie.

Les outils de lithographie utilisés pour les fabriquer sont bien maîtrisés: ce sont des solutions DUV (Deep UltraViolet) qui gravent le plus souvent entre 200 et 300 nm.

 

Famille des composants haut de gamme

La principale différence avec les composants simples est liée aux solutions de lithographie utilisées: les solutions EUV (Extreme UltraViolet), avec des gravures comprises aujourd’hui entre 13 et 3 nm.

Je reviendrai plus longuement sur ce sujet clé de la lithographie dans la suite de ce texte.

Les principaux composants qui ont besoin de l’EUV sont:

• Les microprocesseurs universels haut de gamme tels que l’Apple ARM M2.
• Les cartes graphiques de Nvidia, de plus en plus utilisées en Intelligence Artificielle.
• Les processeurs spécialisés dans l’Intelligence Artificielle. C’est dans ce domaine que les progrès sont les plus spectaculaires depuis 2020. On assiste aussi à la multiplication de solutions spécifiques proposées par les géants du Cloud Public tels que:
• Les processeurs TPU (Tensor Flow) par Google.
• Les processeurs Inferencia par AWS.

 

Lithographie : LA clé de l’explosion des performances des composants électroniques

Comme on l’a vu dans le début de ce texte, les techniques de lithographie sont au cœur de l’accroissement des performances des composants électroniques.

Le terme exact à utiliser serait la photolithographie, pour se différencier des techniques anciennes d’impression sur papier. Dans la pratique, toute la profession utilise le mot lithographie, ce que je fais dans ce texte.

Jay Lathrop qui travaillait chez Texas Instruments a inventé la lithographie en utilisant un microscope… à l’envers pour réduire la taille d’une image. Le brevet a été déposé en 1957.

Cette image montre l’un des premiers composants “dessiné” avant d’être photolithographié.

Comme pour les mémoires DRAM, l’industrie a migré géographiquement:

• Le leadership initial était aux Etats-Unis avec l'entreprise GCA au début des années 1980.
• Nikon et Canon au Japon deviennent dominants à la fin des années 1980.

Les machines de cette génération travaillaient avec les solutions DUV : Deep Ultraviolet Light,  entre 200 et 300 nm.

Le basculement vers la génération d’après, EUV: Extreme Ultraviolet Light pour graver en 15 nm ou moins était considérée par les fournisseurs existants comme extrêmement difficile, voire impossible

Et c’est à ce moment qu’a commencé l’aventure ASML…

 

ASML, le seul fournisseur mondial d’outils de lithographie EUV

En 1984, le groupe hollandais Philips avait transféré ses compétences en lithographie dans une société indépendante, ASML. Philips avait aussi investi dans la “startup” TSMC à Taiwan, ce qui a facilité les collaborations entre ASML et TSMC.

GCA, qui était le leader américain des solutions DUV, a mis la clé sous la porte en 1990.

En 2001, ASML achète le seul acteur en lithographie restant aux Etats-Unis, SVG.

Après des dizaines de milliards d’investissements, dont 12 milliards par Intel, et des années de travail, ASML est en 2023, le SEUL fabricant au monde capable de construire des machines qui gravent en EUV.

Il faut bien comprendre les impacts de ce monopole ASML: 100% de l’industrie mondiale des composants électroniques haut de gamme est dépendante des machines de lithographie construites par ASML.

Cette situation est résumée sur ce schéma.

Cette fragilité de l’industrie est accentuée par le fait que ASML est un intégrateur de dizaines de milliers de composants très haut de gamme, dont beaucoup sont aussi fournis par une seule entreprise. Dans cet écosystème, il y a quelques acteurs essentiels:

• Zeiss, fabricant allemand d’optiques de précision, est le SEUL à pouvoir fabriquer les miroirs dont a besoin ASML
• Trumpf, autre acteur allemand, est le SEUL fabricant de lasers au dioxyde de carbone capable de fournir les lasers nécessaires pour ASML. ASML a financé pour 1 milliard de dollars la recherche de Trumpf.
• Cymer est un acteur américain fournisseur de sources de lumière nécessaires pour les lasers. C’est le SEUL fournisseur pour ASML, qui a pris la décision d’acheter l’entreprise.

