OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION

DES CHOIX SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES

RAPPORT

sur

« L’évolution du secteur de la micro/nanoélectronique»

SOMMAIRE

Pages

I. UN SECTEUR CLÉ DE L’ÉCONOMIE EN PLEINE MUTATION 11

A. UN SECTEUR CLÉ DE L’ÉCONOMIE 11

B. UNE INDUSTRIE CONFRONTÉE À UN TRIPLE DÉFI 20

C. UNE INDUSTRIE EN PLEINE MUTATION 24

II. DES PERSPECTIVES SCIENTIFIQUES PROMETTEUSES MALGRÉ LES DÉFIS TECHNOLOGIQUES À RELEVER 37

A. LES TROIS AXES DE DÉVELOPPEMENT DU SECTEUR DE LA MICROÉLECTRONIQUE 37

B. LES OBSTACLES À SURMONTER 53

III. UN SECTEUR SOUMIS AUX ENJEUX DE LA SOCIÉTÉ 60

A. UN SECTEUR POTENTIELLEMENT CRUCIAL POUR SURMONTER LES DÉFIS SOCIÉTAUX DU XXIÈME SIÈCLE 60

B. UN SECTEUR QUI SOULÈVE CERTAINES INTERROGATIONS 69

IV. L’INDUSTRIE DE LA MICROÉLECTRONIQUE EUROPÉENNE : UNE INDUSTRIE EN PÉRIL ? 83

A. LES DONNÉES DU MARCHÉ MONDIAL 84

B. LE VOLONTARISME ASIATIQUE : TROIS EXEMPLES 88

C. LE POIDS DES ETATS-UNIS 95

D. LA MICROÉLECTRONIQUE EN EUROPE : UN SECTEUR INDUSTRIEL À LA CROISÉE DES CHEMINS 98

E. L’INDUSTRIE DE LA MICROÉLECTRONIQUE EN FRANCE : UNE SITUATION INCERTAINE 111

I. SOUTENIR LE SECTEUR DE LA MICROÉLECTRONIQUE 125

A. LES PROPOSITIONS AU NIVEAU COMMUNAUTAIRE 125

B. LES PROPOSITIONS AU NIVEAU NATIONAL 131

II. CONCILIER L’ESSOR DE LA MICROÉLECTRONIQUE AVEC LE RESPECT DES DONNÉES PRIVÉES ET DE L’ENVIRONNEMENT 140

A. CONCILIER ÉTHIQUE ET MICROÉLECTRONIQUE 140

B. ENCOURAGER LE DÉVELOPPEMENT D’UNE « ÉLECTRONIQUE VERTE » 142

Mesdames, Messieurs,

L’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques a été saisi le 19 décembre 2006 par le Bureau du Sénat, en application de l’article 6 ter de l’ordonnance n° 58-1100 du 17 novembre 1958, sur l'actualisation du rapport établi le 8 avril 2003 relatif à l'évolution du secteur des semiconducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies.

Il convient de rappeler que très rapidement après son début d’activité, l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques s’est intéressé au secteur des semiconducteurs. Trois rapports ont déjà été publiés sur le sujet.

Ainsi, le cinquième rapport approuvé par l’Office en 1989 et présenté par notre collègue Louis Mexandeau étudiait « l’évolution de l’industrie des semiconducteurs et de la microélectronique ».

De même, en 1994, l’Office a approuvé une étude de notre collègue Charles Descours sur « l’évolution du secteur des semiconducteurs et de la microélectronique ».

Puis en 2002, votre rapporteur a eu l’occasion de présenter son rapport sur « l’évolution des semiconducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies ».

Il convient enfin de préciser que cette étude se limite délibérément au secteur des semiconducteurs. Les nanosciences et les nanotechnologies ne sont donc évoquées qu’en rapport avec la micro/nanoélectronique. C’est la raison pour laquelle les questions éthiques relatives à l’utilisation des nanotechnologies dans le domaine médical ne sont pas abordées. De même, sans méconnaître la légitimité des interrogations soulevées par l’utilisation croissante de nanomatériaux qui peuvent s’avérer toxiques pour l’homme et l’environnement, ce sujet n’occupe pas une place centrale dans ce rapport dans la mesure où le secteur des semiconducteurs est aujourd’hui relativement peu exposé aux risques liés aux nanoparticules.

Le paradoxe de l’industrie des semiconducteurs est qu’elle irrigue profondément la vie économique et les comportements sociaux tout en restant relativement confidentielle, à la différence, par exemple, de l’aéronautique. Ainsi, on s’intéressera plus aux applications de l’ordinateur personnel et des téléphones portables qu’aux composants qui permettent de les faire fonctionner. Pourtant, les semiconducteurs sont omniprésents dans la vie quotidienne et ont un poids économique décisif dans la mesure où leur diffusion technologique est en progression constante.

Depuis notre réveil jusqu’à l’extinction des lumières, nous sommes environnés d’objets qui fonctionnent grâce aux composants électroniques.

Le tableau suivant en donne quelques illustrations :

Cette « pervasion » de la microélectronique dans notre quotidien s’explique par une miniaturisation poussée qui s’appuie sur un coût de production exponentiellement décroissant.

D’une part, des composants élémentaires toujours plus petits permettent de gagner non seulement en vitesse et en consommation, mais aussi en taille et en poids (surtout pour les systèmes portables ou embarqués), élargissant sans cesse le champ d’application de la microélectronique.

D’autre part, la réduction de la taille des circuits intégrés entraîne une diminution du coût de production unitaire, ouvrant ainsi de nouveaux marchés. Pour rappel, le prix d’un mégabit de mémoire électronique équivalait à 75.000 € en 1973, alors qu’il s’élève aujourd’hui à 1 centime d’euro.

En outre, l’ajout de fonctionnalités nouvelles dans les circuits intégrés a ouvert de nouveaux champs d’application. Désormais, un téléphone sert non seulement à téléphoner, mais il permet d’écouter de la musique, de prendre, d’envoyer et de recevoir des photos et des vidéos, de s’orienter grâce au GPS, de surfer sur internet et de regarder la télévision.

Mesurée par l’importance de son chiffre d’affaires mondial, la croissance de l’industrie électronique est spectaculaire. En 1965, elle réalisait un chiffre d’affaires de 1,5 milliard de $, qui est passé à 25 milliards de $ en 1985, à 144 milliards de $ en 1995, à 200 milliards de $ en 2000 et 265 milliards de $ en 2006, soit plus que le chiffre d’affaires du transport aérien.

Il convient de remarquer que le taux de croissance des semiconducteurs a longtemps été deux fois supérieur à celui de l’économie mondiale.

Selon les chiffres publiés par le World Semiconductor Trade Statistics, le taux de croissance du marché des semiconducteurs a ainsi été de +18 % dans les années 70, de +16 % dans les années 80, de +14 % dans les années 90 et de +7 % entre 2000 et 2006.

En outre, les perspectives de croissance du marché des semiconducteurs pour les prochaines années sont très bonnes et ce, en dépit des difficultés économiques rencontrées par les Etats-Unis, comme le montre le tableau ci-dessous.

Ces prévisions optimistes s’expliquent par le fait que ce marché est désormais tiré par les pays émergents.

