Pourquoi la production de semi-conducteurs est difficile et que seules quelques entreprises la produisent ?

Vous savez tous que les puces semi-conductrices sont utilisées dans presque tous les appareils électroniques que nous achetons. Ils entrent dans les ordinateurs, les smartphones, les gadgets, les voitures, les avions, les équipements médicaux, les systèmes militaires et ainsi de suite. Le monde est actuellement confronté à une pénurie mondiale de puces à semi-conducteurs, ce qui a soulevé la question de savoir pourquoi davantage d'entreprises ne peuvent pas se lancer dans la production de puces à semi-conducteurs. Plongeons dans l'industrie des semi-conducteurs à travers cet article pour savoir quelles sont les complexités qui ne permettent pas à de nombreuses entreprises d'entrer dans l'industrie.

Pourquoi les puces à semi-conducteurs font-elles la une des journaux ?

En 2021, la pénurie mondiale de puces a fait la une des journaux et des entreprises comme Apple, Tesla, Tata Motors et Samsung Electronics ont dû mourir de faim pour les puces à semi-conducteurs. Au total, 169 industries ont été touchées par la pénurie, l'industrie automobile étant la plus touchée.

Plusieurs facteurs ont conduit à une telle pénurie mondiale. Certains d'entre eux sont:

• L'augmentation de la demande d'appareils électroniques nécessaires au travail à domicile pendant la pandémie
• Pénurie de main-d'œuvre en raison des restrictions de verrouillage
• Sécheresse à Taïwan
• La guerre commerciale entre les États-Unis et la Chine.

Le stockage de puces semi-conductrices a fait comprendre aux pays que la fabrication de puces est concentrée dans quelques pays d'Asie de l'Est uniquement. Ainsi, cette année, les pays du monde entier élaborent des plans pour renforcer la capacité de production de ces puces à semi-conducteurs afin de devenir autosuffisants et de réduire la dépendance aux importations. L'Inde va dépenser environ 30 milliards de dollars pour développer l'écosystème de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs. Les États-Unis envisagent également de mettre en œuvre le CHIPS for America Act afin de fournir 52 milliards de dollars pour la fabrication de puces et le soutien gouvernemental aux géants des semi-conducteurs. La loi vise à fournir une aide financière pour la construction, l'expansion ou la modernisation d'une usine de fabrication de semi-conducteurs aux États-Unis.

Industrie des puces semi-conductrices - L'histoire et le présent

En 1958, Jack Kilby, ingénieur en électronique chez Texas Instruments, crée le premier circuit intégré qui est l'ancêtre des micropuces modernes. C'était une grande et révolutionnaire invention du 20e siècle. L'industrie des semi-conducteurs a commencé vers 1960 et le chiffre d'affaires a franchi la barre du milliard de dollars en 1966. En 2022, l'industrie mondiale des puces à semi-conducteurs devrait atteindre environ 600 milliards de dollars américains. Mais très peu d'entreprises dans le monde peuvent fabriquer des puces à semi-conducteurs, et encore moins peuvent les rendre rentables. Comprenons pourquoi il en est ainsi en plongeant dans l'industrie des puces semi-conductrices et son processus de fabrication.

Le modèle et les principaux acteurs de l'industrie des semi-conducteurs

L'industrie des semi-conducteurs est dominée par des entreprises de Taïwan, des États-Unis, de Corée du Sud, de Chine, du Japon et des Pays-Bas, où la fabrication de semi-conducteurs bénéficie du soutien du gouvernement, d'infrastructures développées et d'économies d'échelle.

L'industrie est basée sur un modèle selon lequel la fabrication, la conception et le développement sont répartis entre différentes entreprises et leurs filiales à travers le monde. Les entreprises de fonderie comme TSMC et GlobalFoundries ne sont impliquées que dans la fabrication. Les sociétés de semi-conducteurs sans fabrication comme AMD, Nvidia sous-traitent la production à une usine de fabrication tierce et ne conçoivent que l'appareil. Les fabricants de dispositifs intégrés (IDM) tels qu'Intel et Samsung fabriquent (en interne), conçoivent et vendent des produits de circuits intégrés.

Les principaux acteurs du secteur sont TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) et Qualcomm (Fabless).

Tableau représentant les 8 principales entreprises de semi-conducteurs, leur type et leur pays.

TSMC de Taïwan fabrique à lui seul un grand pourcentage, c'est-à-dire plus de 50% des semi-conducteurs dans le monde. C'est la plus grande fonderie du monde. Apple, qui est le plus gros consommateur de puces, et les deux principales sociétés de semi-conducteurs sans usine, Nvidia et Qualcomm, ne sont que les clients de TSMC. Samsung, la société rivale de TSMC, a annoncé investir 355 milliards de dollars dans la fabrication de puces 3 nm pour battre TSMC.

Le processus de fabrication des puces semi-conductrices

Les puces semi-conductrices sont fabriquées à partir d'un semi-conducteur, le silicium. Le processus de fabrication des puces semi-conductrices implique plus de 59 types d'équipements et différentes étapes qui doivent être répétées pour créer des couches dans une puce. Une puce peut comporter jusqu'à 100 couches, ce qui signifie que les étapes doivent être répétées dans le même nombre.

