(Après la partie I : Conception de circuits intégrés)

Quatrièmement, sur la fabrication de circuits intégrés

(I) Estimations de base de Citigroup sur l'industrie de fabrication de circuits intégrés

Les produits semi-conducteurs sont au cœur de presque tous les secteurs de l’économie, notamment l’énergie, les soins de santé, l’agriculture, l’électronique grand public, la fabrication et les transports. La demande mondiale d'utilisation finale de semi-conducteurs en 2019 est la suivante : téléphones mobiles (26 %), infrastructures d'information et de communication (y compris les centres de données et les réseaux de communication) (24 %) ; Informatique (19 %), industrie (12 %), automobile (10 %) et électronique grand public (10 %).

Parmi ces diverses applications, environ 9 % prennent directement en charge les applications de sécurité nationale et d’infrastructures critiques. Ces principales utilisations finales de produits semi-conducteurs comprennent l'aérospatiale, les réseaux de télécommunications, l'énergie et les services publics, les soins de santé et les services financiers. et d'autres utilisations gouvernementales représentent un peu plus de 1 % de la consommation mondiale de semi-conducteurs.

La part des États-Unis dans la production mondiale de semi-conducteurs est passée de 37 pour cent en 1990 à 12 pour cent aujourd’hui, et devrait encore diminuer sans une stratégie américaine globale de soutien à l’industrie.

La capacité manufacturière américaine est insuffisante : la capacité manufacturière américaine est en déclin depuis des décennies. La première décennie de ce siècle a été particulièrement dévastatrice pour le secteur manufacturier américain, avec la perte d’un tiers des emplois manufacturiers entre 2000 et 2010. Les petites et moyennes entreprises (PME) ont été particulièrement durement touchées. Une partie de cette baisse peut être attribuée à la concurrence des pays à bas salaires. Les économistes estiment qu'environ 25 pour cent des pertes d'emplois peuvent être attribuées à la montée en puissance de la Chine, surtout après que le pays a rejoint l'Organisation mondiale du commerce. Mais les États-Unis ont également vu la croissance de leur productivité intérieure stagner par rapport à leurs pairs économiques, par exemple en étant à la traîne par rapport à l’Allemagne en moyenne et dans la plupart des secteurs. Aujourd’hui, aux États-Unis, les petites entreprises sont généralement moins productives que les grands fabricants. Contrairement à la croyance populaire selon laquelle l’intelligence artificielle et la robotique sont à nos portes, les fabricants américains de petites et moyennes entreprises sous-investissent dans les nouvelles technologies améliorant la productivité. La perte de capacité de production entraîne une perte de capacité d’innovation. La capacité de fabrication est le fondement de l’innovation produit. Une fois la capacité d’innovation perdue, il est difficile de la reconstruire. Lorsque la capacité des circuits INTÉGRÉS s'est déplacée à l'étranger au cours des dernières décennies, la recherche et le développement et la chaîne d'approvisionnement industrielle au sens large ont souvent suivi.

(2) Chaîne d'approvisionnement de produits semi-conducteurs

De la conception au conditionnement en passant par l'intégration dans les produits électroniques finaux achetés par les clients, la chaîne industrielle est extrêmement complexe et géographiquement dispersée. Un processus typique de production de semi-conducteurs inclut plusieurs pays et les produits peuvent traverser les frontières internationales 70 fois en raison de la spécialisation de l'entreprise dans des liens spécifiques. L'ensemble du processus prend jusqu'à 100 jours, dont 12 jours sont transférés entre les maillons de la chaîne d'approvisionnement. Ce qui suit est une représentation simple de la chaîne d’approvisionnement.

La petite taille et le poids léger des produits semi-conducteurs sont des facteurs importants dans la réalisation d’une chaîne d’approvisionnement inter-géographique aussi complexe. Le coût d’expédition des produits semi-conducteurs est faible par rapport à leur valeur. Toutefois, cela signifie également que la perturbation des itinéraires de transport peut présenter un risque pour la chaîne d’approvisionnement. Différents modes de transport (par exemple aérien, maritime, camion) doivent être utilisés dans la chaîne, en fonction de l'étape et de la distance à parcourir, ainsi que de la nature du produit. Dans certains cas, le transport nécessite également une manipulation spécialisée, comme la manipulation de gaz et de produits chimiques dangereux et de haute pureté utilisés dans la fabrication, ou la protection des équipements électroniques sensibles contre les dommages.