Ces pays (au premier rang desquels figure la Chine, suivie par l’Inde, l’Indonésie, le Brésil, La Russie, le Mexique etc) se caractérisent à la fois par une population importante avec des salaires peu élevés, donc un taux d’équipement faible, mais également un taux de croissance économique fort entraînant une augmentation du pouvoir d’achat de la population et de la demande de produits liés à la microélectronique.

Les deux exemples suivants montrent le poids déterminant des deux géants asiatiques que sont la Chine et l’Inde.

Avec 370 millions de lignes fixes et 449 millions d’abonnés mobiles à la fin 2006, la Chine était le marché des télécommunications le plus important au monde. Son potentiel de croissance est néanmoins encore considérable : les taux de pénétration de la téléphonie fixe et mobile ne sont respectivement que de 27 % et 30 %. Les opérateurs chinois recrutent chaque mois 4 à 5 millions de nouveaux abonnés au téléphone portable et 2 millions d’abonnés à des lignes fixes.

A la fin 2006, l’Inde comptait 100 millions d’abonnés mobiles, ce chiffre augmentant de 5 millions tous les mois. Il devrait atteindre 280 millions en 2010, tout en ne représentant qu’un taux de pénétration de 24 %.

En ce qui concerne les ordinateurs portables, 14,5 millions d’unités étaient recensés en Inde en 2006, soit un taux de pénétration chez les particuliers de 12 %.

A moyen terme, la Chine (en incluant Taiwan et Singapour) et l’Asie/Pacifique devraient contribuer pour 75 % à la croissance mondiale du secteur des semiconducteurs.

Source : STMicroelectronics

Outre cette progression spectaculaire, il convient d’insister sur l’effet de levier que représentent les semiconducteurs. C’est ce que les spécialistes du secteur appellent « la pyramide inversée » de la filière silicium, et qu’illustre le tableau suivant :

Le produit intérieur brut mondial étant évalué à 46.000 milliards de $, l’industrie des semiconducteurs contribue pour plus de 10 % de la richesse mondiale.

La croissance de la microélectronique
et son effet de levier sur la croissance mondiale

Source : Medea +

Au niveau mondial, le secteur de la téléphonie mobile développé depuis 10 ans seulement génère un chiffre d’affaires de 400 milliards de $ et 6 millions d’emplois.

En France, les seuls revenus de la connectivité et des services haut débit sont estimés à 80 milliards d’euros pour l’année 2006, auxquels s’ajouterait l’effet de croissance indirecte induite évaluée à près de 60 milliards d’euros par an, soit au total un point de croissance annuelle.

L’exemple de la téléphonie mobile illustre parfaitement l’effet levier du secteur des semiconducteurs.

Source : STMicroelectronics

Avec l’augmentation des performances, la réduction de la taille et la baisse du coût des circuits intégrés, les semiconducteurs ont quitté leur domaine d’application d’origine – les applications militaires et la grande informatique – pour conquérir d’autres applications telles que les télécommunications, les produits grand public, l’automobile et les systèmes de contrôle et d’automatisation industrielle comme le montre le tableau ci-dessous.

Source : STMicroelectronics

Aujourd’hui, la « pervasion » de la microélectronique dans tous les secteurs d’activité oblige les entreprises à maîtriser les technologies qui y sont liées si elles veulent rester compétitives.

Quelques exemples concrets permettront de mesurer les enjeux.

Dans le secteur automobile, l’électronique joue un rôle croissant : alors qu’en 2000, elle ne représentait en moyenne que 22 % du prix d’un véhicule, elle devrait s’élever respectivement à 35 % du prix en 2010 et à 40 % en 2015. L’électronique joue notamment un rôle décisif pour améliorer la performance des moteurs, renforcer la sécurité des passagers (système ABS…) et rendre les trajets plus confortables.

Dans l’aéronautique, le développement de l’avionique, à savoir l’ensemble des équipements informatiques et électroniques facilitant le pilotage et le guidage de l’avion, constitue un enjeu majeur pour les constructeurs et leurs fournisseurs. On peut ainsi citer le rôle des radios et des systèmes de télécommunication, des radars, du pilotage automatique, du système d’atterrissage aux instruments en cas de mauvais temps ou encore des commandes de vol électriques dans les modèles les plus récents.

Il convient de remarquer que dans les deux secteurs mentionnés précédemment, s’ajoutent aux soucis de performances techniques et économiques des décennies précédentes de nouvelles exigences environnementales et sociétales. Concrètement, les voitures et avions du futur devront polluer moins et être plus sûrs.

Ainsi, l’industrie aéronautique européenne s’est fixée pour 2020 des objectifs ambitieux :

- réduction du niveau du bruit de 50 % ;

- réduction des émissions de CO2 de 50 % et de NOx de 80 % ;

- coût moyen du transport aérien réduit de 30 % ;

- amélioration de la disponibilité des avions ;

- voyage convivial et confortable avec accès à de nouveaux services ;

- taux d’accident d’avion réduit d’un facteur 5.

Or, la satisfaction de ces objectifs exigera la mise en place de technologies de rupture car les solutions techniques actuelles sont déjà proches de leur rendement maximum.

Par ailleurs, seules les entreprises ayant une avance technologique dans le domaine de la microélectronique pourront prétendre à un leadership dans les nouveaux marchés liés au développement des communications, à la réduction de la consommation d’énergie, à la santé, aux divertissements et à la sécurité.

Il apparaît ainsi que l’industrie des semiconducteurs structure l’ensemble de l’économie dans la mesure où elle sert de brique de base dans la plupart des secteurs d’activité : sans industrie des semiconducteurs performante, les autres secteurs ne peuvent pas être compétitifs.

A cet égard, la plupart des industriels interrogés sur ce sujet ont souligné les limites du libre échange pour certaines technologies clés en faisant remarquer que les « entreprises japonaises de semiconducteurs travaillaient d’abord pour les grands groupes japonais » et que « les entreprises américaines servaient avant tout les Etats-Unis ». Cette préférence nationale peut se traduire de deux manières.

D’une part les performances de certaines technologies exportées peuvent être bridées.

Un représentant du ministère de la défense entendu par votre rapporteur a cité l’exemple suivant : le programme d'armement FELIN  vise à doter les fantassins (de l'armée de terre) en équipements et liaisons intégrés : il comporte des capacités de vision de nuit et de communication. Or, des problèmes de bridage des performances sont rencontrés sur l'intensificateur de lumière issu de la société américaine INTEVAC.

D’autre part, l’incorporation de ces technologies dans des systèmes plus complexes peut donner un droit de regard sur l’utilisation de ces derniers à l’Etat de l’entreprise pourvoyeuse de ladite technologie. Ainsi, dans des secteurs sensibles et très concurrentiels comme les équipements militaires et le spatial, des entreprises européennes ont rencontré des difficultés pour l’exportation de leurs produits parce qu’elles étaient soumises à l’aval des autorités américaines.

Au-delà de la compétitivité des entreprises, l’industrie des semiconducteurs joue donc un rôle primordial dans le maintien de l’indépendance nationale.

Si l’industrie des semiconducteurs constitue un secteur clé de l’économie et contribue depuis plus de trois décennies à la croissance mondiale, elle est confrontée à un triple défi, à savoir l’explosion de ses coûts, le raccourcissement des cycles de vie des produits et enfin l’évolution de son marché vers la maturité.

