Faire progresser les semi-conducteurs – Les faisceaux en forme de ‘beignet’ et les blocs ‘Lego’ pourraient-ils renverser les approches de l’industrie ?

Un composant essentiel des appareils électroniques, les semi-conducteurs se sont intégrés dans le tissu même de notre existence quotidienne. Ces éléments minuscules mais puissants sont la pierre angulaire de la technologie moderne, stimulant les innovations dans l’informatique, les communications, l’énergie propre, les soins de santé, les transports, les systèmes militaires et une myriade d’autres applications critiques. 

En témoignage frappant de leur influence ubiquitaire, la taille du marché mondial des semi-conducteurs devrait atteindre 1 380 milliards de dollars d’ici 2029, contre 573,44 milliards de dollars en 2022.

Un regard sur l’avancement des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui conduisent l’électricité plus qu’un isolant mais moins qu’un conducteur pur. Ces matériaux, qui peuvent être des éléments purs ou des composés, subissent une transformation significative de conductivité lorsqu’on leur ajoute de petites quantités d’impuretés.

C’est grâce aux semi-conducteurs que nous avons accès aux radios, téléviseurs, smartphones, ordinateurs, jeux vidéo et équipements de diagnostic médical avancés. Les progrès de la technologie des semi-conducteurs au cours des dernières décennies ont permis à ces appareils électroniques de devenir plus petits, plus rapides, moins chers et plus fiables.

Appelés également circuits intégrés (CI) ou puces de silicium, les semi-conducteurs ont révolutionné notre façon de vivre, en influençant notre travail, nos communications, nos déplacements, notre traitement des maladies, nos divertissements et notre exploitation de l’énergie.

En tant que briques fondamentales de la technologie moderne, les semi-conducteurs continuent de stimuler les avancées les plus significatives du monde, offrant un potentiel immense.

Certaines des innovations les plus passionnantes dans l’industrie des semi-conducteurs incluent l’informatique quantique, qui nécessite de nouveaux types de semi-conducteurs fonctionnant à basse température ; l’informatique neuromorphique, visant à développer des puces de silicium qui imitent la structure et la fonction du cerveau humain pour les machines intelligentes ; la photonique du silicium, qui utilise la lumière pour transférer des données entre les puces de silicium ; et l’emballage avancé, essentiel pour le développement d’appareils électroniques haute performance.

Ces solutions de semi-conducteurs avancées sont susceptibles de jouer un rôle clé dans l’intelligence artificielle (IA), qui devient de plus en plus importante dans diverses industries. Les semi-conducteurs peuvent aider les applications d’IA à effectuer des tâches complexes de manière plus efficace. Les semi-conducteurs ont également un potentiel énorme 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 objectif qui est directement lié au principe selon lequel être petit signifie que plus de puissance peut être placée sur la même puce. Cette compactité est cruciale car plus il y a de transistors sur une puce, plus elle fonctionne rapidement.

C’est là que la loi de Moore intervient, car elle stipule que « le nombre de transistors dans un circuit intégré dense double environ tous les deux ans ». Cela met en évidence la pression sur les fabricants de puces pour innover constamment et fournir des semi-conducteurs plus efficaces et moins chers tout en assurant le contrôle de la qualité et la disponibilité rapide du produit à la vente.

La majorité de la demande de l’industrie des semi-conducteurs provient des smartphones et des équipements industriels, mais l’avènement de l’IA, de l’Internet des objets (IoT) et des véhicules autonomes a changé la perspective de l’industrie. 

Maintenant, la demande croissante oblige les entreprises de semi-conducteurs à se concentrer davantage sur la recherche et le développement, à accroître la fonctionnalité et à avoir des temps de production plus efficaces. Ces exigences ont conduit à des défis importants pour l’industrie, le plus grand étant de savoir comment fournir des puces plus petites et plus puissantes à des coûts abordables.

