Depuis le début de la pandémie de COVID, nous avons vu des problèmes de chaîne d’approvisionnement qui concernent la viande, le papier toilette et les puces à semi-conducteurs, sans compter la grande variété de « choses » qu’ils contrôlent. Bien que l’accumulation de papier toilette ne soit plus en vogue, si vous avez fait des achats de puces ces dernières années, comme celles de la série ATtiny, les approvisionnements sont souvent limités ou inexistants. Pour résoudre ce problème, des efforts sont en cours pour accroître la fabrication de semi-conducteurs aux États-Unis.
Dans cet article, nous allons explorer ce qu’implique la production de semi-conducteurs et donner un aperçu de la technologie des usines intelligentes qui sera nécessaire pour développer la fabrication de semi-conducteurs aux États-Unis. Bien que l’augmentation de la production de puces ne soit pas une tâche simple, les États-Unis disposent déjà d’une capacité importante et d’une expérience de la production de semi-conducteurs et ne partiront pas de zéro.
Usine intelligente de semi-conducteurs - Une machine intégrée
L’idée générale de la fabrication de masse traditionnelle est qu’un produit passe d’une opération à une autre. Les fonctionnalités sont ajoutées de manière progressive et indépendante. Un fabricant de puces, ou simplement « fab », comme de nombreuses autres usines intelligentes modernes, fonctionne davantage comme une machine intégrée que comme une série d’opérations indépendantes. Cela représente une dépense d’investissement importante en soi. En fait, dans le processus de production des semi-conducteurs, les plaquettes de silicium en cours de fabrication sont transportées dans l’usine, non pas par des humains, mais par des FOUPS, des nacelles unifiées à ouverture frontale, qui se déplacent d’un point à l’autre sur un système de rails aériens.
Outre le fait qu’une usine est un système intégré, c’est aussi un environnement de salle blanche, avec une teneur en poussière bien inférieure à celle d’une salle d’opération. Cet environnement est critique, car même un seul grain de poussière sur une plaquette en cours de fabrication peut la ruiner. Une automatisation importante des processus ne signifie pas seulement une réduction des coûts de main-d’œuvre, mais aussi une diminution du nombre de personnes présentes qui, par inadvertance, perdent un nombre (dégoûtant) important de particules lors de leur passage dans la fab.
Il faut envisager des biens d’équipement pour maintenir cet environnement, des transformateurs pour gérer les besoins massifs en électricité, et même la plomberie pour l’eau de traitement. Toute cette infrastructure soutient cependant le cœur de ce processus : une série d’incroyables machines de lithographie à ultraviolets qui forment des milliards de transistors sur une plaquette de silicium. Ces machines de lithographie UV ont à peu près la taille d’un bus et sont potentiellement les machines les plus compliquées jamais fabriquées.
Lithographie par ultraviolets extrêmes - La technologie critique de production de semi-conducteurs
Les puces de fabricants tels qu’Intel, TSMC et Samsung sont essentielles à tout, des automobiles aux téléphones portables. Cependant, les machines nécessaires à la fabrication des puces les plus avancées du monde proviennent d’un seul endroit, ASML, basé aux Pays-Bas. ASML, qui signifiait autrefois Advanced Semiconductor Materials Lithography, a depuis officiellement transcendé le statut d’acronyme. Elle fabrique des machines de lithographie à ultraviolets extrêmes, ou EUV, qui sont essentielles à la fabrication des semi-conducteurs les plus avancés au monde. Les processus les plus récents d’Intel, de TSMC et de Samsung peuvent contenir environ 100 millions de transistors dans une surface carrée de 1 mm de côté, un nombre absolument stupéfiant.
L’avenir d’ASML avec les machines EUV
Alors que les puces de travail plus établies pourraient utiliser une technologie non UV plus ancienne (ce qui devrait également être envisagé, étant donné la difficulté de trouver un grand nombre de ces appareils), pour les fabs de pointe, ASML est la seule option au monde. Leur technologie EUV a été développée sur de nombreuses années, au coût de 9 milliards de dollars. Cet effort était si massif, en fait, qu’Intel, Samsung et TSMC ont tous pris des participations dans l’entreprise pour soutenir le développement de l’EUV. Bien que risqué, cet investissement a permis au monde de fabriquer des puces à une échelle encore plus petite, et la valeur d’ASML a fait un bond considérable ces dernières années. En fait, elle pourrait même devenir la première entreprise européenne de mille milliards de dollars.