La multiplication des défis technologiques se traduit par une explosion des coûts de R&D, de design, de logiciels et de production. Les chiffres suivants donnent un ordre de grandeur.

Selon les informations recueillies par votre rapporteur, le développement de la technologie de résolution¹ en 90 nm a coûté 500 millions de $. Aujourd’hui, le coût de la technologie de résolution en 45 nm est évalué à 750 millions de $ et celui de la technologie de résolution en 32 nm à 1 milliard de $. Concrètement, les coûts progressent de 30 % par saut technologique.

Par ailleurs, les coûts liés à la conception architecturale des circuits intégrés augmentent de 50 % pour chaque nouvelle génération technologique.

D’après le directeur de la recherche et de la technologie du groupe Thalès, l’évolution du coût de développement des circuits est la suivante.

Source : Thalès

Il apparaît ainsi que les coûts liés aux logiciels embarqués occupent une part croissante dans le coût global de développement du circuit. Ce phénomène s’explique de la manière suivante : alors que la puissance des logiciels embarqués double tous les dix mois, la productivité des logiciels servant à concevoir lesdits logiciels embarqués ne double que tous les cinq ans. Par conséquent, il faut des équipes de plus en plus nombreuses pour respecter ce rythme.

Enfin, le coût des unités de production est en augmentation constante. Il a ainsi doublé depuis 2002, passant de 1,5 à 3 milliards de $. Plusieurs facteurs expliquent cette tendance.

D’abord, la fabrication de circuits intégrés exige des environnements de production extrêmement propres pour éviter des contaminations fatales aux circuits. Or, les exigences de propreté des salles blanches ne cessent d’augmenter. L’air est ainsi filtré et entièrement renouvelé 10 fois par minute. Il contient 100.000 à 1 million de fois moins de poussières que l’air extérieur. Les opérateurs portent en permanence une combinaison qui les couvrent des pieds à la tête et retient les particules organiques et les poussières qu’ils génèrent naturellement.

Ensuite, la poursuite de la miniaturisation implique l’utilisation de machines de production précises, fiables, difficiles à mettre au point et à entretenir. En outre, elles ne sont fabriquées qu’en petites séries. Leur prix a donc tendance à augmenter : aujourd’hui, une machine de lithographie coûte 22 millions de $ par unité et un masque de gravure 1 million de $ par unité. Les scientifiques travaillent depuis plusieurs années sur le développement de la lithographie extrême UV pour affiner le trait de gravure. Le leader mondial de la lithographie, la société néerlandaise ASML a développé deux prototypes installés l’un au centre technologique à Albany (Etats-Unis), l’autre à l’IMEC à Louvain. Chacun de ses appareils coûte 60 millions de $. Le passage à un nouveau nœud technologique environ tous les deux ans implique également le changement d’une partie des équipements au profit de machines plus modernes, mais également plus chères.

Par ailleurs, le recours à des matériaux spéciaux et à des solutions techniques complexes ainsi que la multiplication des étapes de fabrication (plus de 700 par circuit) pèsent sur le coût de production.

L’explosion du coût des unités de production s’explique enfin par leur gigantisme. Afin de baisser les coûts unitaires de production, les circuits intégrés sont fabriqués en série, sur des plaquettes de silicium, dans des volumes de plus en plus importants.

En 1965, ladite plaquette mesurait 25 mm de diamètre. Aujourd’hui, les usines les plus modernes utilisent des plaquettes de 300 mm de diamètre et le développement de plaquettes de 450 mm est évoqué pour la production de mémoires.

Le coût d’une usine varie en fonction du nombre des équipements, mais une usine standard fabriquant environ 30.000 plaquettes par mois coûte entre 3 et 5 milliards de dollars. Récemment, la société taiwanaise TSMC a investi dans deux usines gigantesques, capables de produire 135.000 plaquettes par mois. Chaque usine coûte 8 milliards de $ !

Longtemps, le secteur de la microélectronique a été exclusivement tiré par la technologie : l’amélioration des performances des circuits intégrés combinée à la diminution de leur coût a ainsi permis de multiplier leurs applications dans les télécommunications, dans le secteur industriel et dans les produits grand public.

Désormais, la technologie n’est plus le seul facteur de croissance.

Dans certains domaines, le goût des consommateurs est devenu prépondérant pour des objets qui se distinguent moins par leurs technologies que par leur design ou les services qu’ils offrent. C’est le cas des ordinateurs et des téléphones portables, des baladeurs MP3, des appareils photos numériques ou encore des lecteurs de DVD.

En conséquence, le cycle de vie des produits se raccourcit. Ainsi, les gammes de téléphones portables changent tous les six mois. Les fabricants de semiconducteurs sont donc soumis à des pressions très fortes en matière de délai. Pour un téléphone dont la vente est prévue en décembre, ils reçoivent le cahier des charges entre avril et mai et doivent livrer leurs produits dès septembre.

En outre, les nouvelles applications sont très vite absorbées par le marché. Alors qu’il a fallu près d’une décennie pour saturer le marché des téléphones portables, le marché des MP3 par exemple a atteint sa maturité en moins de deux ans. Cela implique pour les industriels de la microélectronique non seulement d’être les premiers à sortir le produit² adéquat, mais également d’être capables d’augmenter très rapidement les volumes de production.

Enfin, les contraintes sur les prix sont énormes. Comme faisait remarquer le directeur du site de STMicroelectronics à Crolles : « on vend 1 mm2 de silicium, quelles que soient les technologies contenues ». Les fabricants de semiconducteurs doivent donc apporter sans arrêt de nouvelles innovations sans augmenter le prix de leurs produits. La moindre marge par unité de produit doit être impérativement compensée par un fort volume de production.

Comme il a été indiqué précédemment, le taux de croissance de l’industrie microélectronique augmente depuis plus de trois décennies et à un rythme deux fois plus rapide que celui de la croissance mondiale. Néanmoins, il s’agit d’un secteur très cyclique comme le montre le tableau ci-dessous.

Ainsi, entre 1984 et 2006, si l’industrie microélectronique affiche un taux de croissance de 10 % en moyenne, elle a connu des périodes de très forte croissance (+ 46 % en 1984, + 38 % en 1988, + 42 % en 1994), mais également de fortes baisses : - 17 % en 1985, - 9 % en 1996, - 8 % en 1998, - 31 % en 2001.

Selon les informations obtenues par votre rapporteur, la croissance du marché des semiconducteurs s’est élevée à + 8,9 % en 2006. Elle a ralenti en 2007 (+ 3,1 %) et les perspectives pour 2008 ont été revues à la baisse à + 5,2 %. Pour 2009, une croissance de + 8,5 % est attendue.

De nombreux spécialistes du secteur estiment que ce marché serait en train d’atteindre sa maturité, ce qui engendrerait des taux de croissance plus faibles (entre 6 et 8 % contre plus de 15 % entre les années 70 et 90), mais également une moindre cyclicité de cette activité.

Deux raisons sont invoquées.

Premièrement, il n’existerait pas actuellement de « killer application », à savoir un ou plusieurs produits phare à l’instar de l’ordinateur portable ou encore du téléphone mobile, qui relancerait durablement la consommation de semiconducteurs.

En outre, même si les marchés émergents connaissent des potentiels de croissance énormes, ils ne compensent pas le ralentissement de la consommation dans les pays développés lié à la saturation des marchés.