De plus, les innovations ont augmenté la complexité des processus de fabrication dans l’industrie des semi-conducteurs. Cette augmentation de complexité nécessite naturellement des chaînes d’approvisionnement plus efficaces, une nécessité amplifiée par la demande croissante des entreprises d’IA. Cela nécessite non seulement une gamme diversifiée de capacités de performance, mais également des délais de livraison plus courts.

La fabrication de puces de silicium implique la purification du wafer, la création de plusieurs couches pour créer des circuits intégrés, puis l’assemblage et l’emballage de plusieurs composants dans le produit final.

Les fabricants de semi-conducteurs doivent donc relever le défi de la manipulation des matériaux, du recyclage et de l’amélioration des processus, qui sont des aspects critiques de leurs opérations. Mais la portée de leurs défis n’est pas limitée à cela ; des facteurs tels que la géopolitique affectent considérablement la disponibilité des ressources et les échanges commerciaux, comme le montre 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, avec des événements imprévisibles comme la pandémie qui exacerbent encore le problème de disponibilité des puces.

En plus de ces défis, l’industrie 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 de l’avancement dans le secteur, l’existence d’une pénurie de talents et d’un écart de compétences n’est pas surprenante.

Malgré tous ces défis, cependant, l’industrie continue de prospérer. Des avancées qui ont le potentiel de transformer l’avenir se produisent constamment, mettant en évidence la résilience et l’esprit d’innovation du secteur.

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Des faisceaux en forme de ‘beignet’ pour 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 beignet, ce qui n’aurait pas été possible avec des 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 « nanoelectronique », y compris les mini semi-conducteurs trouvés dans les puces de silicium.

Il s’agit de la dernière avancée dans le domaine de la ptychographie, qui est une technique d’imagerie computationnelle pour la microscopie. Les outils de ptychographie, contrairement aux microscopes traditionnels, ne regardent pas directement les très petites choses ; ils éclairent plutôt les cibles avec des lasers et mesurent ensuite comment la lumière se disperse.

Selon l’auteur principal de l’étude, Margaret Murnane, jusqu’à récemment, cette approche, bien qu’elle fonctionne bien, « a complètement échoué pour les échantillons hautement périodiques, ou les objets avec un motif de répétition régulier » car elle inclut la nanoelectronique. 

Murnane, une chercheuse au JILA – un institut de recherche conjoint de l’Université du Colorado à Boulder et du NIST – a expliqué les défis que les scientifiques rencontrent lorsqu’ils utilisent la ptychographie pour visualiser les structures de certains semi-conducteurs. Ces structures, composées d’atomes comme le silicium disposés en grille uniforme incroyablement petite, présentent 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 marionnettes d’ombre. Ensuite, en utilisant une plaque de phase spirale, ils ont tordu leur forme en beignets, et lorsque ces faisceaux ont rebondi sur des structures répétitives, les marionnettes d’ombre créées étaient beaucoup plus complexes que celles créées par les lasers traditionnels. Cela a permis la collecte précise d’images de structures minuscules et délicates. 

Ces structures mesurent environ 10 à 100 nanomètres de taille, et à l’avenir, l’équipe prévoit de zoomer pour visualiser des structures encore plus petites. L’idée est de rendre cette stratégie de beignet encore plus précise, 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 voir qu’une résolution d’environ 200 nanomètres, ne permettant pas aux scientifiques de capturer de nombreux virus avec précision. Mais maintenant, avec 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 ne nuisent pas aux électroniques minuscules au cours du processus et peuvent donc être utilisés « pour inspecter les polymères utilisés pour fabriquer et imprimer des semi-conducteurs en cas de défauts, sans endommager ces structures au cours du processus », a déclaré Murnane.

Dans l’ensemble, cette nouvelle étude a un grand potentiel pour avoir un impact sur l’industrie des semi-conducteurs en améliorant l’inspection des composants nanoelectroniques avec un contrôle de qualité plus précis. Cela pourrait également permettre aux chercheurs d’inspecter des structures de semi-conducteurs délicates sans compromettre leur intégrité. À mesure que des progrès sont réalisés dans les techniques de ptychographie, nous pourrions voir des méthodes d’imagerie plus polyvalentes pour la recherche et le développement de semi-conducteurs.