Fabrication de semi-conducteurs : structure industrielle

Les usines qui traitent des plaquettes et fabriquent des circuits intégrés ont deux modèles commerciaux de base. La première est une entreprise de semi-conducteurs intégrée verticalement ou une entreprise IDM. Ils réalisent en interne toutes les étapes du processus de conception et de fabrication des produits semi-conducteurs, de la conception aux tests finaux. Les sociétés IDM représentent environ les deux tiers de la capacité mondiale de semi-conducteurs. Bien qu'Intel, la principale société IDM aux États-Unis, produise principalement des dispositifs logiques, la plupart des autres sociétés IDM produisent principalement des puces mémoire telles que des DRAM, des dispositifs discrets et des circuits intégrés analogiques. Outre Intel, les États-Unis abritent plusieurs des plus grandes sociétés IDM au monde, notamment Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, sur les semi-conducteurs et Texas Instruments. Il convient de noter que même si ces entreprises ont leur siège social aux États-Unis, elles fabriquent leurs produits finaux dans des usines du monde entier. Outre les États-Unis, Intel possède par exemple des usines de traitement de plaquettes en Israël, en Irlande et en Chine. Et Samsung, qui est basée en Corée du Sud, et d'autres sociétés étrangères (non américaines) ont des usines de puces aux États-Unis en plus de leurs usines à l'étranger (non américaines). Selon le rapport de la SIA, 44 % de la capacité des entreprises américaines de semi-conducteurs se trouve aux États-Unis. Dans l'ensemble, les entreprises IDM aux États-Unis représentaient 51 % du chiffre d'affaires total d'exploitation des fabricants mondiaux d'IDM en 2020. Les États-Unis sont particulièrement forts dans les circuits intégrés logiques numériques et les circuits intégrés analogiques.

Il existe d'autres entreprises leaders de produits semi-conducteurs plus américaines (par exemple, AMD, nvidia, broadcom et qualcomm et game spirit). par les entreprises de fonderie dans la fabrication et la transformation de produits à puce. Ces fonderies tierces sont classées comme « fonderies de semi-conducteurs purs » car elles ne conçoivent ni ne vendent leurs propres produits de puces, mais agissent plutôt en tant que fabricants sous contrat pour des entreprises de semi-conducteurs sans usine (ces fonderies fournissent parfois une capacité supplémentaire ou produisent autrement certaines puces pour l'IDM). vendeurs). Certaines sociétés IDM, notamment Samsung, fournissent également des services de traitement aux sociétés de semi-conducteurs sans usine.

Avec les progrès technologiques et l'envolée des coûts de construction et de maintenance des usines de semi-conducteurs de pointe, le modèle « entreprise sans usine + fonderie » se généralise. Les avancées constantes dans la fabrication de puces exigent des équipements de production entièrement nouveaux et toujours plus onéreux. Les usines de pointe (avec une finesse de gravure de 5 nm) coûtent au moins 12 milliards de dollars. Une seule machine de lithographie ultraviolette extrême (EUV), nécessaire pour les technologies de 5 nm et inférieures et souvent utilisée à 7 nm, peut coûter jusqu'à 150 millions de dollars. Outre les machines de photolithographie, les usines nécessitent de nombreux autres équipements. On estime que l'investissement nécessaire pour la prochaine génération d'usines, fonctionnant avec une finesse de gravure de 3 nm, pourrait dépasser 20 milliards de dollars. De plus, après la mise en place de ces nouvelles usines, les coûts d'exploitation seront très élevés et nécessiteront des investissements continus et importants. Il est également indispensable de maintenir les technologies de pointe requises par les concepteurs de procédés pour assurer la production aux nœuds technologiques les plus avancés. Les fonderies spécialisées bénéficient d'économies d'échelle qui leur permettent d'absorber les coûts considérables des usines de semi-conducteurs grâce à un taux d'utilisation des capacités élevé et efficace. Selon la SIA, elles représentent environ un tiers de la capacité mondiale de production de puces, dont près de 80 % sont consacrées à la production de puces logiques. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), première fonderie de plaquettes au monde, a été fondée en 1987 et domine aujourd'hui le marché.

Le marché de la sous-traitance est dominé par les entreprises taïwanaises, TSMC représentant à elle seule 53 % du marché. Au total, les fonderies taïwanaises représentent 63 % du marché mondial de la fonderie. La Corée du Sud représente 18 % et la Chine 6 %. GlobalFoundries, fonderie américaine détenue par Abou Dhabi, détient 7 % du marché, soit plus de la moitié des 13 % restants.

