Informatique
Faire progresser les semi-conducteurs – Les faisceaux « donut » et les blocs « Lego » pourraient-ils bouleverser les approches de l’industrie ?
Un composant essentiel des appareils électroniques, les semi-conducteurs se sont intégrés au tissu même de notre quotidien. Ces éléments minuscules mais puissants sont la pierre angulaire de la technologie moderne, stimulant les innovations dans le informatique, les communications, l’énergie propre, les soins de santé, le transport, les systèmes militaires et une myriade d’autres applications critiques.
Dans une preuve frappante de leur influence omniprésente, la taille du marché mondial des semi-conducteurs devrait en fait atteindre $1.38 trillion by 2029, contre 573.44 milliards de dollars en 2022.
Un aperçu des avancées des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux qui conduisent l’électricité davantage qu’un isolant mais moins qu’un conducteur pur. Ces matériaux, qui peuvent être des éléments purs ou des composés, subissent une transformation importante de leur conductivité lorsqu’on y ajoute de petites quantités d’impuretés.
C’est grâce aux semi-conducteurs que nous avons accès aux radios, télévisions, smartphones, ordinateurs, jeux vidéo et équipements de diagnostic médical avancés. Les progrès de la technologie des semi-conducteurs au cours des nombreuses décennies passées ont permis à ces appareils électroniques de devenir plus petits, plus rapides, moins chers et plus fiables.
Également appelés circuits intégrés (CI) ou micro-puces, les semi-conducteurs ont révolutionné notre façon de vivre, influençant notre travail, nos communications, nos déplacements, le traitement des maladies, le divertissement et la production d’énergie.
En tant que blocs de construction fondamentaux de la technologie moderne, les semi-conducteurs continuent de piloter les percées les plus importantes du monde, offrant un potentiel immense.
Parmi les innovations les plus passionnantes de l’industrie des semi-conducteurs figurent l’informatique quantique, qui nécessite de nouveaux types de semi-conducteurs fonctionnant à basse température ; l’informatique neuromorphique, visant à développer des puces informatiques qui imitent la structure et le fonctionnement du cerveau humain pour des machines intelligentes ; la photonique sur silicium, qui utilise la lumière pour transférer des données entre les puces informatiques ; et l’emballage avancé, essentiel au développement d’appareils électroniques haute performance.
Ces solutions avancées de semi-conducteurs joueront un rôle clé dans l’Intelligence artificielle (IA), qui devient de plus en plus importante dans divers secteurs. Les semi-conducteurs peuvent aider les applications d’IA à exécuter des tâches complexes de manière plus efficace. Les semi-conducteurs ont également un énorme potentiel dans les véhicules autonomes, les systèmes de traitement d’images intelligents et les systèmes d’énergie renouvelable.
Fabrication de semi-conducteurs
Dans l’industrie des semi-conducteurs, l’objectif est de créer des produits plus petits, plus rapides et moins chers, un but qui s’aligne directement sur le principe selon lequel plus un composant est petit, plus on peut placer de puissance sur la même puce. Cette compacité est cruciale car plus il y a de transistors sur une puce, plus elle fonctionne rapidement.
C’est là que la loi de Moore entre en jeu, puisqu’elle stipule que “le nombre de transistors dans un circuit intégré dense double environ tous les deux ans”. Cela souligne la pression exercée sur les fabricants de puces pour innover constamment et fournir des semi-conducteurs plus efficaces et moins chers tout en assurant le contrôle qualité et la disponibilité rapide du produit à la vente.
La majeure partie de la demande de l’industrie des semi-conducteurs provient des smartphones et des équipements industriels, mais l’avènement de l’IA, de l’IoT et des véhicules autonomes a modifié les perspectives du secteur.
Aujourd’hui, la demande croissante oblige les entreprises de semi-conducteurs à accorder davantage d’attention à la recherche et au développement, à augmenter les fonctionnalités et à améliorer les temps de production. Ces exigences ont entraîné d’importants défis pour l’industrie, le principal étant de fournir des puces plus petites et plus puissantes à des coûts abordables.
De plus, les innovations ont accru la complexité des processus de fabrication dans l’industrie des semi-conducteurs. Cette montée en complexité nécessite naturellement des chaînes d’approvisionnement plus efficaces, une nécessité encore renforcée par la demande toujours croissante des entreprises d’IA. Cela requiert non seulement une gamme diversifiée de capacités de performance, mais aussi des délais de livraison plus courts.
