La grande crise des puces menace la promesse de la loi de Moore

Cette machine de lithographie aux ultraviolets extrêmes permet aux fabricants de fabriquer des puces de pointe avec des caractéristiques de quelques nanomètres de taille. ASML

Un an après le début de la pandémie de covid-19, Apple a commémoré la gamme croissante d'appareils dotés de sa puce M1 personnalisée en grande pompe, y compris un Mission Annonce invraisemblable à la télévision mettant en vedette un jeune homme courant sur les toits de son campus de vaisseaux spatiaux à Cupertino et infiltrant l'installation pour voler le microprocesseur révolutionnaire d'un MacBook et le placer dans un iPad Pro.

La puce conçue sur mesure d'Apple est le dernier triomphe pour La loi de Moore , l'observation s'est transformée en prophétie auto-réalisatrice selon laquelle les fabricants de puces peuvent doubler le nombre de transistors sur une puce toutes les quelques années. le M1 emballe 16 milliards de transistors sur un microprocesseur de la taille d'un gros timbre-poste. C'est une merveille des prouesses de fabrication de semi-conducteurs d'aujourd'hui.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2021

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Mais alors même qu'Apple célébrait le M1, le monde faisait face à une crise économique dévastatrice. pénurie de micropuces , en particulier ceux relativement bon marché qui rendent possibles de nombreuses technologies d'aujourd'hui.

Les constructeurs automobiles ont fermé des chaînes de montage et licencié des travailleurs parce qu'ils ne pouvaient pas obtenir suffisamment de jetons à 1 $. Les constructeurs ont eu recours à la construction de véhicules sans les puces nécessaires aux systèmes de navigation, aux rétroviseurs numériques, aux écrans tactiles et aux systèmes de gestion du carburant. Dans l'ensemble, l'industrie automobile mondiale pourrait perdre plus de 110 milliards de dollars à la pénurie en 2021.

La production a également ralenti pour les smartphones, les ordinateurs portables, les consoles de jeux vidéo, les téléviseurs et même les appareils intelligents, tout cela à cause du manque de micropuces bon marché. Leur utilisation est si essentielle et si répandue que certains observateurs pensent que la crise des puces pourrait menacer la reprise économique mondiale après la pandémie.

La pénurie mondiale braque les projecteurs sur la capacité de l'industrie des semi-conducteurs à fournir des micropuces moins chères et plus puissantes. La promesse de longue date de puces avec toujours plus de capacités a inspiré les ingénieurs, les programmeurs et les concepteurs de produits à créer des générations de nouveaux produits et services. La loi de Moore a été plus qu'une simple feuille de route pour l'industrie des semi-conducteurs, elle a régi l'évolution technologique au cours du dernier demi-siècle.

Maintenant, cette promesse de plus de puissance de calcul partout s'effondre, mais pas parce que les fabricants de puces se sont finalement heurtés aux limites physiques de la technologie pour fabriquer des transistors toujours plus petits. Au lieu de cela, les coûts croissants du maintien de la loi de Moore ont encouragé la consolidation parmi les fabricants de puces et créé plus de points d'étranglement dans l'activité extrêmement complexe de la production de puces.

Même si les micropuces sont devenues essentielles dans de nombreux produits, leur développement et leur fabrication sont devenus dominés par un petit nombre de producteurs ayant une capacité et un appétit limités pour produire les puces de base qui sont un aliment de base pour les technologies d'aujourd'hui. Et parce que la fabrication de puces nécessite des centaines d'étapes de fabrication et des mois de temps de production, l'industrie des semi-conducteurs ne peut pas pivoter rapidement pour satisfaire l'augmentation de la demande alimentée par la pandémie.

Après des décennies d'inquiétude quant à la façon dont nous allons tailler des caractéristiques aussi petites que quelques nanomètres sur des tranches de silicium, l'esprit de la loi de Moore - l'attente que des puces puissantes et bon marché seront facilement disponibles - est maintenant menacé par quelque chose de bien plus banal : inflexible des chaînes d'approvisionnement.

Une frontière solitaire

Il y a vingt ans, le monde comptait 25 fabricants fabriquant des puces de pointe. Aujourd'hui seulement Entreprise de fabrication de semi-conducteurs de Taiwan (TSMC) à Taïwan, Intel aux États-Unis, et Samsung en Corée du Sud ont les installations, ou fabs, qui produisent les puces les plus avancées. Et Intel, longtemps leader technologique, a du mal à suivre, ayant manqué à plusieurs reprises les délais de production de ses dernières générations.

