Informatique
Exploiter les simulations pour ramener la fabrication de puces aux États-Unis
Bien que les microchips aient toujours été importants pour le monde moderne, ce n’est qu’après le choc de la chaîne d’approvisionnement de 2022 que les gouvernements et les industries ont pris conscience de leur importance cruciale pour l’économie mondiale. La pénurie était si grave que les industries n’avaient d’autre choix que d’arrêter leurs vastes lignes d’assemblage.
Alors, pourquoi les microchips sont-ils si importants pour l’économie mondiale ? En termes simples, les microchips sont l’épine dorsale de l’industrie technologique moderne, essentiels à tout, des ordinateurs personnels, smartphones, appareils de cuisine, voitures, dispositifs médicaux, et même chez certains animaux de compagnie pour des besoins d’identification.
Mais malgré cette importance cruciale, seuls quelques pays peuvent réellement fabriquer des microchips fonctionnels, car cette entreprise repousse les limites de l’ingénierie de précision et de l’innovation technologique. En effet, la fabrication de microchips n’est pas seulement une industrie à forte intensité de capital, elle nécessite également des travailleurs possédant un ensemble de compétences hautement spécialisées, incluant, sans s’y limiter, la physique, la science des matériaux et le génie électrique.
De plus, les installations où ces microchips sont fabriqués, appelées fabs, exigent des conditions environnementales strictes pour le processus de production. Cela implique le maintien de températures et de niveaux d’humidité spécifiques ainsi que la minimisation de la contamination autant que possible.
Même si de telles conditions idéales sont respectées, le processus de fabrication comporte plusieurs étapes, et chaque étape doit être exécutée à la perfection. Toute erreur peut rendre les microchips inutilisables.
De plus, les avancées technologiques continues exigent des puces plus petites et plus efficaces, exerçant une pression supplémentaire sur les fabs. Et au moment où elles maîtrisent la production d’une génération particulière de microchips, celles-ci peuvent déjà être obsolètes en raison d’un manque de demande.
De telles barrières massives rendent la fabrication de microchips à grande échelle un défi redoutable pour la plupart des pays, même pour ceux disposant des plus gros budgets.
Même les États-Unis, superpuissance technologique mondiale et leader en conception de semi-conducteurs, ne sont pas en tête lorsqu’il s’agit de la fabrication de microchips, ce poste convoité revenant à Taïwan. Cela résulte de l’investissement de plusieurs décennies de Taïwan dans la fabrication de semi-conducteurs et de la présence d’entreprises comme Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).
Ces complexités montrent à quel point il est difficile d’atteindre l’autosuffisance en matière de microchips. Cependant, selon un article récemment publié sur le site du Princeton Plasma Physics Laboratory du Département de l’Énergie des États-Unis, ses scientifiques développent des programmes informatiques qui amélioreront considérablement la simulation des processus de plasma utilisés dans la fabrication de microchips.
Ces nouveaux algorithmes peuvent surpasser les techniques de simulation traditionnelles en termes de précision et d’efficacité, accélérant le processus de production de microchips et, à leur tour, aidant à ramener la fabrication de puces aux États-Unis.
Une double approche
Le Princeton Plasma Physics Laboratory a mené deux recherches simultanément, et leurs domaines d’intérêt différaient en termes d’objectifs.
- La première recherche s’est concentrée sur l’amélioration de la précision de ces simulations.
- Le deuxième objectif de recherche était d’accélérer les délais de simulation des réacteurs à plasma utilisés dans la fabrication de microchips.
Le besoin de rapidité et de précision dans les simulations de plasma
Les motifs complexes gravés sur les plaquettes de silicium pour créer des microchips sont principalement produits à l’aide de réacteurs à plasma. La procédure dépend du comportement du plasma, un gaz chargé électriquement qui doit être soigneusement contrôlé pour obtenir le résultat souhaité.
Traditionnellement, stimuler le processus de plasma pour prévoir les résultats et améliorer les méthodes de production a été une tâche laborieuse et chronophage. C’est là que la première recherche du PPPL entre en jeu. Elle vise à changer cette situation en créant des algorithmes informatiques qui peuvent réduire considérablement le temps nécessaire à ces simulations.
Et ils ont réussi, leur équipe ayant réduit le délai de simulation de semaines à potentiellement des jours, voire des heures, sans sacrifier de détails significatifs. Quant à la manière dont les scientifiques du PPPL ont procédé, ils ont revisité l’histoire et affiné les anciens algorithmes, notamment ceux créés dans les années 1980, pour obtenir les résultats souhaités.