Puces photoniques qui vont « remodeler » le paysage des semi-conducteurs

Dans une autre nouvelle étude, des chercheurs de l’institut de nanosciences de l’Université de Sydney, en collaboration avec des scientifiques de l’Université nationale australienne, ont conçu une nouvelle architecture de semi-conducteur dans laquelle ils ont intégré l’électronique avec des photons pour étendre la bande passante et le contrôle de filtre. Cela signifie que plus d’informations peuvent transiter par la puce tout en permettant des contrôles de filtre avancés. 

« Ce travail ouvre la voie à une nouvelle génération de filtres RF photoniques compacts à haute résolution avec une tunabilité de fréquence à large bande, particulièrement bénéfique dans les charges de communication et de détection RF aéroportées et spatiales, ouvrant des possibilités pour des capacités de communication et de détection améliorées. » 

– a déclaré le Dr Moritz Merklein, chercheur principal et co-auteur de l’étude

Pour construire cette puce, les chercheurs ont utilisé une technologie émergente en photonique du silicium, leur permettant d’intégrer des systèmes diversifiés sur des semi-conducteurs d’une largeur inférieure à 5 millimètres, ce qui est comparable à assembler des blocs Lego. Cela offre une approche modulaire et évolutiva de la conception de puces, ouvrant de nouvelles possibilités pour la création de dispositifs semi-conducteurs complexes et très efficaces.

« L’utilisation combinée de fonderies de semi-conducteurs à l’étranger pour fabriquer la galette de base de la puce avec les infrastructures de recherche et la fabrication locales a été essentielle pour développer ce circuit intégré photonique. » 

– a déclaré le Dr Alvaro Casas Bedoy, directeur adjoint pour l’intégration photonique à l’école de physique

Cette nouvelle puce de silicium compacte étend considérablement la bande passante radiofréquence (RF) et peut contrôler avec précision les informations qui transitent par l’unité. On peut voir son application dans des radars avancés, des réseaux sans fil, des satellites et le déploiement des télécommunications 6G et 7G. Cela signifie également des appareils qui peuvent s’adapter à diverses applications, les rendant applicables dans une large gamme de scénarios.

Selon les chercheurs, cette capacité améliorée peut également aider à la fabrication souveraine avancée et à la création de usines à haute valeur ajoutée sans dépendre exclusivement des fabricants internationaux. 

Cette invention, selon le vice-recteur Professor Ben Eggleton, est une avancée significative dans la recherche de la photonique des micro-ondes et de la photonique intégrée. La puce offre une bande passante de 15 gigahertz de fréquences tunables avec une résolution spectrale impressionnante.

Il a expliqué comment « la photonique des micro-ondes joue un rôle crucial dans les applications modernes de communication et de radar, offrant la flexibilité de filtrer avec précision différentes fréquences, en réduisant les interférences électromagnétiques et en améliorant la qualité du signal ». De plus, en intégrant des fonctionnalités avancées dans les puces de silicium (verre de chalcogénure avec du silicium), Eggleton croit qu’il peut « remodeler le paysage des semi-conducteurs locaux ».

Les principaux fabricants de semi-conducteurs

Étant donné tout ce qui se passe dans l’industrie des semi-conducteurs, regardons maintenant quelques-uns des principaux fabricants de semi-conducteurs :

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

La plus grande fonderie de semi-conducteurs au monde est engagée dans la fabrication de circuits intégrés pour le compte de clients. Avec une capitalisation boursière de 523,56 milliards de dollars, les actions de l’entreprise sont actuellement negociées à 100,75 dollars, en hausse de 35,52 % cette année. Le chiffre d’affaires de TSM (TTM) a été de 68,86 milliards de dollars, le bénéfice par action (TTM) de 5,36 dollars et le ratio cours/bénéfice (TTM) de 18,84 dollars, tandis qu’il offre un rendement des dividendes de 1,81 %.