L'une des raisons de la consolidation est que la construction d'une installation pour fabriquer les puces les plus avancées coûte entre 5 et 20 milliards de dollars. Ces fabs fabriquent des puces avec des caractéristiques aussi petites que quelques nanomètres ; dans le jargon de l'industrie, on les appelle des nœuds de 5 nanomètres et de 7 nanomètres. Une grande partie du coût des nouvelles usines est consacrée à l'achat des équipements les plus récents, tels qu'un outil appelé lithographie ultraviolette extrême (EUV) machine qui coûte plus de 100 millions de dollars. Fabriquées uniquement par ASML aux Pays-Bas, les machines EUV sont utilisées pour graver des modèles de circuits détaillés avec des caractéristiques de taille nanométrique.

Les fabricants de puces travaillent sur la technologie EUV depuis plus de deux décennies. Après des milliards de dollars d'investissement, les machines EUV ont été utilisées pour la première fois dans la production commerciale de puces en 2018. Cet outil a 20 ans de retard, 10 fois plus que le budget, car il est incroyable, déclare David Kanter, directeur exécutif d'un consortium d'ingénierie ouvert axé sur l'apprentissage automatique. C'est presque magique que ça marche même. C'est totalement comme de la science-fiction.

Un tel effort gargantuesque a permis de créer les milliards de minuscules transistors de la puce M1 d'Apple, qui a été fabriquée par TSMC ; il fait partie de la première génération de puces de pointe à s'appuyer entièrement sur EUV.

Seules les plus grandes entreprises technologiques sont prêtes à payer des centaines de millions de dollars pour concevoir une puce pour les nœuds de pointe.

Payer pour les meilleures puces est logique pour Apple, car ces puces sont intégrées aux derniers modèles de MacBook et d'iPhone, qui se vendent par millions à des prix de marque de luxe. La seule entreprise qui utilise réellement EUV en grand volume est Apple, et ils vendent des smartphones à 1 000 $ pour lesquels ils ont une marge insensée, dit Kanter.

Non seulement les usines de fabrication de telles puces sont chères, mais le coût de conception des circuits immensément complexes est désormais hors de portée de nombreuses entreprises. En plus d'Apple, seules les plus grandes entreprises technologiques qui exigent les performances informatiques les plus élevées, telles que Qualcomm , DMLA , et Nvidia , sont prêts à payer des centaines de millions de dollars pour concevoir une puce pour les nœuds de pointe, déclare Sri Samavedam, vice-président senior des technologies CMOS chez Imec, un institut de recherche international basé à Louvain, en Belgique.

De nombreuses autres entreprises produisent des ordinateurs portables, des téléviseurs et des voitures qui utilisent des puces fabriquées avec des technologies plus anciennes, et un pic de la demande pour ceux-ci est au cœur de la pénurie actuelle de puces. En termes simples, la majorité des clients de puces ne peuvent pas se permettre - ou ne veulent pas payer - les dernières puces ; une voiture typique utilise aujourd'hui des dizaines de micropuces, tandis qu'un véhicule électrique en utilise beaucoup plus. Ça s'additionne rapidement. Au lieu de cela, les fabricants de choses comme les voitures se sont contentés de puces fabriquées à l'aide de technologies plus anciennes.

De plus, bon nombre des appareils électroniques les plus populaires d'aujourd'hui ne nécessitent tout simplement pas de puces de pointe. Cela n'a aucun sens de mettre, par exemple, une puce A14 [iPhone et iPad] dans chaque ordinateur que nous avons dans le monde, déclare Hassan Khan, ancien doctorant à l'Université Carnegie Mellon qui a étudié les implications de politique publique de la fin de la loi de Moore et travaille actuellement chez Apple. Vous n'en avez pas besoin dans votre thermomètre intelligent à la maison, et vous n'en avez pas besoin de 15 dans votre voiture, car il est très gourmand en énergie et très cher.

Le problème est que même si de plus en plus d'utilisateurs s'appuient sur des technologies de puces plus anciennes et moins chères, les géants de l'industrie des semi-conducteurs se sont concentrés sur la construction de nouvelles usines de pointe. TSMC, Samsung et Intel ont tous récemment annoncé des milliards de dollars d'investissements pour les dernières installations de fabrication. Oui, ils sont chers, mais c'est là que se trouvent les bénéfices - et au cours des 50 dernières années, c'est là que se trouve l'avenir.