Comme indiqué précédemment, bien que les États-Unis détiennent une part de marché importante dans le secteur des puces produites par les entreprises IDM, ils ne représentent qu'environ 10 % des revenus mondiaux de la fonderie. Les fonderies asiatiques, quant à elles, représentent près de 80 % du total. Taïwan, à elle seule, représente 63 % de la sous-traitance mondiale. Ainsi, malgré le leadership des États-Unis dans la conception de semi-conducteurs, leurs entreprises nationales sans usine dépendent fortement de sous-traitants étrangers, principalement asiatiques, pour la fabrication de leurs produits. Si ce modèle de sous-traitance convient aux circuits intégrés destinés à des applications commerciales à grand volume, de nombreuses applications connexes sont produites en petites séries, ce qui rend l'adoption de technologies de fabrication de semi-conducteurs avancées pour ces applications incertaine et complexe.

Aux États-Unis, la grande majorité de la production de semi-conducteurs (qu'il s'agisse de fabricants intégrés ou de fonderies) est réalisée à l'étranger : à Taïwan, en Corée du Sud, au Japon, en Chine et aux États-Unis. Environ 12 % de la capacité mondiale de production de semi-conducteurs se trouve aux États-Unis, contre 37 % dans les années 1990. En 2019, Taïwan représentait environ 20 % de la capacité mondiale installée, suivi par la Corée du Sud avec 19 %. Le Japon représentait 17 %, la Chine 16 % et l'Europe 9 %. Les 6 % restants de la capacité sont situés à Singapour, en Israël et dans d'autres régions du monde.

Sur les 40 principales usines de fabrication de semi-conducteurs situées aux États-Unis, la moitié (20) utilisent des tranches de 300 mm (12 pouces) ; D'autres productions utilisent des tranches de 200 mm (8 pouces) ou moins. Entre 2009 et 2018, plus de 100 usines de fabrication de plaquettes de 150 à 200 mm ont fermé leurs portes dans le monde, dont 70 % aux États-Unis et au Japon. Selon IC Insights, pas moins de 68 usines de fabrication de plaquettes ont plusieurs dizaines d’années, ce qui dépasse leur durée de vie raisonnable. Les usines fermées sont en partie remplacées par de nouvelles installations plus rentables ou modernisées ; Certaines usines de fabrication sont également trop coûteuses à exploiter, et les entreprises se tournent vers les usines légères ou les modèles commerciaux sans usine.

Au niveau national, six entreprises exploitent 20 usines de fabrication de 300 mm dans huit États, comme détaillé dans le tableau ci-dessous. Outre Skorpios, cinq autres sociétés exploitent également des usines de plaquettes en dehors des États-Unis.

Comme indiqué précédemment, Intel possède des usines de semi-conducteurs en Israël, en Irlande et en Chine. Outre ses usines aux États-Unis, Micron en exploite à Singapour, au Japon et à Taïwan. Texas Instruments produit des plaquettes de silicium en Chine, en Malaisie, à Taïwan, aux Philippines et au Texas. GlobalFoundries, premier fondeur de plaquettes de silicium aux États-Unis, appartient à l'émirat d'Abou Dhabi via le fonds souverain Mubadala et possède des sites de production en Allemagne et à Singapour. En 2019, l'entreprise a renoncé à son projet d'ouverture d'une usine à Chengdu, en Chine.

Même si la capacité de fabrication de puces aux États-Unis est relativement stable, la capacité et la production en dehors des États-Unis sont en croissance, notamment en Asie. En conséquence, la SIA prévoit que la part des États-Unis dans la capacité de production de semi-conducteurs tombera à 10 pour cent d'ici 2030, tandis que celle de l'Asie atteindra 83 pour cent. En 2019, aucune des six nouvelles usines de fabrication de semi-conducteurs ouvertes dans le monde ne se trouvait aux États-Unis, mais quatre en Chine.

Comme indiqué dans la section « Conception » de ce rapport, trois principaux types de puces sont couverts : mémoire, logique ou numérique et analogique. Comme le montre le graphique ci-dessous, différentes régions du monde se spécialisent dans différents domaines. Par exemple, seulement 5 % des puces mémoire sont produites aux États-Unis, contre 44 % en Corée du Sud et 14 % en Chine continentale. De mémoire, la Chine s’est concentrée sur l’expansion rapide de Changjiang Storage, en allouant 24 milliards de dollars de subventions à l’entreprise (pour la seule usine de Wuhan). Son expansion et ses produits à bas prix constituent une menace directe pour MICron et Western Digital, les fabricants américains de puces mémoire.