La fabrication des puces semi-conductrices implique la purification du wafer, la construction de multiples couches pour créer des circuits intégrés, puis l’assemblage et l’emballage de plusieurs composants dans le produit final.
Ainsi, les fabricants de semi-conducteurs doivent relever le défi de la gestion des matériaux, du recyclage et de l’amélioration des processus, qui sont des aspects critiques de leurs opérations. Mais l’étendue de leurs défis ne se limite pas à cela ; des facteurs tels que la géopolitique affectent également de manière significative la disponibilité des ressources et le commerce, comme l’illustre le cas des États‑Unis et de la Chine.
Depuis un certain temps, les problèmes de chaîne d’approvisionnement figurent parmi les principaux problèmes de l’industrie. Cette situation est encore compliquée par des facteurs tels que les tensions géopolitiques et les différends commerciaux, les événements imprévus comme la pandémie aggravant davantage le problème de disponibilité des puces.
En plus de ces défis, le secteur doit également faire face à l’écart grandissant entre la demande de professionnels qualifiés et la disponibilité de personnes compétentes. Étant donné la concurrence intense et le rythme rapide d’évolution du secteur, il n’est pas surprenant qu’il existe une pénurie de talents et un écart de compétences.
Malgré tous ces défis, l’industrie continue de prospérer. Des percées susceptibles de transformer l’avenir se produisent constamment, témoignant de la résilience et de l’esprit d’innovation du secteur.
Les faisceaux en forme de « donut » permettent de visualiser des objets incroyablement petits
Ce mois-ci, une nouvelle étude a pris des images détaillées d’objets minuscules en utilisant des faisceaux de lumière en forme de donut, ce qui n’aurait pas été possible avec les microscopes traditionnels. L’étude a été menée par des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder et devrait aider les scientifiques à améliorer les détails de base d’une gamme de “nanoélectroniques”, y compris les mini semi-conducteurs présents dans les puces informatiques.
Il s’agit de la dernière avancée dans le domaine de la ptychographie, une technique d’imagerie computationnelle pour l’imagerie microscopique. Les outils de ptychographie, contrairement aux microscopes traditionnels, ne visualisent pas directement les objets très petits ; ils projettent des lasers sur une cible puis mesurent la façon dont la lumière se diffuse.
Selon l’auteur principal de l’étude, Margaret Murnane, jusqu’à récemment, cette approche, bien que fonctionnelle, “échouait complètement pour les échantillons hautement périodiques, ou les objets présentant un motif régulièrement répété” en raison de la nanoélectronique.
Murnane, chercheuse au JILA – un institut de recherche conjoint du CU Boulder et du NIST – a expliqué les défis auxquels les scientifiques sont confrontés lorsqu’ils utilisent la ptychographie pour visualiser les structures de certains semi-conducteurs. Ces structures, composées d’atomes comme le silicium disposés en grilles extrêmement uniformes, posent des difficultés en raison de leur manque de variation.
Ainsi, dans la nouvelle étude, les chercheurs ont créé des faisceaux de lumière ultraviolette extrême au lieu d’utiliser des lasers ordinaires dans leurs microscopes pour créer des ombres. Ensuite, en utilisant une plaque à phase spirale, ils ont tordu leur forme en donuts, et lorsque ces faisceaux rebondissaient sur des structures répétitives, les ombres créées étaient beaucoup plus complexes que celles produites par les lasers traditionnels. Cela a permis de collecter avec précision des images de structures minuscules et délicates.
Ces structures mesurent entre 10 et 100 nanomètres, et à l’avenir, l’équipe prévoit de zoomer davantage pour visualiser des structures encore plus petites. L’idée est d’affiner davantage cette stratégie en forme de donut, ce qui permettra à l’équipe de voir des objets encore plus fragiles, peut-être même des cellules biologiques, un jour.
Jusqu’à présent, les outils d’imagerie utilisant des lentilles ne pouvaient atteindre qu’une résolution d’environ 200 nanomètres, ne permettant pas aux scientifiques de capturer de nombreux virus avec précision. Mais maintenant, grâce à cette recherche, les limites fondamentales des microscopes ont été repoussées, et les scientifiques pourront capturer ces agents pathogènes en action en temps réel à l’avenir. “Au lieu d’utiliser une lentille pour récupérer l’image, nous utilisons des algorithmes,” a-t-elle déclaré.