ASML, Zeiss, Trumpf, Cymer, ce sont tous des MONOPOLES mondiaux dans l’industrie des composants électroniques. Cette industrie est d’une extraordinaire fragilité. 

Un accident industriel sur une seule de ces quatre entreprises peut bloquer toute l’industrie du numérique au niveau mondial.

La croissance exponentielle des performances de ces outils de lithographie EUV continue. Les premières machines ASML fonctionnant en 3 nm ont été livrées en 2022 à Samsung et TSMC.

Une “petite” machine ASML coûte entre 100 et 200 M$. Celle représentée ici:

• A un prix de vente de 150 M$. 
• Est de la taille d’un autobus. 
• Demande 40 conteneurs et 3 avions-cargos pour être expédiée.

Ce ne sont pas des machines qui se vendent en grand nombre! Fin 2022, ASML n’avait livré que 140 machines EUV dans le monde.

Sur le schéma du monopole ASML, j’ai rajouté un “duopole +”, celui des fondeurs, des entreprises industrielles capables de mettre en œuvre les outils ASML pour fabriquer les composants haut de gamme.

Pourquoi parler de “duopole +”?

• TSMC, basé à Taiwan, est le premier fondeur mondial de composants haut de gamme.
• Samsung, basé en Corée du Sud, est le deuxième fondeur.
• Intel est loin derrière en matière de volumes, le + de la bande. L’avenir d’Intel dans les composants très haut de gamme n’est pas garanti.

Les liens entre ASML et TSMC sont très étroits.

Le premier fondeur à utiliser les nouvelles générations de matériels ASML est le plus souvent TSMC, comme le montrent ces deux annonces récentes:

TSMC prévoit de livrer les premiers composants en 2nm début 2026.

- TSMC annonce qu’il va construire à Taiwan une nouvelle usine pour des puces en 1 nm.

Le fournisseur des matériels permettant la fabrication de ces nouvelles générations de composants sera… ASML.

N’oublions pas que passer du 2 nm au 1 nm, cela… double le nombre de transistors que l’on peut graver sur la même surface!

Cette remarquable vidéo

qui présente l’histoire d’ASML dure presque 20 minutes, mais je vous conseille vraiment de prendre le temps de la visionner. Elle a été préparée avec l’aide de Chris Miller, l’auteur du livre qui m’a servi de référence pour écrire ce billet.

 

L’après EUV : High NA EUV

Dans votre prochain dîner en ville, vous pourrez parler de “High NA EUV” et votre prestige comme spécialiste du numérique va grimper en flèche!

NA signifie Numerical Aperture, l'équivalent de la focale d'un appareil photographique. EUV travaille avec un NA de 0,33 et High NA EUV avec un NA de 0,55.

Cette nouvelle génération de lithographie devrait arriver à partir de 2025. Cet article explique, dans un langage raisonnablement simple, les différences entre EUV et High NA EUV.

ASML travaille sur cette nouvelle génération High NA EUV et son premier client sera… Intel!

Intel espère ainsi retrouver une position de leader vis-à-vis de ces deux concurrents asiatiques, TSMC et Samsung.

Ces nouvelles machines seront encore plus complexes, plus grandes et plus chères que les EUV actuelles, comme le montre cette photo. Le prix d'une machine High NA EUV sera de 300 M$.

 

Dans cette première partie de ce billet, j’ai présenté les dimensions techniques et industrielles de cette guerre des composants électroniques.

Dans la deuxième partie, j'aborderai les enjeux géopolitiques majeurs posés par la dimension stratégique de cette industrie des composants électroniques.