Lorsque l’on examine sur une longue période l’évolution du secteur, on s’aperçoit qu’aucune situation n’est acquise à terme.

- Par grandes régions géographiques

Ainsi, les États-Unis, qui assuraient 55 % de la production mondiale de transistors en 1978, n’en fournissaient plus que 22 % en 2000 et 18 % en 2007.

Quant au Japon, il assurait 30 % de cette production en 1978, 50 % dix ans plus tard, puis 34 % en 2000 et 25 % en 2007.

En ce qui concerne l’Europe, sa part dans la production mondiale est passée de 15 % en 2000 à 11 % en 2007.

Mais de façon assez surprenante – compte tenu des coûts d’accès technologique au secteur – celui-ci est perméable à l’intrusion de nouveaux arrivants. La zone asiatique (hors Japon) qui était quasiment absente du marché en 1985, produit désormais 48 % des transistors en 2007. Entre 2000 et 2007, la part de la Chine continentale dans la fabrication de semiconducteurs est passée de 2 % à 7 %.

- Par entreprises 

Les fluctuations de situation entre les grandes zones géographiques sont doublées d’allées et venues du même ordre entre entreprises.

Alors qu’en 1990, parmi les 10 principales entreprises de semiconducteurs, 6 étaient japonaises, 3 américaines et 1 européenne, en 2007, il n’y a plus que 3 japonaises et 2 américaines contre 3 européennes et 2 coréennes.

Dans le domaine des mémoires DRAM³, le tableau ci-dessous montre la difficulté pour les entreprises à s’imposer durablement dans ce secteur et le renouvellement incessant de la concurrence.

Ainsi, le marché des mémoires DRAM a d’abord été dominé par des sociétés américaines de 1970 à 1980. A la suite de la montée de la concurrence des entreprises japonaises, seule une entreprise américaine sur six a réussi à se maintenir. Dans les années 80, une entreprise européenne, Siemens, s’est également lancée dans ce marché. En 1993, elle a externalisé ses activités de semiconducteurs en créant la société Infinéon, qui a elle-même regroupé les activités « mémoire » dans une société spécialement créée à cet effet, Qimonda.

Dans les années 90, l’arrivée sur le marché de sociétés coréennes a contraint Fujitsu et Toshiba à jeter l’éponge tandis que pour survivre, Hitachi et NEC regroupaient leurs activités « mémoire » dans une société distincte, Elpida.

Enfin, les Taïwanais sont désormais des concurrents sérieux pour les Coréens puisqu’ils sont les deuxièmes fabricants de mémoire DRAM au monde et souhaitent augmenter leur part de marché pour les mémoires Flash.

Nouveaux acteurs entrant sur le marché des mémoires dynamiques
à accès direct

Source : Qimonda

Dans les années soixante, l’industrie des semiconducteurs s’est développée conformément au modèle d’une intégration verticale totale.

Une société comme Motorola assurait alors en R&D la fabrication des équipements, le design complet des architectures, les tests, la production et l’encapsulage.

Depuis longtemps, pour répondre à la complexification du secteur, beaucoup de ces fonctions ont été externalisées : la conception et la fabrication des équipements, les logiciels de conception assistée par ordinateur ne sont pas, en majeure partie, assurés par les fabricants de composants.

Depuis quelques années, la structure elle-même des sociétés de fabrication de semiconducteurs a fait l’objet d’évolutions divergentes.

Compte tenu de la hausse des coûts décrite antérieurement, de moins en moins d’acteurs sont en mesure d’assurer l’ensemble des opérations de recherche, de développement technologique et d’industrialisation.

Dès lors, à côté des sociétés intégrées (IDM - Integrated Devices Manufacturer) se développent deux autres catégories d’intervenants :

Ø Les « fabless », c’est-à-dire les sociétés sans capacités de production : elles se concentrent sur les activités les plus rentables et les moins mobilisatrices en capitaux et lancent sur le marché de nouvelles applications en ne développant que la conception du système global dont les couches logicielles, les composants étant fournis par les fonderies ou les sociétés intégrées.

Ø Les fonderies qui sont spécialisées dans la fabrication en volume de semiconducteurs, tirant profit du caractère capitalistique de cette industrie. Ces fonderies, extrêmement robotisées, sont principalement installées à Taïwan où ce concept a été inventé à la fin des années 80. Il s’agissait alors de se positionner dans des secteurs novateurs et d’éviter la concurrence des puissants producteurs intégrés. Aujourd’hui, deux entreprises, TSMC et UMC détiennent respectivement 50 % et 19 % du marché mondial de la fabrication de circuits intégrés en sous-traitance.

Les entreprises de semiconducteurs consacrent entre 15 et 20 % de leur chiffre d’affaires à la recherche et développement. Néanmoins, compte tenu du coût de développement d’une technologie (750 millions de $ pour le 45 nm, 1 milliard de $ pour le 32 nm), aucune, à l’exception notable d’Intel⁴ n’est capable de fournir seule l’effort financier nécessaire.

Comme il a été indiqué précédemment, certaines y ont renoncé, concentrant leurs efforts sur le design et laissant les fonderies développer la technologie.

Les autres ont été obligées de créer des alliances afin de partager les coûts.

- L’alliance de Crolles 2

Telle était la finalité de l’alliance de Crolles 2 signée en 2002 pour une durée de cinq ans entre STMicroelectronics, NXP et Freescale. Un laboratoire-centre de recherche commun a été créé pour développer les générations CMOS⁵ 90 nm, 65 nm et 45 nm et les options dérivées à haute valeur ajoutée (analogique, radiofréquence, mémoires embarquées). Par ailleurs, une ligne de production pilote pour des tranches de silicium de 300 mm a été réalisée dans le but d’accéder plus rapidement à la production en volume des circuits fabriqués à partir de ces nouvelles technologies.

Cette alliance a été un succès dans la mesure où elle a atteint ses objectifs.

Toutefois, elle n’a pas été prolongée à la suite de la défection successive de NXP puis de Freescale au début de l’année 2007. Selon les responsables de STMicroelectronics, le dimensionnement de l’alliance était devenu trop petit pour achever le développement des technologies 32 nm et 22 nm et il aurait fallu trouver deux partenaires supplémentaires avec qui partager les coûts.

- L’alliance IBM

Cette alliance a commencé il y a 15 ans dans le domaine des DRAM avec Toshiba et Infineon. Elle repose sur le constat suivant : alors que le chiffre d’affaires d’IBM croît de + 6,5 % par an, ses dépenses en R&D augmentent de +12 %. Pour maintenir sa profitabilité, IBM doit donc contenir ses coûts à travers le développement de coopérations.

Aujourd’hui, l’alliance réunit 8 entreprises (Samsung, 2^ème mondial ; Toshiba, 3^ème mondial ; STMicroelectronics, 5^ème mondial ; Sony, 8^ème mondial ; Infineon, 10^ème mondial ; AMD ; Freescale et IBM) dont le chiffre cumulé s’élève à 60 milliards de $. Elle est la référence au niveau mondial et n’a pas équivalent ailleurs même si TSMC essaie de monter sa propre alliance en s’inspirant de ce modèle.