Pour faire court, toute usine cherchant à développer la production des puces les plus avancées, aux États-Unis ou ailleurs, devra se procurer entre 9 et 18 de ces machines EUV, pour un prix d’environ 150 millions de dollars chacune. Dans le haut de gamme, les machines EUV d’une seule usine pourraient coûter jusqu’à 3 milliards de dollars. Pour rendre ce coût encore plus extrême, la prochaine génération de machines EUV devrait coûter « considérablement » plus de 340 millions de dollars chacune. En utilisant des chiffres ronds, si chacune d’entre elles coûte 500 millions de dollars et qu’une usine a besoin de 20 unités, cela représente 10 milliards de dollars pour une seule usine.
Ce chiffre pourrait peut-être diminuer au fur et à mesure que des machines EUV plus avancées sont fabriquées, mais quoi qu’il en soit, le coût d’une fab avancée se chiffre en milliards de dollars. En même temps, si un site de fabrication est une machine intégrée, les EUV ne sont qu’un aspect d’une opération plus vaste. 10 milliards de dollars pour une installation de production de semi-conducteurs de pointe semble n’être que le point de départ.
Fournir l’usine intelligente de semi-conducteurs
Nous considérons les fabs comme des fournisseurs de composants (c’est-à-dire de puces) pour d’autres industries, mais il est important de se rappeler qu’elles dépendent également d’un approvisionnement constant en matériaux et composants pour alimenter leurs processus. Cela comprend tout, de l’électricité et de l’eau aux consommables et même au papier toilette. Toutefois, si les machines EUV sont le cœur du processus, les plaquettes de silicium, sur lesquelles sont formés les transistors, sont l’oxygène de la plante, pompé dans le corps de la fab par les « cellules sanguines » FOUP.
La bonne nouvelle ici, d’un point de vue centré sur l’Amérique, est que les États-Unis produisent déjà une quantité importante de plaquettes de silicium qui peuvent être fournies aux fabs. Dans le même temps, une quantité encore plus importante de plaquettes de silicium brut pourrait être nécessaire au fur et à mesure de la montée en puissance de la production, et d’autres besoins continus des fabs devront être pris en compte et approvisionnés. Bien qu’il s’agisse d’un défi, l’expansion de la production de puces pourrait être extrêmement gratifiante, tant du point de vue de la sécurité de l’approvisionnement que de l’effet d’entraînement sur l’économie par le biais d’emplois directs et de soutien.
Une chaîne d’approvisionnement plus courte… Peut-on l’éliminer ?
Bien qu’il puisse être difficile pour les États-Unis de retrouver leur position de fabricant de puces dominant dans le monde, ils ne sont pas aussi loin derrière que certains l’imaginent. Mais le rêve que les États-Unis soient entièrement autosuffisants sur le plan technologique semble être un fantasme à court terme. Même si les États-Unis devaient délocaliser toute la fabrication des puces, la société ASML, basée aux Pays-Bas, est le seul fournisseur d’équipements permettant de fabriquer les puces les plus avancées au monde. …Cette société s’appuie sur une filiale américaine, Cymer, qui lui fournit les lasers avancés pour ses machines…, ces deux sociétés s’appuient certainement sur d’autres nations, entreprises et personnes pour fournir les composants et l’expertise nécessaires à leurs processus.
Accroître la fabrication de puces aux États-Unis est une tâche gigantesque, qui pourrait apporter des avantages considérables. En même temps, dans le monde interconnecté d’aujourd’hui, chaque nation devra compter sur des chaînes d’approvisionnement géographiquement étendues dans un avenir prévisible. Préparons-nous au pire dans la mesure de nos moyens, mais efforçons-nous de conserver des relations amicales avec les autres nations. Ce n’est qu’alors que nous pourrons travailler ensemble pour éviter le genre de perturbations que nous avons vues, et que nous voyons, depuis 2020.