TSMC, le plus grand fabricant sous contrat de puces au monde, a réalisé près de 60 % de son chiffre d'affaires en 2020 grâce à la fabrication de puces de pointe avec des fonctionnalités de 16 nanomètres et moins, y compris la puce M1 d'Apple fabriquée avec le processus de fabrication de 5 nanomètres.

Pour aggraver le problème, personne ne construit d'équipement de fabrication de semi-conducteurs pour prendre en charge les technologies plus anciennes, déclare Dale Ford, analyste en chef à l'Electronic Components Industry Association, une association professionnelle basée à Alpharetta, en Géorgie. Et donc nous sommes en quelque sorte coincés entre le marteau et le point dur ici.

Puces bas de gamme

Tout cela est important pour les utilisateurs de la technologie, non seulement en raison de la rupture d'approvisionnement qu'elle provoque aujourd'hui, mais aussi parce qu'elle menace le développement de nombreuses innovations potentielles. En plus d'être plus difficiles à trouver, les puces de base moins chères deviennent également relativement plus chères, car chaque génération de puces a nécessité des équipements et des installations plus coûteux que les générations précédentes.

Certains produits de consommation exigeront simplement des puces plus puissantes. La construction de réseaux mobiles 5G plus rapides et l'essor des applications informatiques dépendant des vitesses 5G pourraient obliger à investir dans des puces spécialisées conçues pour les équipements de mise en réseau qui communiquent avec des dizaines ou des centaines d'appareils connectés à Internet. Les fonctionnalités automobiles telles que les systèmes avancés d'assistance à la conduite et les systèmes d'infodivertissement embarqués peuvent également bénéficier de puces de pointe, comme en témoigne le constructeur de véhicules électriques Les partenariats annoncés de Tesla avec TSMC et Samsung sur le développement de puces pour les futures voitures autonomes.

Mais acheter les dernières puces de pointe ou investir dans des conceptions de puces spécialisées peut ne pas être pratique pour de nombreuses entreprises lors du développement de produits pour une intelligence partout dans le futur. Il est peu probable que les fabricants d'appareils grand public tels qu'une machine sous vide compatible Wi-Fi dépensent de l'argent pour développer eux-mêmes des puces spécialisées dans le but d'ajouter des fonctionnalités encore plus sophistiquées, déclare Kanter. Au lieu de cela, ils se rabattront probablement sur toutes les puces fabriquées à l'aide de technologies plus anciennes.

La majorité des clients de puces d'aujourd'hui se contentent des puces de base moins chères qui représentent un compromis entre coût et performance.

Et les articles à moindre coût tels que les vêtements, dit-il, ont des marges très minces qui laissent peu de marge de manœuvre pour les puces plus chères qui ajouteraient un dollar – sans parler de 10 $ ou 20 $ – au prix de chaque article. Cela signifie que le prix croissant de la puissance de calcul peut empêcher le développement de vêtements qui pourraient, par exemple, détecter et répondre aux commandes vocales ou aux changements de temps.

Le monde peut probablement vivre sans machines sous vide plus sophistiquées, mais le manque de puces toujours moins chères et plus puissantes aurait un coût réel : la fin d'une ère d'inventions alimentées par la loi de Moore et sa promesse vieille de plusieurs décennies d'une puissance de calcul de plus en plus abordable. sera disponible pour la prochaine innovation.

La majorité des clients de puces d'aujourd'hui se contentent des puces de base moins chères qui représentent un compromis entre coût et performance. Et c'est l'offre de ces puces de base qui semble loin d'être suffisante alors que la demande mondiale de puissance de calcul augmente.

Il est toujours vrai que l'utilisation des semi-conducteurs dans les véhicules augmente, l'utilisation des semi-conducteurs dans votre four grille-pain et pour toutes sortes de choses augmente, déclare Willy Shih, professeur de pratiques de gestion à la Harvard Business School. Alors la question est, où la pénurie va-t-elle frapper ensuite?

Une préoccupation mondiale

Début 2021, le président Joe Biden a signé un décret mandatant revues de la chaîne d'approvisionnement pour des jetons et a apporté son soutien à une poussée bipartite au Congrès pour approuver au moins 50 milliards de dollars pour la fabrication et la recherche de semi-conducteurs . Biden a également tenu deux sommets à la Maison Blanche avec des dirigeants des industries des semi-conducteurs et de l'automobile, dont une réunion le 12 avril au cours de laquelle il a mis en évidence une plaquette de silicium.