L’alliance propose quatre types de coopération :

- une coopération en matière de recherche fondamentale ;

- une coopération pour le développement des technologies CMOS bulk 32 nm et 22 nm ;

- une coopération pour le développement des technologies CMOS sur SOI (Silicium sur isolant) ;

- une plateforme commune de production.

Les objectifs de cette alliance peuvent être résumés de la manière suivante :

- mutualiser les coûts de développement des technologies clés ;

- imposer les choix technologiques effectués comme des standards ;

- apparaître en matière de fabrication des puces comme une alternative crédible à TSMC.

Dans l’accord entre STMicroelectronics et IBM signé en 2007, il est convenu qu’IBM rejoigne STMicroelectronics à Crolles pour le développement des technologies dérivées dans le cadre d’un cluster que STMicroelectronics essaie de constituer et dont IBM sera le premier membre extérieur. Dans ce cadre, STMicroelectronics envoie une équipe d’ingénieurs sur le site de East Fishkil. En contrepartie, IBM détache un groupe de salariés sur le site de Crolles. IBM s’engage également à aider STMicroelectronics à étendre son réseau de coopérations à Crolles.

En ce qui concerne la fabrication des produits issus de l’alliance, il est prévu que les technologies CMOS bulk 32 nm et 22 nm seront transférées à Crolles pour la fabrication en volume des circuits intégrés pour les clients de STMicroelectronics. Parallèlement, les technologies développées à Crolles seront mises en production à Crolles puis transférées à East Fishkill. STMicroelectronics pourra utiliser les capacités de production de la plateforme commune, mais reste également libre de faire appel à d’autres fondeurs.

Comme il a été indiqué précédemment, l’explosion des coûts de recherche et de production ainsi que la nécessité d’atteindre des volumes de production importants dans des délais très brefs ont conduit certaines entreprises à renoncer à réaliser leur propre fabrication tandis que d’autres se spécialisaient dans ce secteur d’activité. Actuellement, trois modèles industriels coexistent avec leurs avantages, mais également leurs limites.

- Les fabless/fablite⁶

L’augmentation générale des coûts associée à une pression croissante sur les prix conduit à une concentration des acteurs fabricants de semiconducteurs et à une migration vers un modèle « fabless » ou « fablite ».

En parallèle, les industriels cherchent à monter dans la chaîne de valeur afin de retrouver des marges dans le développement de systèmes intégrés en proposant également des services associés.

A titre d’exemple d’abandon du modèle intégré, d’anciennes entreprises intégrées comme NXP ou Texas Instrument sont en train de réduire drastiquement leurs capacités de production soit parce que le coût des nouvelles usines dépasse leurs capacités financières (une usine de fabrication pour une technologie 32 nm coûte actuellement entre 3 et 5 milliards de $), soit parce qu’elles estiment qu’elles ne sont pas en mesure de rivaliser en matière de prix et de qualité avec les fondeurs. Elles deviennent ainsi « fablite ». D’autres entreprises ont choisi cette option dès leur création comme Broadcom ou Qualcom et ne possèdent aucun outil de production. Ce sont les « fabless ».

A court terme, les avantages sont doubles.

D’une part, l’investissement initial est moins élevé que dans le secteur des entreprises intégrées puisque les besoins en infrastructures sont beaucoup plus limités en l’absence d’usine.

D’autre part, à chiffre d’affaires égal, les fabless peuvent consacrer des sommes plus importantes au développement des produits, ce qui constitue un atout non négligeable sur un marché où les profits sont plus élevés pour les produits différenciés que pour les produits standards.

A moyen terme cependant, les entreprises fabless sont soumises à plusieurs défis.

Certains de nos interlocuteurs ont souligné les limites d’une séparation trop distincte entre la technologie et le design. Selon M. Bert Koopmans, représentant du centre pour les nouveaux matériaux à l’université d’Eindhoven, dans les 10 ans à venir, les designers devront connaître la technologie pour réaliser des architectures opérationnelles. En effet, un transistor a des spécificités dont il faut tenir compte lors de la conception. Les fabless devront donc disposer de designers conscients des caractéristiques de la technologie.

Cette tendance a été confirmée par un représentant du LETI qui constate une nouvelle politique chez les fabless consistant à créer de petites équipes de R&D spécialisées dans la technologie ou à rechercher des partenariats avec les centres de recherche spécialisés dans la technologie afin de rétablir le lien en amont avec cette dernière.

En outre, les fabless pourraient être menacées directement par les fondeurs. D’une part, le développement d’un quasi-monopole dans le domaine de la fabrication des puces pourrait modifier le rapport de force entre les donneurs d’ordre et les sous-traitants au bénéfice de ces derniers. Les prix des circuits intégrés pourraient donc augmenter. D’autre part, le fondeur le plus important, TSMC, manifeste sa volonté d’augmenter ses marges en montant dans la chaîne de valeur. A terme, il pourrait concevoir ses propres circuits intégrés, et devenir un concurrent direct de ses clients, dont les fabless.

- Les fondeurs

Aujourd’hui, un circuit intégré compte plusieurs centaines de millions de transistors tout en ne mesurant que quelques cm². Pour réduire les coûts de fabrication, les circuits intégrés ne sont pas fabriqués à l’unité mais par centaines sur une plaquette de silicium dont la taille augmente régulièrement. En contrepartie, les erreurs de fabrication sont de plus en plus pénalisantes puisqu’il faut alors jeter toutes les plaquettes dont le coût unitaire atteint plus de 7.000 dollars.

Par ailleurs, on a vu précédemment que le raccourcissement des cycles de vie des produits exigeait une montée rapide des volumes de circuits intégrés fabriqués, ce qui nécessite une très bonne maîtrise des procédés de production. Or, plus les volumes à fabriquer sont importants, plus les opportunités sont grandes pour les ingénieurs d’améliorer les rendements de production et d’acquérir une excellence dans ce domaine. Telle est la stratégie des fondeurs dont les quatre plus importants captent près de 80 % de la fabrication mondiale de puces en sous-traitance et ont acquis un savoir-faire inégalable à des prix particulièrement compétitifs.

A lui seul, TSMC détient 50 % du marché de la sous-traitance. A l’exception d’une unité de production détenue conjointement avec NXP à Singapour et d’une usine en 200 mm à Shanghai, TSMC concentre sa production à Taiwan où il possède 5 usines en 200 mm et 2 usines en 300 mm. Ces deux dernières sont qualifiées de « gigafabs » puisqu’elles produisent 271.000 plaquettes par mois. En 2006, TSMC a produit l’équivalent de 7 millions de plaquettes en 200 mm.

UMC, deuxième sous-traitant mondial et également Taiwanais, a une capacité de production de 272.000 plaquettes par mois répartie sur 7 usines en 200 mm. Il dispose également de deux usines de 300 mm à Taiwan et à Singapour.

Les capacités de fabrication de SMIC sont réparties sur cinq sites : Shanghai où SMIC a construit trois usines 200 mm et une usine 300 mm ; Tainjian où SMIC a racheté une usine 200 mm à Motorola ; Beijing où SMIC a construit la première usine chinoise 300 mm ; Chendu où SMIC a une usine d’assemblage et de test et Wuhan où SMIC gère une usine 300 mm en coopération avec le gouvernement local.