Les tranches de silicium extraites du sable sont transformées en transistors qui forment la base d'un ensemble de circuits appelés puces. Les étapes suivantes décrivent le processus de création d'une couche dans une puce semi-conductrice.

• La première étape consiste à recouvrir les tranches de produits chimiques photosensibles et de matériaux résistants à la lumière.
• Ensuite, il y a la lithographie effectuée à la deuxième étape où les tranches de silicium revêtues sont exposées à la lumière UV à l'intérieur d'une machine de lithographie. La lumière passe à travers un masque contenant le plan de la puce sur la plaquette pour imprimer le motif. Ce processus permet de construire des centaines de puces sur une seule plaquette de silicium.
• La zone exposée à la lumière se durcit alors et les zones molles non exposées sont gravées par les gaz chauds.
• L'étape suivante consiste à utiliser des gaz ioniques pour modifier les propriétés conductrices de la couche créée en ajoutant quelques impuretés, puis enfin les liaisons métalliques sont déposées entre les transistors, créant ainsi une couche complète.

Toutes ces étapes doivent être répétées pour créer les couches suivantes.

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement produire plus de puces pour répondre à la demande croissante ?

S'il y a une pénurie de puces, pourquoi davantage d'entreprises ne se lancent-elles pas dans la production de puces semi-conductrices et ne réduisent-elles pas cet écart entre la demande et l'offre ? Eh bien, pour connaître la réponse à cette question, nous devons d'abord comprendre les complexités de la fabrication des puces et de l'industrie des semi-conducteurs.

Qu'est-ce qui rend la fabrication de puces semi-conductrices si compliquée ?

Bien que la puce soit une petite chose en termes de taille, elle implique les processus les plus compliqués et les plus coûteux. Voici la liste des facteurs qui rendent difficile pour toute entreprise d'entrer dans cette industrie-

• Il faut des terrains, des permis, des infrastructures naturelles, de l'électricité, des machines compliquées et un délai de plus de 2 ans pour mettre en place les usines de fabrication et les usines très coûteuses qui construisent ces puces. En 2021, Samsung a annoncé son intention d'ouvrir une usine de puces de 17 milliards de dollars au Texas en 2024.
• La fabrication d'une puce est également une procédure complexe qui prend un temps considérable. Il faut près de 3 mois pour transformer le silicium brut en cette puce finale qui est insérée dans les appareils.
• Le processus de fabrication est au niveau atomique et nécessite un équipement d'usine coûteux.
• De plus, les pièces où le silicium est introduit dans les machines de fabrication de puces doivent être absolument exemptes de poussière. Un seul grain de poussière peut gaspiller tous les efforts et des millions de dollars.
• La production de puces semi-conductrices implique un réseau complexe d'entreprises qui les produisent ou les conçoivent, ainsi que celles qui fournissent la technologie, les matériaux et les machines nécessaires.

Comment la guerre russo-ukrainienne a-t-elle encore plus impacté l'industrie ?

Le néon est nécessaire pour les lasers utilisés en lithographie pour produire des puces. L'année dernière, la consommation mondiale de néon pour la fabrication de puces était d'environ 540 tonnes métriques. La guerre russo-ukrainienne a aggravé la pénurie mondiale de puces, car plus de la moitié du néon mondial est produit par deux sociétés ukrainiennes seulement, Ignas et Cryin, qui ont dû fermer leurs opérations. Cela aura donc un impact intense sur l'industrie des semi-conducteurs. De plus, l'approvisionnement en palladium de la Russie peut également être affecté par la guerre. La pénurie de palladium qui est essentiel pour les convertisseurs catalytiques appliqués dans les systèmes d'échappement des automobiles peut indirectement avoir un impact potentiel sur l'industrie des semi-conducteurs par le biais d'une moindre demande de puces par les constructeurs automobiles.

Conclusion

Les fonderies de semi-conducteurs nécessitent un énorme investissement en capital de plusieurs milliards de dollars et une période de temps considérable pour se mettre en place. De plus, ces fonderies ne peuvent produire des puces à un rythme très rapide car le processus de fabrication prend également du temps et nécessite des équipements coûteux. Tout cela rend difficile pour toute entreprise d'entrer dans l'industrie et même si une entreprise le fait, il devient difficile pour elle de rivaliser avec les gros poissons et de faire des profits. C'est pourquoi, en ce qui concerne les fabricants de puces à semi-conducteurs, nous n'entendons que quelques noms qui ont acquis une énorme part de marché dans l'industrie au fil du temps.

FAQ

De quoi sont faites les puces semi-conductrices ?

Les semi-conducteurs, également appelés circuits intégrés (CI) ou micropuces, sont fabriqués à partir de silicium pur.

Qui est le plus grand fabricant de puces semi-conductrices ?

TSMC de Taiwan est le plus grand fabricant de puces à semi-conducteurs.

Quelles sont les 5 meilleures entreprises de semi-conducteurs dans lesquelles investir ?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).