Les actions ne résoudront pas le déséquilibre entre la demande et l'offre de puces de si tôt. Mais à tout le moins, selon les experts, la crise actuelle représente une opportunité pour le gouvernement américain d'essayer de réparer enfin la chaîne d'approvisionnement et d'inverser le ralentissement général de l'innovation dans les semi-conducteurs - et peut-être de renforcer la capacité des États-Unis à fabriquer les puces dont ils ont cruellement besoin.

On estime que 75% de toute la capacité de fabrication de puces était basée en Asie de l'Est en 2019, la part des États-Unis se situant à environ 13%. Le TSMC de Taiwan détient à lui seul près de 55% du marché de la fonderie qui gère les commandes de fabrication de puces grand public.

Au-dessus de tout, la rivalité américano-chinoise. La société championne nationale chinoise SMIC a construit des usines qui ont encore cinq ou six ans de retard sur les technologies de pointe en matière de puces. Mais il est possible que les fonderies chinoises puissent aider à répondre à la demande mondiale de puces construites sur des nœuds plus anciens dans les années à venir. Compte tenu des subventions de l'État qu'elles reçoivent, il est possible que les fonderies chinoises soient les fabricants les moins chers car elles mettent en place des usines aux nœuds de 22 nanomètres et de 14 nanomètres, dit Khan. Les usines chinoises ne sont peut-être pas compétitives à la frontière, mais elles pourraient répondre à une part croissante de la demande.

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Il a alimenté la prospérité des 50 dernières années. Mais la fin est maintenant en vue.

L'industrie mondiale des semi-conducteurs devra presque doubler sa capacité globale d'ici 2030 pour suivre le rythme de la demande, selon la Semiconductor Industry Association (SIA), un groupe industriel basé à Washington, qui a plaidé pour le renforcement de la chaîne d'approvisionnement mondiale plutôt que d'essayer de construire capacité de fabrication nationale entièrement autosuffisante.

Mais dans un clin d'œil à l'importance des puces avancées pour la sécurité nationale et les infrastructures critiques, la SIA suggère que les États-Unis offrent des incitations axées sur le marché pour que les entreprises construisent deux ou trois nouvelles usines de pointe au niveau national. Cela pourrait aider à garantir que les principaux réseaux de télécommunications et centres de données du pays, ainsi que l'armée américaine, disposent d'un approvisionnement national en puces.

Les séances de photos de la Maison Blanche avec le président ont rappelé le rôle que le gouvernement a joué depuis l'aube de l'industrie des semi-conducteurs qui a donné son nom à la Silicon Valley. Faire de cela le devant de la scène n'est pas quelque chose dont le président a parlé de cette façon depuis Ronald Reagan, déclare Margaret O'Mara, historienne à l'Université de Washington à Seattle. Biden assis là, agitant une plaquette autour – je ne pense pas avoir jamais vu cela dans une main présidentielle.

Le gouvernement américain est devenu le premier, et peut-être le plus grand capital-risqueur de la vallée, a écrit O’Mara dans son livre de 2019 Le code : la Silicon Valley et la refonte de l'Amérique . D'importantes commandes gouvernementales de puces pour alimenter le programme Apollo de la NASA et les missiles balistiques intercontinentaux Minuteman de l'armée ont encouragé les fabricants de puces à commencer la production de masse et ont contribué à réduire le coût des premières puces en silicium de 1 000 dollars chacune en 1960 à seulement 25 dollars en 1965.

La baisse des prix a rendu la puissance de calcul abordable pour de nombreuses personnes, au-delà des seules agences gouvernementales aux poches profondes. Cela a lancé l'âge d'or de la loi de Moore, au cours de laquelle les clients ont profité des avantages de puces moins chères qui offraient également de meilleures performances toutes les quelques années. Et vous ne sauriez peut-être pas que sa promesse était en péril si tout ce que vous aviez à faire était la dernière publicité d'Apple.

Pendant que j'interviewais O'Mara pour cette histoire, un livreur s'est présenté à sa porte comme au bon moment.

En parlant de puces, je viens de recevoir mon tout nouvel ordinateur, a-t-elle dit en riant. Oui, j'ai mon nouveau MacBook avec ma puce M1.

Jeremy Hsu est un journaliste technologique et scientifique basé à New York.

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