Chartered Semiconductor possède 5 usines de production sur le même site singapourien : 4 en 200 mm et 1 en 300 mm. Cette dernière a une capacité de 45.000 plaquettes par mois en technologie 65 nanomètres.

Le modèle des fonderies semble durablement établi et peu de sociétés intégrées sont capables de les concurrencer dans leur secteur d’activité. Il n’est pas anodin que la troisième entreprise de semiconducteurs au monde, Texas Instrument, ait renoncé à réaliser elle-même la fabrication des puces qu’elle développe. De même, à la suite de la rupture de l’alliance Crolles 2 par NXP et Freescale, STMicroelectronics a hésité entre intégrer l’alliance IBM ou se lier au fondeur taiwanais TSMC et devenir fabless.

Lorsque votre rapporteur a rencontré les responsables de TSMC, ces derniers ont indiqué que 66 % de leurs clients étaient des fabless et 34 % des sociétés intégrées, mais que la part de ces derniers avait vocation à augmenter.

Pour autant, tous les fondeurs sont loin d’être optimistes sur leurs chances de survie à long terme.

Selon le PDG de Chartered Semiconductor, les fonderies souffrent d’une baisse des prix constante (- 26 % pour 2006) qui résulte de capacités de production excédentaires pour les technologies de pointe et d’une guerre des prix féroce entre TSMC, UMC et Chartered Semiconductor. En outre, pour la fabrication de produits moins avancés technologiquement, la concurrence est accrue par le nombre d’acteurs et d’usines de 150 mm et 200 mm essentiellement.

Il convient de noter que toutes les fonderies mentionnées auparavant bénéficient du soutien fort, à la fois financier et fiscal, de la part de leurs gouvernements respectifs.

Une consolidation du secteur apparaît donc inévitable même si elle sera insuffisante pour améliorer les marges des fondeurs.

En effet, en 2007, le marché de la production en sous-traitance a crû de 2,6 % seulement par rapport à 2006 avec un chiffre d’affaires total de 22,19 milliards de dollars. TSMC a réalisé un chiffre d’affaires de 9,8 milliards de dollars, en croissance de 1,2 % seulement par rapport à 2006.

Les fondeurs sont donc en train d’adapter leurs politiques industrielles afin d’améliorer leur rentabilité.

A court terme, tous ont réduit leurs investissements.

A moyen terme, leurs stratégies divergent et il convient de distinguer TSMC des autres fondeurs dans la mesure où ce dernier est le seul à continuer à faire des bénéfices (tous les autres sont déficitaires) et à avoir une taille critique suffisante lui permettant d’investir massivement en R&D.

TSMC a ainsi annoncé en mars 2008 son intention d’investir 5 milliards de dollars pour transformer l’une de ses gigafabs en centre de recherche afin de développer les générations 32, 22 et 15 nm.

En outre, compte tenu de la moindre profitabilité de l’activité de fabrication de masse, TSMC a décidé de diversifier ses activités et est en train de développer toute une série de services intégrés verticalement : outre la fabrication des circuits intégrés, il offre en amont des outils pour réaliser la conception des circuits et en aval des services de test et de packaging, évoluant ainsi vers le modèle des industries intégrées, quitte à devenir concurrent d’une partie de ses clients.

Par ailleurs, TSMC a l’ambition de créer une alliance regroupant des équipementiers et les grands fabricants de semiconducteurs afin de s’imposer comme seul hub mondial pour la fabrication de circuits sur des plaquettes de 450 mm, cette évolution se justifiant pour des applications de fort volume tel que les DRAM.

Faute d’une taille critique suffisante, les autres fondeurs envisagent leur survie en augmentant leurs capacités de fabrication sur des technologies matures (en rachetant des usines en 200 mm) ou à travers la conclusion d’alliances leur permettant de réduire les coûts d’investissement dans les nouvelles technologies. Ainsi, Chartered Semiconductor a rejoint l’alliance IBM pour développer les technologies 32 et 22 nm tandis qu’en janvier 2008, SMIC a acheté à IBM une licence pour exploiter la technologie 45 nm, économisant ainsi d’importants frais de recherche.

- Les entreprises intégrées

Afin de rester compétitives, les industries intégrées doivent simultanément :

- améliorer l’ingénierie de production de la génération de puces en fabrication,

- assurer le développement de la génération suivante à un horizon de 3 à 4 ans,

- canaliser les efforts de recherche fondamentale pour préparer les générations ultérieures

- tout en misant sur la conception des produits et leur maîtrise des différents métiers pour continuer à générer des profits.

Par ailleurs, les entreprises intégrées doivent affronter la concurrence à la fois des fabless, qui, à chiffre d’affaires égal, investissent plus dans la conception des circuits intégrés, et des fondeurs qui produisent plus et moins chers. Afin de limiter l’explosion de leurs coûts, certaines se sont engagées dans un réseau de coopérations précompétitives pour développer des technologies génériques comme le CMOS pour les applications numériques, tout en sous-traitant souvent une partie de leur production.

La moindre différentiation des technologies de base du CMOS numérique conduit les sociétés intégrées à rechercher des avantages compétitifs dans le développement de technologies dérivées à forte valeur ajoutée permettant l’ajout de fonctionnalités nouvelles dans les circuits intégrés.

Néanmoins, les sociétés intégrées s’appuient sur les considérations à long terme suivantes pour justifier la poursuite de leur engagement dans le développement de la technologie CMOS.

La maîtrise de la technologie reste déterminante dans toutes les applications logiques. Or, c’est par le maintien de lignes de production que la technologie peut être testée et améliorée. En effet, le travail d’ingénierie sur les équipements est fondamental pour trouver les astuces techniques et les innovations qui permettent de supprimer les éventuels défauts de production et augmenter rapidement les rendements. Compte tenu des délais très brefs imposés aux entreprises de semiconducteurs pour réaliser leurs produits, une bonne synergie entre les équipes de développement des produits et celles responsables de la production permet de gagner du temps dans la mise en production.

En outre, les technologies dérivées profitent des avancées réalisées dans les technologies CMOS.

Par ailleurs, les entreprises intégrées souhaitent garder leurs propres lignes de production afin de conserver une certaine indépendance vis-à-vis des fondeurs. Comme il a été indiqué précédemment, à moyen terme, ces derniers pourraient non seulement revoir leurs prix à la hausse, mais également offrir leurs propres circuits intégrés.

Enfin, en restant dans la course à la miniaturisation, les sociétés intégrées espèrent continuer à influencer le développement de l’électronique « au-delà du CMOS », c’est-à-dire lorsque toutes les potentialités de cette technologie auront été épuisées. En effet, un consensus se dégage parmi les scientifiques estimant qu’aucune rupture technologique majeure ne remplacera du jour au lendemain la technologie CMOS, mais que les évolutions se feront plutôt de manière incrémentale, la technologie CMOS intégrant les progrès réalisés par les nanotechnologies.

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Il apparaît donc que si trois modèles industriels coexistent, ils ne sont pas figés et aucun ne s’est imposé comme modèle dominant. Ainsi, un nombre croissant d’entreprises intégrées devient fabless ou fablite, ce qui pourrait être considéré comme un signe avant-coureur de la fin de ce modèle.

Néanmoins, les entreprises leaders du secteur de la microélectronique restent des entreprises intégrées tandis que TSMC, symbole de la réussite des fonderies, tend à verticaliser ses activités pour augmenter sa rentabilité.