Dans le domaine des puces logiques ou numériques (telles que les microprocesseurs d'ordinateurs et de téléphones portables), les États-Unis ne produisent aucune puce gravée en moins de 10 nanomètres, tandis que Taïwan en détient 92 %. En revanche, pour les autres technologies de gravure, les États-Unis sont largement en tête : ils produisent 43 % des puces logiques les plus avancées (10-22 nm) et entre 6 % et 9 % de celles de la génération précédente (28 nm et plus).ove) les puces logiques sont produites aux États-Unis ; Taïwan produit 47 % de ces puces logiques, tandis que la Chine en produit environ 19 à 23 %. Enfin, pour le segment des composants analogiques/discrets, 19 % sont produits aux États-Unis, 17 % en Chine et environ 27 % en Corée.

(iv) Examen de la fabrication de circuits intégrés

Les États-Unis manquent de capacités de production au niveau technologique le plus avancé :

Les États-Unis manquent de capacités de production de semi-conducteurs pour les nœuds de processus de semi-conducteurs les plus avancés (actuellement 5 nanomètres), qui sont actuellement exploités uniquement par TSMC (Taïwan) et Samsung (Corée du Sud). Le FAB le plus avancé aux États-Unis est la ligne de traitement 10 nm exploitée par Intel, qui ne devrait pas entrer en production complète en 7 nm avant 2023, et a annoncé en janvier 2021 qu'elle utiliserait le 7 nm ou « amélioré » de TSMC. sous la ligne de production pour ses derniers produits de circuits logiques. En conséquence, les sociétés américaines de puces sans usine s’appuient désormais presque entièrement sur les producteurs asiatiques, en particulier TSMC, pour produire les puces les plus avancées (7 nm ou moins). Outre les risques liés à la chaîne d’approvisionnement causés par une production géographiquement concentrée, le manque de capacités technologiques nationales de pointe soulève des préoccupations en matière de sécurité nationale, car certaines applications nécessitent un accès sécurisé à une technologie de processus de pointe pour garantir la supériorité technologique.

Les revenus des ventes de produits à base de puces dépendent de la Chine :

Les fabricants de puces américains dépendent également fortement de leurs ventes en Chine en raison de sa domination dans la production électronique. La Chine est le plus grand marché de semi-conducteurs, dont la plupart sont réexportés au fur et à mesure de leur assemblage dans des terminaux électroniques, notamment des appareils électroniques et des appareils électroménagers grand public. Par exemple, le fournisseur de puces pour téléphones mobiles Qualcomm a réalisé les deux tiers de ses revenus en Chine, tandis que le fabricant de mémoires Micron a réalisé 57 % de ses revenus en Chine, selon les données de 2018 de The Economist. Intel a rapporté en 2020 que la Chine représentait 26 % de ses revenus. Une forte dépendance à l’égard des ventes chinoises donne au gouvernement chinois un levier économique et la possibilité de riposter contre les États-Unis.

La volonté de la Chine de devenir leader de l'industrie des semi-conducteurs :

La part de la Chine dans l'industrie mondiale des semi-conducteurs est relativement faible et ses entreprises fabriquent principalement des puces bas de gamme. SMIC, l'une des fonderies pures les plus avancées de Chine, ne peut produire que sur des nœuds de 14 nanomètres et dispose d'une capacité limitée. Cependant, la Chine est au milieu d’un effort majeur mené par l’État pour développer son industrie IDM indigène verticalement intégrée, dans le but de faire de cette industrie un leader dans tous les domaines d’ici 2030. La part de la Chine dans la capacité de production de plaquettes semi-conductrices s'élevait à 16 % en 2019, mais devrait atteindre 28 % d'ici 2030. Le gouvernement chinois accorde 100 milliards de dollars de subventions à son industrie des semi-conducteurs, notamment pour le développement de 60 nouvelles usines de fabrication. Comme indiqué dans la partie « conception » de la chaîne d'approvisionnement, la Chine a subventionné de manière agressive ses propres fabricants de puces mémoire pour rompre sa dépendance à l'égard des trois plus grandes sociétés de mémoire au monde : Samsung (Corée du Sud), SK Hynix (Corée du Sud) et Micron (États-Unis). ). Micron, une société américaine de mémoire, est un concurrent direct du stockage de Changjiang et sera probablement la première entreprise américaine à voir sa compétitivité et son innovation futures menacées par les subventions chinoises à ses concurrents.

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