De plus, les faisceaux n’endommagent pas les minuscules électroniques dans le processus et peuvent donc être utilisés “pour inspecter les polymères utilisés pour fabriquer et imprimer les semi-conducteurs afin de détecter les défauts, sans endommager ces structures”, a déclaré Murnane.
Dans l’ensemble, cette nouvelle étude a un grand potentiel d’impact sur l’industrie des semi-conducteurs en améliorant l’inspection des composants nanoélectroniques avec un contrôle qualité plus précis. Cela pourrait également permettre aux chercheurs d’inspecter des structures de semi-conducteurs délicates sans compromettre leur intégrité. À mesure que les techniques de ptychographie progressent, nous pourrions voir des méthodes d’imagerie plus polyvalentes pour la recherche et le développement des semi-conducteurs.
Puces photoniques qui vont « repenser » le paysage des semi-conducteurs
Dans une autre nouvelle étude, des chercheurs du laboratoire nanosciences de l’University of Sydney Nano Institute, en collaboration avec des scientifiques de l’Australian National University, ont conçu une nouvelle architecture de semi-conducteur dans laquelle ils ont intégré l’électronique aux photons afin d’étendre la bande passante et le contrôle des filtres. Cela signifie que davantage d’informations peuvent circuler à travers la puce tout en permettant des contrôles de filtres avancés.
“Ce travail ouvre la voie à une nouvelle génération de filtres RF photoniques compacts et haute résolution avec une large gamme de réglage de fréquence, particulièrement bénéfique pour les charges utiles de communication RF aériennes et spatiales, ouvrant des possibilités d’amélioration des capacités de communication et de détection.”
– a déclaré le Dr Moritz Merklein, chercheur principal senior et co‑auteur de l’étude
Pour construire cette puce, les chercheurs ont utilisé une technologie émergente en photonique sur silicium, grâce à laquelle ils ont pu intégrer divers systèmes sur des semi-conducteurs de moins de 5 millimètres de large, ce qui ressemble à l’assemblage de blocs Lego. Ainsi, elle peut offrir une approche évolutive et modulaire de la conception de puces, ouvrant de nouvelles possibilités pour créer des dispositifs semi-conducteurs complexes et très efficaces.
“L’utilisation combinée de fonderies de semi-conducteurs étrangères pour fabriquer la plaquette de base avec les infrastructures de recherche et de fabrication locales a été essentielle au développement de ce circuit intégré photonique.”
– Dr Alvaro Casas Bedoy, directeur associé de l’intégration photonique à l’École de physique
Cette nouvelle puce semi-conductrice compacte en silicium augmente considérablement la bande passante radiofréquence (RF) et peut contrôler avec précision les informations circulant à travers l’unité. Vous pouvez voir son application dans les radars avancés, les réseaux sans fil, les satellites, et le déploiement des télécommunications 6G et 7G. De plus, cela signifie des dispositifs capables de s’adapter à diverses applications, les rendant utilisables dans un large éventail de scénarios.
Selon les chercheurs, cette capacité améliorée peut également aider à la fabrication souveraine avancée et à la création d’usines à forte valeur ajoutée sans dépendre exclusivement des fabricants internationaux.
Cette invention, selon le professeur Ben Eggleton, vice‑recteur, représente une avancée significative dans la recherche en photonique micro-ondes et photonique intégrée. La puce peut offrir une bande passante de 15 gigahertz de fréquences réglables avec une résolution spectrale impressionnante.
Il a expliqué que “la photonique micro‑ondes joue un rôle crucial dans les communications modernes et les applications radar, offrant la flexibilité de filtrer précisément différentes fréquences, réduisant les interférences électromagnétiques et améliorant la qualité du signal.” De plus, en intégrant des fonctionnalités avancées dans les puces semi-conductrices (verre chalcogénure avec silicium), Eggleton estime que cela peut “repenser le paysage local des semi-conducteurs”.
Principaux fabricants de semi-conducteurs
Compte tenu de tout ce qui se passe dans l’industrie des semi-conducteurs, examinons maintenant quelques-uns des principaux fabricants de semi-conducteurs :
1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.