Enfin, le rapport de forces entre les trois modèles est amené à évoluer. Jusqu’à présent, des mutations profondes ont à chaque fois accompagné le passage d’un nœud technologique à l’autre. Or, au moins quatre nœuds technologiques sont prévus avant d’arriver aux limites physiques de la miniaturisation : le 32 nm, le 22 nm, le 18 nm et le 12 nm.

Le développement d’un hub mondial de production en 450 mm aurait également des conséquences non négligeables sur la stratégie des entreprises de semiconducteurs.

Compte tenu de ces incertitudes, il apparaît donc très difficile de faire des prévisions sur l’évolution des trois modèles industriels dans un secteur où les entreprises doivent s’adapter en permanence.

Une première analyse du secteur des semiconducteurs conduit aux observations suivantes :

1) ce secteur est un secteur stratégique pour la compétitivité des entreprises et l’indépendance nationale et tire la croissance mondiale depuis plus de 40 ans ;

2) alors que ce secteur a longtemps été guidé par la seule course à la miniaturisation, les considérations de rentabilité économique deviennent prépondérantes avec l’apparition de trois défis :

- l’explosion des coûts de R&D, de design, de logiciels et de production qui rend la poursuite de la miniaturisation toujours plus chère ;

- le raccourcissement du cycle de vie des produits qui limite les retours sur investissement ;

- la relative maturité du marché qui exacerbe la concurrence ;

3) l’industrie des semiconducteurs apparaît donc en pleine mutation et se caractérise par :

- une hiérarchie mondiale en perpétuel mouvement aussi bien au niveau des entreprises que des zones géographiques avec une montée en puissance de l’Asie comme lieu de production ;

- le développement d’alliances et de coopérations précompétitives pour limiter l’augmentation des coûts ;

- la poursuite de la « déverticalisation » du secteur qui se traduit par la coexistence de trois modèles économiques, à savoir les entreprises intégrées, les fabless et les fondeurs.

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Comment l’industrie de la microélectronique va-t-elle faire face aux défis technologiques des quinze prochaines années ?

Depuis l’invention du premier transistor en 1947, des progrès scientifiques immenses ont été réalisés, qui ont permis de diminuer le coût de ce dernier par un million tout en démultipliant sa puissance. Néanmoins, la réduction de la taille des transistors soulève des difficultés techniques croissantes et se heurtera tôt ou tard aux limites de la physique.

Depuis les années 60, les industriels se sont consacrés à la poursuite de la miniaturisation des transistors. Néanmoins, à partir de la fin des années 90, une nouvelle voie particulièrement prometteuse est apparue, qui consiste à intégrer plusieurs technologies sur une même puce. Par ailleurs, conscients que la technologie CMOS atteindrait un jour ses limites physiques, de nombreuses équipes de recherche s’intéressent à « l’après CMOS » et essaient d’inventer une nouvelle électronique.

Les trois voies de recherche dans le secteur de la microélectronique

Source : Medea+

En 1958, Jack Kilby réalise le premier circuit intégré composé de 5 composants de 3 types : transistor, résistance et condensateur. La course à la miniaturisation est alors lancée. En 1962, on peut intégrer 8 (= 2 puissance 3) transistors sur la même puce ; 16 (= 2 puissance 4) en 1963 ; 32 (=2 puissance 5) en 1964 ; 64 (=2 puissance 6) en 1965.

C’est alors que Gordon Moore, cofondateur d’Intel Corporation, publia un article prévoyant le doublement du nombre de transistors sur une même surface de circuit intégré tous les ans. Cette célèbre « loi de Moore », parfaitement empirique, n’a jamais été mise en défaut, même si le doublement du nombre de transistors se réalise désormais plutôt en deux ou trois ans.

Source : Le nanomonde, de la science aux applications, Clefs CEA n° 52 – été 2005

L’intérêt de la miniaturisation est triple.

D’abord, en raccourcissant l’espace entre la source et le drain, elle accélère le passage des électrons et augmente ainsi le nombre d’opérations réalisées par seconde tout en réduisant la consommation en énergie des transistors.

Ensuite, la réduction de la taille des circuits permet la fabrication collective de centaines de puces sur chaque plaquette de silicium, abaissant leur coût unitaire.

Enfin, la miniaturisation diminue l’encombrement des objets tout en multipliant leurs fonctions. L’exemple ci-dessous montrant l’évolution du téléphone portable depuis 20 ans est parlant.

Evolution de la technologie du téléphone portable de 1986 à 2006

Source : MEDEA+

Les premiers appareils, fort encombrants, ne savaient « que » téléphoner. Les plus récents, ultra légers, proposent des jeux, des prises de vues haute définition, la connexion à internet, une grande autonomie, pour un prix équivalent ou inférieur.

La course à la miniaturisation constitue donc un enjeu fondamental pour l’industrie des semiconducteurs puisqu’elle multiplie les applications et contribue à la « pervasion » de l’électronique dans tous les secteurs d’activités.

Depuis 1998, une « road map » est publiée qui constitue un catalogue des défis technologiques que la filière doit relever pour maîtriser la nouvelle technologie avec des traits de gravure plus fins.

La International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Cette “road map” est sponsorisée par les cinq associations des industries de semiconducteurs en Europe, au Japon, en Corée, à Taiwan et aux Etats-Unis, à savoir : the European Semiconductor Industry Association (ESIA), the Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA), the Korean Semiconductor Industry Association (KSIA), the Taiwan Semiconductor Industry Association (TSIA), and the United States Semiconductor Industry Association (SIA).

L’objectif de l’ITRS est d’encourager l’amélioration des performances des circuits intégrés à des coûts maîtrisés afin d’assurer la pérennité de l’industrie des semiconducteurs.

Des groupes de travail regroupant les entreprises de semiconducteurs, les équipementiers et la communauté scientifique sont constitués sur une vingtaine de thèmes (comme la lithographie, les interconnexions, le design, les tests et les équipements associés etc) pour identifier les difficultés à venir et proposer des solutions innovantes. Les conclusions de ces travaux sont publiées tous les deux ans.

Afin de rationaliser les efforts de R&D pour la technologie et les équipements associés, la communauté internationale a défini les dimensions des différentes étapes technologiques, appelées « nœuds ».

En 2003, la microélectronique est passée à l’échelle nanométrique en descendant sous la barre des 100 nm de la largeur de grille du transistor (nœud de 90 nm). Depuis septembre 2006, la résolution des circuits intégrés est de 65 nm et au début de l’année 2008, elle est passée à 45 nm pour des microprocesseurs très rapides. Parallèlement, les résolutions à 32 nm et 22 nm sont déjà en préparation, tandis qu’en laboratoire, des largeurs aussi faibles que 6 nm ont été obtenues.

Au-delà des dimensions des circuits, c’est l’ensemble de la chaîne de fabrication (pureté des produits chimiques, lithographie, techniques de dépôt et de gravure des matériaux, planarisation des surfaces, environnement de fabrication et contrôle des poussières, métrologie …) qui devient une technique nanométrique. Ainsi, les machines de lithographie optique actuelles ont une précision mécanique de positionnement de 8 nm, et ce pour des plaquettes de silicium de 300 mm de diamètre.