TSMC est actuellement sur la voie de la production de volume de ses puces N2 (2 nanomètres), qui, selon l’entreprise, « seront la technologie de semi-conducteur la plus avancée de l’industrie en termes de densité et d’efficacité énergétique lors de leur introduction ». Le fabricant de semi-conducteurs travaille également sur son expansion mondiale, qui a commencé il y a quelques années avec une nouvelle usine en Arizona et qui inclut maintenant le Japon et l’Allemagne.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Cette société de semi-conducteurs mondiale a une capitalisation boursière de 217,13 milliards de dollars, ses actions étant negociées à 133,52 dollars, en hausse de 107,52 % cette année. Le chiffre d’affaires d’AMD (TTM) a été de 22,11 milliards de dollars et le bénéfice par action (TTM) de 0,13 dollar, mais aucune dividendes n’est offert.

Récemment, Advanced Micro a dévoilé ses nouvelles puces d’IA de la gamme MI300 très attendue pour concurrencer les processeurs d’IA phare de Nvidia, qui contrôle environ 80 % du marché des puces d’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 révisé à la hausse la prévision de son marché adressable pour les puces d’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 à l’industrie des semi-conducteurs, affiche une capitalisation boursière de 129,78 milliards de dollars. Réfléchissant son statut, les actions de la plus grande entreprise d’équipement de semi-conducteurs aux États-Unis sont actuellement negociées à 156,50 dollars, marquant une impressionnante hausse de 59,3 % cette année. Sur le plan financier, AMAT a rapporté un chiffre d’affaires (TTM) de 26,51 milliards de dollars, un bénéfice par action (TTM) de 8,11 dollars et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 19,12 dollars, ainsi qu’un rendement des dividendes de 0,83 %.

Cependant, Applied Materials navigue actuellement dans des eaux troubles car elle fait l’objet d’une enquête criminelle des États-Unis pour avoir prétendument envoyé du matériel au premier fabricant de puces de Chine, SMIC, contournant potentiellement les restrictions à l’exportation. Cette situation se produit alors que le gouvernement américain a interdit non seulement les expéditions de puces avancées mais aussi d’équipement vers la Chine. Dans un mouvement indiquant ses ambitions mondiales et son expansion stratégique, Applied Materials a annoncé plus tôt cette année son intention d’investir 400 millions de dollars sur quatre ans pour établir un centre d’ingénierie collaborative en Inde.

4. ASML Holding NV 

ASML, basé aux Pays-Bas, fournit des systèmes de lithographie avancés utilisés par les fabricants de puces tels que TSMC, Samsung et Intel pour ajouter de la connectique aux wafers de silicium. Il a une capitalisation boursière de 286,32 milliards de dollars, tandis que ses actions sont negociées à 714,42 dollars, en hausse de 30 % depuis le début de l’année, avec un chiffre d’affaires (TTM) de 28,871 milliards de dollars, un bénéfice par action (TTM) de 20,42 dollars et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 34,78 dollars. Le rendement des dividendes offert est de 0,91 %.

Récemment, la société a publié ses bénéfices du troisième trimestre, qui s’élevaient à juste au-dessus de 2 milliards de dollars, le PDG Peter Wennink déclarant : « L’industrie des semi-conducteurs traverse actuellement le fond du cycle, et nos clients s’attendent à ce que le point d’inflexion soit visible d’ici la fin de l’année. »

Conclusion

Les semi-conducteurs sont un composant essentiel des appareils qui font partie intégrante de notre vie. C’est en fait la colonne vertébrale du secteur technologique prospère. Et à mesure que la demande de semi-conducteurs continue de croître, elle conduit à des puces encore plus petites, plus rapides et plus efficaces en termes d’énergie. Toutes ces avancées et innovations permettront ensuite le développement de nouveaux types d’appareils et d’applications qui étaient précédemment impossibles !