Améliorer la précision des simulations
Dans leur deuxième axe de recherche, l’équipe de chercheurs du PPPL a abordé le problème de la précision des simulations. Étant donné la complexité du comportement du plasma, garantir que les simulations reflètent fidèlement les réactions du monde réel est crucial pour des méthodes de production de microchips efficaces. Cependant, le besoin d’un important effort de calcul pour simuler avec précision le comportement d’innombrables particules de plasma a historiquement été très difficile.
Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche du PPPL a simplifié la représentation des particules de plasma dans les simulations. Plutôt que d’essayer de prendre en compte chaque particule individuellement, ils ont développé une méthode pour les regrouper en entités plus grandes et plus faciles à gérer. Cette approche réduit considérablement la charge computationnelle, menant à des simulations plus rapides et plus accessibles.
Initialement, cependant, cette simplification risquait de déformer la véritable dynamique du comportement du plasma, pouvant conduire à des prévisions moins précises. Afin de contourner cet obstacle, les chercheurs ont ajusté les paramètres de la simulation, rendant ces agrégats de particules plus grands et moins denses. Cette modification garantit que les prévisions de la simulation restent intactes, car les interactions entre particules imiteront plus fidèlement celles du plasma réel.
Cet équilibre soigneux entre précision et simplification détient un potentiel important pour améliorer les processus de fabrication de microchips.
Un catalyseur de changement
La recherche du PPPL a une importance au-delà du domaine technique, car elle a des implications pour la dynamique stratégique du marché mondial des semi-conducteurs, en particulier pour les États-Unis. En effet, cette découverte a le potentiel de redéfinir le paysage de la fabrication de microchips aux États-Unis en fournissant des outils pouvant réduire le temps et les coûts liés à la production de microchips. La capacité à s’adapter rapidement et à améliorer les processus de production est cruciale dans une industrie où le leadership du marché dépend souvent du rythme de l’innovation.
De plus, la disponibilité d’outils de simulation avancés pourrait niveler le terrain de jeu en permettant aux startups et petites entreprises américaines de concurrencer plus efficacement les géants mondiaux établis. Cela pourrait déclencher une vague d’innovation au sein du secteur américain des semi-conducteurs à mesure que davantage d’entreprises entrent sur le marché et offrent de nouvelles idées et méthodologies pour concevoir et produire des microchips.
Renforcer la sécurité nationale et la résilience économique
Les bouleversements mondiaux actuels et les tensions géopolitiques ont rendu les chaînes d’approvisionnement vulnérables. Cette dépendance à l’égard d’autres pays pour des composants essentiels comme les microchips représente un risque national. Les États-Unis ont pris conscience de l’ampleur de ce risque lors du choc d’approvisionnement en semi-conducteurs de 2022, concluant que toute interruption de l’approvisionnement en microchips pourrait gravement affecter la domination mondiale de l’industrie technologique américaine.
L’étude du PPPL s’aligne sur des initiatives gouvernementales plus larges, telles que la loi CHIPS, qui vise à restaurer la domination américaine dans l’industrie des semi-conducteurs. Adoptée le 9 août 2022, sous le nom de CHIPS and Science Act, elle alloue près de 280 milliards de dollars de financement pour renforcer la fabrication nationale de semi-conducteurs et réduire la dépendance aux sources étrangères. Le financement soutient la recherche et le développement, les incitations à la fabrication domestique et les mesures de renforcement de la chaîne d’approvisionnement.
Le passage à la sécurisation et à la revitalisation de nos capacités en semi-conducteurs ne concerne pas seulement le maintien de la résilience économique et de la sécurité nationale ; c’est également une étape cruciale pour préparer la prochaine révolution dans la fabrication et la technologie — l’Industrie 4.0.
Construire le pilier clé pour l’Industrie 4.0
IBM considère l’Industrie 4.0 comme un domaine où la fabrication intelligente jouera un rôle pivot. En d’autres termes, l’Industrie 4.0 vise à transformer numériquement le secteur de la fabrication, où les décisions seront prises en temps réel, améliorant la productivité afin d’atteindre l’objectif ultime de rendre le processus de production et de distribution optimalement flexible et agile.
Pour que les États-Unis deviennent un leader de l’Industrie 4.0, les microchips seront plus que nécessaires. Une étude de Goldman Sachs a déjà montré que les pénuries de microchips pourraient affecter jusqu’à 169 industries, y compris la med-tech, les machines agricoles, l’électronique grand public, l’énergie et les entreprises. En 2021, par exemple, la célèbre entreprise automobile Renault n’a pas pu produire jusqu’à 500 000 voitures en raison du manque de microchips.
Cette vulnérabilité souligne la nature critique du problème, car une dépendance accrue à Taïwan, comme mentionné précédemment, pourrait entraîner une rupture soudaine de la chaîne d’approvisionnement, comme cela s’est produit pendant la pandémie de COVID-19, ce qui provoquerait l’effondrement complet du système.