La discussion des limites de la loi de Moore n’est pas nouvelle. Dans les années 80, il semblait impossible de diminuer le trait de gravure jusqu’au micron, puis on a pensé à la fin des années 90 que le seuil des 100 nm constituerait une limite. Plus récemment, le problème de la lithographie a été mis en avant comme étant un mur infranchissable. Les discussions portent actuellement sur la longueur critique de 10 nm de longueur de canal imposé par l’effet tunnel entre source et drain…

Au-delà de ces interrogations, un consensus se dégage pour reconnaître que la simple diminution des dimensions géométriques des transistors pour passer d’une génération à la suivante n’est plus possible. Selon la formule lapidaire d’un responsable d’IBM rencontré par votre rapporteur : « on ne peut pas réduire la taille des atomes ! ». Or, c’est l’échelle atteinte par certaines parties du transistor. Ainsi, la très fine couche de matériaux diélectrique située entre la grille et le canal a maintenant une épaisseur bien inférieure au nanomètre et atteint seulement quelques couches atomiques.

Désormais, ce sont les innovations au niveau des matériaux et des architectures qui permettront d’augmenter les performances des circuits intégrés.

La technologie CMOS, qui permet les fonctions de calcul et de mémoire ne suffit pas à expliquer le succès de la microélectronique. C’est l’ajout de fonctions non digitales (telle que la radiofréquence, les composants haute tension, l’électronique de l’éclairage et les chargeurs de batterie) qui a joué un rôle décisif dans la « pervasion » de la microélectronique. Elles sont connues sous le nom de technologies « more than Moore » ou technologies dérivées.

Si on les compare avec le corps humain, elles sont l’équivalent des yeux, des oreilles, des bras et des jambes et permettent au cerveau (qui calcule et mémorise) d’interagir avec le monde réel.

Un téléphone portable a ainsi un nombre significatif de fonctions non digitales comme la caméra, le système radiofréquence pour communiquer, le lecteur audio et vidéo.

Tout en bénéficiant des progrès réalisés en microélectronique, ces technologies sont issues de domaines différents de l’industrie de la microélectronique (mécanique, fluidique, acoustique, optique) et ne voient pas leurs performances directement corrélées à la taille du trait de gravure.

Deux exemples permettront de mieux comprendre leur importance : les technologies en relation avec la radiofréquence et les microsystèmes.

- Les technologies en relation avec la radiofréquence

Aujourd’hui, la plupart des systèmes électriques utilisent des circuits radiofréquence pour transmettre leurs données en interne ou en externe. Parmi les applications les plus connues, on peut citer les communications mobiles sans fil (comme dans le téléphone portable), la communication par câble (comme pour l’internet large bande) ou encore les connexions à courte distance (comme pour la technologie Bluetooth).

La technologie RFID⁷ (radio frequency identification) ouvre d’immenses perspectives dans le domaine des objets communicants en permettant de relier un objet (ou une personne) à un site à distance. C’est sur ce principe que repose la gestion dynamique d’objets à distance, depuis les flottes de véhicules équipés de modules GSM/GPS jusqu’au projet lancé par un consortium d’entreprises de produits grand public de remplacer les codes barres par des RFID afin d’identifier individuellement chaque objet⁸.

D’importantes innovations viendront certainement de la généralisation des solutions dites actives (avec une autonomie en énergie), qui iront de l’étiquette RFID active à tout objet disposant de moyens de communication propres et dotés de capacités de traitement. Ces éléments actifs permettront la création de réseaux où les objets vont dialoguer entre eux. Dans le domaine de la santé par exemple, ces technologies faciliteraient le maintien à domicile de patients ou de personnes âgées avec un contrôle médical à distance non intrusif.

- Les microsystèmes (MEMS - Micro Electro Mechanical Systems)

En général, ces microsystèmes associent un microprocesseur traitant l’information et des dispositifs liés à l’environnement (thermique, de pression, chimique, magnétique, etc.) afin d’accomplir des fonctions complexes.

L’automobile est un de leurs domaines d’élection, du fait de l’ancienneté de leur introduction (dès le début des années 1990, les premiers microaccéléromètres – capteurs inertiels simples – ont été dédiés à l’installation des « airbags ») et parce que ce secteur constitue un marché de masse bien adapté à la « pervasion » des microsystèmes.

On les retrouve dans :

- les capteurs de pression des pneus, des gaz de moteur, ou de l’huile ;

- les capteurs de flux d’air ou d’oxygène ;

- les capteurs de vitesse permettant de régler l’injection du véhicule ;

- les capteurs d’autocollision ;

- les microgyroscopes de contrôle dynamique du véhicule pour des applications de suspension active ou d’ABS, etc.

Tous ces systèmes sont liés à des transpondeurs permettant de transmettre l’information, ou à des systèmes permettant de rectifier les dysfonctionnements détectés.

De plus en plus de secteurs sont également concernés comme le montrent les exemples suivants :

- les télécommunications, où les microsystèmes d’hyperfréquence trouvent une application aussi bien en téléphonie mobile qu’en liaisons satellitaires. De même, dans ce secteur, les microsystèmes optiques sont de plus en plus engagés dans la conversion optoélectronique ;

- l’industrie agroalimentaire (microcapteurs chimiques contrôlant le mûrissement des fruits, étiquettes intelligentes permettant de contrôler la fraîcheur d’un produit et le respect de la chaîne du froid) ;

- la médecine (capteurs de pression, notamment cardiaque, pansements suivant le processus de guérison et vérifiant l’absence d’infection, prothèse pouvant être commandée par le cerveau) ;

- la biologie (laboratoires sur puces pour effectuer des tests à moindre coût).

Au-delà des microsystèmes traditionnels tels qu’ils viennent d’être présentés, sont développés de nouveaux types de microsystèmes travaillant en réseau et assurant la collecte de données de manière décentralisée. Dans le domaine de la sécurité par exemple, les microsystèmes sont de plus en plus utilisés pour assurer la surveillance des sites industriels et des frontières.

Le schéma ci-dessous montre les potentialités extraordinaires du marché mondial des microsystèmes et la diversité de leurs champs d’application.

Les technologies liées au « more than Moore » incitent à l’interdisciplinarité puisqu’elle couple les sciences de l’ingénierie et les disciplines concernées (électronique, physique, chimie, biologie, etc.).

La combinaison de la technologie CMOS avec des technologies dérivées n’est pas sans poser des problèmes d’intégration de systèmes.

Deux types d’approche coexistent :

- une approche monolithique dans laquelle la technologie CMOS et les technologies dérivées sont réalisées sur le même substrat avec un seul procédé : on parle alors de system on chip (SoC) ;

- une approche hybride, dans laquelle les différents composants sont combinés au niveau de l’encapsulage en profitant des technologies d’interconnexion entre les différents substrats : on parle alors de system in package (SiP).

Le développement du system in package conduit de nombreux acteurs à se spécialiser dans l’intégration hétérogène. Elle peut être définie comme l’ensemble des techniques permettant à la fois l’intégration de composants basés sur des technologies et des matériaux différents dans un seul empaquetage et leur interaction avec le monde réel.

Les technologies « more than Moore » conduisent également à s’intéresser à l’électronique organique dont les performances sont certes inférieures à celle de l’électronique sur silicium, mais dont les coûts de production sont beaucoup moins élevés, ce qui permet d’élargir le champ des applications.