La plus grande fonderie de semi-conducteurs au monde fabrique des circuits intégrés pour le compte de clients. Avec une capitalisation boursière de 523.56 milliards de dollars, les actions de l’entreprise se négocient à 100.75$, en hausse de 35.52% cette année. Le chiffre d’affaires de TSM (TTM) s’élève à 68.86 bln, le BPA (TTM) à 5.36, et le PER (TTM) à 18.84 tout en offrant un rendement du dividende de 1.81%.
(TSM )
TSMC est actuellement en voie de production en volume de ses puces N2 (2 nanomètres), que, selon l’entreprise, “seront la technologie de semi-conducteur la plus avancée de l’industrie tant en densité qu’en efficacité énergétique lorsqu’elle sera introduite.” Le fabricant de semi-conducteurs travaille également à son expansion mondiale, qui a commencé avec une nouvelle installation en Arizona il y a quelques années et comprend désormais le Japon et l’Allemagne.
2. Advanced Micro Devices, Inc.
Cette entreprise mondiale de semi-conducteurs possède une capitalisation boursière de 217.13 milliards de dollars, ses actions s’échangent à 133.52$, en hausse de 107.52% cette année. Le chiffre d’affaires d’AMD (TTM) s’élève à 22.11 bln, le BPA (TTM) à 0.13, mais aucun dividende n’est offert.
(AMD )
Récemment, Advanced Micro a dévoilé ses nouvelles puces IA de la très attendue gamme MI300 pour concurrencer les processeurs IA phares de Nvidia, qui détient environ 80% du marché des puces IA. Ces nouvelles puces sont conçues pour les supercalculateurs et les applications d’IA générative telles que ChatGPT et Dall-E. L’entreprise a également relevé ses prévisions pour le marché adressable des puces IA à 400 milliards de dollars au cours des quatre prochaines années.
3. Applied Materials, Inc.
L’entreprise, leader dans la fourniture d’équipements, de services et de logiciels de fabrication pour l’industrie des semi-conducteurs, possède une capitalisation boursière de 129.78 milliards de dollars. Ses actions, celles du plus grand fabricant d’équipements de semi-conducteurs aux États‑Unis, se négocient actuellement à 156.50$, marquant une hausse impressionnante de 59.3% cette année. Financièrement, AMAT a déclaré un chiffre d’affaires (TTM) de 26.51 bln, un BPA (TTM) de 8.11 et un PER (TTM) de 19.12, tout en offrant un rendement du dividende de 0.83%.
(AMAT )
Cependant, Applied Materials navigue actuellement dans des eaux difficiles, étant sous enquête criminelle américaine pour avoir prétendument envoyé des équipements au principal fabricant de puces chinois SMIC, contournant potentiellement les restrictions à l’exportation. Cette situation survient alors que le gouvernement américain interdit non seulement les expéditions de puces avancées mais aussi les équipements vers la Chine. Dans un geste signalant ses ambitions mondiales et son expansion stratégique, plus tôt cette année, Applied Materials a annoncé son plan d’investir 400 millions de dollars sur quatre ans pour créer un centre d’ingénierie collaborative en Inde.
4. ASML Holding NV
ASML, basé aux Pays‑Bas, fournit des systèmes de lithographie avancés utilisés par des fabricants de puces tels que TSMC, Samsung et Intel pour ajouter des circuits aux wafers de silicium. Il possède une capitalisation boursière de 286.32 bln, ses actions se négocient à 714.42$, en hausse de 30% YTD avec son chiffre d’affaires (TTM) enregistré à 28.871B, le BPA (TTM) de 20.42, et le PER (TTM) de 34.78. Le rendement du dividende offert est de 0.91%.
(ASML )
L’entreprise a récemment annoncé des résultats du troisième trimestre de juste un peu plus de $2 bln, le PDG Peter Wennink déclarant, “L’industrie des semi‑conducteurs traverse actuellement le creux du cycle, et nos clients s’attendent à ce que le point d’inflexion soit visible d’ici la fin de cette année.”
Conclusion
Les semi-conducteurs sont un composant essentiel des appareils qui font partie intégrante de nos vies. Ils constituent en réalité l’épine dorsale du secteur technologique florissant. Et à mesure que la demande de semi-conducteurs continue d’augmenter, elle conduit à des puces encore plus petites, plus rapides et plus économes en énergie. Toutes ces avancées et innovations permettront alors le développement de nouveaux types d’appareils et d’applications qui étaient auparavant impossibles!