L’avenir des États-Unis dans la production de microchips
Les États-Unis ont bien compris à quel point les microchips pourraient être cruciaux pour un avenir économique résilient et autonome. Cette prise de conscience a conduit le pays à encourager des systèmes où le résultat est des microchips de première classe.
L’Université George Washington et quatre autres partenaires de recherche académique, par exemple, ont collaboré avec le National Institute for Standards and Technology du Département du Commerce des États-Unis, Google et le fabricant de semi-conducteurs SkyWater Technology pour développer un « approvisionnement domestique, abordable de tels microchips pour les chercheurs et les startups.
Cette collaboration vise à produire des plaquettes de silicium qui accueilleront des centaines de microchips à distribuer au sein de la communauté. Les chercheurs auront accès à une plateforme de puces pré-planarisées, qui est « adaptée à l’intégration et à l’évaluation des performances de leurs nouveaux dispositifs par rapport à d’autres dispositifs de la communauté ».
Selon Gina Adam, professeure assistante au département d’ingénierie électrique et informatique de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de GW, le partenariat fournira :
« L’infrastructure de recherche nécessaire pour réaliser des avancées dans le domaine de la nanotechnologie et des dispositifs semi-conducteurs, en particulier alors que les États-Unis réorientent leur stratégie vers le rapatriement de la production de microchips. »
Pour stimuler la production nationale de microchips, le gouvernement des États-Unis a déclaré son intention d’investir près de 162 millions de dollars US dans Microchip Technology, dont le siège est en Arizona. La collaboration entre l’entreprise, le gouvernement américain et la société prendra la forme d’un accord de protocole d’entente préliminaire non contraignant (PMT).
Le gouvernement américain fournira des millions en « incitations fédérales », qui seront répartis en deux flux : 90 millions de dollars seront consacrés à la modernisation et à l’extension de l’installation de fabrication de l’entreprise à Colorado Springs, et les 72 millions restants seront destinés à l’extension de l’installation de l’entreprise à Gresham, Oregon.
Un financement similaire de 35 millions de dollars US avait été précédemment offert à BAE Systems Electronic Systems, une unité commerciale de BAE Systems, Inc. L’objectif était de soutenir la modernisation du Centre de microélectronique de l’entreprise.
En résumé, les États-Unis sont devenus visiblement actifs, tant au niveau des politiques que de l’exécution, pour encourager la production de microchips dans le pays. Et ils ont toutes les raisons d’être actifs avec une telle vigueur et intensité. Il n’est pas seulement essentiel de maintenir les chaînes d’approvisionnement des ordinateurs, smartphones et voitures sans perturbation. Comme nous l’avons déjà constaté, la présence de microchips peut renforcer les mécanismes de sécurité nationale et les structures de cybersécurité.
L’approche à 360 degrés des autorités américaines prend en compte la nécessité d’inciter la fabrication, d’encourager la recherche et le développement, de former une main-d’œuvre qualifiée et de renforcer les activités liées à la sécurité des technologies de l’information et de la communication internationales ainsi qu’à la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs.
Les milliards de dollars que les autorités américaines sont prêtes à investir pour faire de la production de microchips une entreprise nationale prospère ont également réussi à attirer des acteurs mondiaux.
Par exemple, le plus grand et le plus important acteur du secteur, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), s’est engagé à investir plus de 12 milliards de dollars US pour construire une usine de fabrication de semi-conducteurs en Arizona. Intel prévoit de construire une usine de fabrication de semi-conducteurs de 20 milliards de dollars US dans l’Ohio. Micron Technology, Inc. a des plans encore plus ambitieux, proposant d’investir jusqu’à 100 milliards de dollars US au cours des deux prochaines décennies pour construire une immense usine de semi-conducteurs dans le nord de l’État de New York.
Avec toutes ces initiatives et plans d’action en place, il n’y a aucune raison pour que les États-Unis prennent du retard dans la course à la production de microchips. Cependant, pour concurrencer les pays d’Asie de l’Est qui détiennent près des trois quarts de la fabrication mondiale de puces modernes, les États-Unis devront construire un pipeline solide de talents et de chaîne d’approvisionnement. Ils devront également être conscients de la demande afin de rester protégés contre les risques de surcapacité et d’excès d’offre. De plus, l’accent doit rester mis sur la priorité de la production des bons types de puces.
Selon Scott Kenedy, conseiller principal au Center for Strategic and International Studies :
« Les États-Unis doivent effectivement augmenter la production de puces pour un type spécifique de puces directement liées à la sécurité nationale américaine. »
Que les États-Unis parviennent à augmenter la fabrication de microchips, et ce, de manière optimisée, est quelque chose que nous devrons surveiller de près.
