Les semi-conducteurs sont le fondement et le moteur du développement rapide de l'industrie informatique actuelle. Ils sont largement présents et intégrés dans divers domaines du développement économique et social. Leur niveau technologique et leur ampleur de développement sont devenus des indicateurs importants de la compétitivité industrielle et de la puissance nationale globale d'un pays.

En 2020, en raison de l'impact de l'épidémie de COVID-19, l'économie mondiale a connu une récession. Cependant, le marché mondial des semi-conducteurs a enregistré une croissance à contre-courant, portée par des besoins tels que le télétravail, l'enseignement à distance et les réunions virtuelles. En 2020, ce marché a atteint 440 milliards de dollars américains, soit une hausse de 6.8 % par rapport à l'année précédente. Les produits semi-conducteurs, notamment les puces mémoire et les puces spécialisées, ont amorcé une phase de forte croissance. La demande sur le marché chinois des circuits intégrés est restée soutenue, avec des ventes annuelles atteignant 1 633,97 milliards de yuans, soit une augmentation de 8.26 % par rapport à l'année précédente. La taille du marché devrait encore progresser en 2021.

Un modèle de développement « en spirale ascendante »

Le marché mondial des semi-conducteurs suit une trajectoire ascendante et connaîtra une reprise plus marquée après des phases de ralentissement ou de repli. En 2000, l'éclatement de la bulle Internet a plongé le secteur des semi-conducteurs dans une période d'ajustement de deux ans. Par la suite, grâce à l'accumulation d'énergie et à l'introduction des plaquettes de silicium de 12 pouces, le marché s'est développé rapidement. Le déclenchement de la crise financière mondiale au quatrième trimestre 2008 a entraîné une brève période d'ajustement pour ce marché.

Depuis 2010, l'essor des terminaux mobiles tels que l'iPhone et l'iPad a inauguré l'ère de l'Internet mobile et le marché des semi-conducteurs a connu une croissance historique. Porté par l'essor du marché de la mémoire, le marché mondial des semi-conducteurs a dépassé les 400 milliards de dollars américains en 2017. Au second semestre 2018, ce marché est entré dans une nouvelle phase d'ajustement. En 2019, le ralentissement de la croissance de la demande en stockage SSD, smartphones et PC, conjugué à des stocks importants et à une baisse de la demande mondiale de semi-conducteurs, a entraîné une diminution des prix sur le marché de la mémoire. Conjuguée à l'incertitude accrue liée aux tensions commerciales internationales, cette baisse de 12.0 % a également contribué à la forte contraction du marché mondial des semi-conducteurs en 2019. Il s'agit du recul le plus important enregistré sur ce marché ces 15 dernières années.

En 2020, malgré l'impact de la pandémie de COVID-19, le marché mondial des semi-conducteurs a connu une forte reprise, atteignant 440 milliards de dollars américains, soit une hausse de 6.8 % par rapport à l'année précédente. Les produits semi-conducteurs, notamment les puces de mémoire et les puces à usage spécifique, ont connu une croissance fulgurante. Au sein du secteur, la plus forte progression a été enregistrée pour les puces logiques (11.1 %), suivies par les capteurs (10.7 %) et la mémoire (10.4 %).

Du point de vue de la structure régionale, la Chine est le premier marché mondial de semi-conducteurs depuis plusieurs années consécutives. En 2020, sa part de marché a atteint un pic de 34.4 %. Les parts des États-Unis, de l'Europe, du Japon et des autres marchés s'élèvent respectivement à 21.7 %, 8.5 %, 8.3 % et 27.1 %. Le marché américain a enregistré une forte croissance de 21.3 %, tandis que la région Asie-Pacifique a progressé de 5.1 %. Le marché japonais a connu une croissance modérée de 1.3 %, et le marché européen a reculé de 5.8 %. La forte croissance du marché américain s'explique par le recul qu'il a subi en 2019, avec une baisse de 23.7 %, soit 11.7 points de pourcentage de plus que la moyenne mondiale. Le Japon a également reculé de 10.0 %, tandis que l'Europe, la Chine et les autres régions ont enregistré des baisses respectives de 7.4 %, 9.3 % et 8.8 %.

Impactées par l'épidémie, des applications telles que le travail de bureau et l'enseignement à distance ont connu une croissance fulgurante, entraînant une reprise rapide du marché des produits de communication et informatiques. En 2020, les communications et l'informatique représentaient encore la plus grande part de la consommation de semi-conducteurs au monde, avec des parts de marché respectives de 33.5 % et 29.1 %. Grâce à la popularité des applications 4G et 5G, la part de marché des puces de communication est passée de 22.2 % en 2010 à 33.5 % en 2020. Parallèlement, la part de marché des PC continue d'être dépassée par celle des nouveaux produits électroniques tels que les smartphones et les tablettes, qui ont reculé de 40.9 % en 2010 à 29.1 % en 2019.

La concurrence sur le marché s'intensifie de plus en plus.

Pour le marché mondial des semi-conducteurs, l'année 2020 est à suivre de près. La nouvelle puce 2 nm développée par IBM est particulièrement prometteuse. Cette puce est construite à partir de transistors empilés en nanofeuilles, appelés transistors GAA. Comparée à la technologie 7 nm la plus avancée actuellement, elle offre une amélioration des performances de 45 % ou une réduction de la consommation d'énergie de 75 %. IBM affirme que la technologie 2 nm permet d'intégrer jusqu'à 50 milliards de transistors dans une puce de la taille d'un ongle.

Le chiffre d'affaires des entreprises de semi-conducteurs est également au cœur des préoccupations du secteur. En 2020, parmi les dix premières entreprises mondiales du secteur, six étaient américaines. En termes de chiffre d'affaires total, ces six entreprises représentaient 59.2 % de la valeur totale des dix premières, tandis que les deux entreprises sud-coréennes en représentaient 32.4 %.

Du point de vue de la chaîne de valeur, parmi les dix premières entreprises de semi-conducteurs au monde en 2020, on compte 6 entreprises IDM (Integrated Design Manufacturers) avec un chiffre d'affaires total de 197.09 milliards de dollars américains, représentant 78.3 % du chiffre d'affaires total des dix premières entreprises ; et 4 entreprises de conception avec un chiffre d'affaires total de 54.70 milliards de dollars américains, représentant 21.7 % du chiffre d'affaires total des dix premières entreprises.

En 2020, Intel a conservé sa position de leader mondial en termes de chiffre d'affaires parmi les entreprises de semi-conducteurs. Avec un chiffre d'affaires de 70.244 milliards de dollars américains, soit une hausse de 3.7 % par rapport à l'année précédente, Intel a maintenu sa place de premier fournisseur mondial de semi-conducteurs. Cette performance a été portée par la croissance de ses activités principales, les processeurs pour ordinateurs clients et serveurs. Parmi les dix premières entreprises mondiales de semi-conducteurs en 2020, MediaTek a enregistré la plus forte progression, suivie de Nvidia et Qualcomm. Texas Instruments a été la seule entreprise à voir son chiffre d'affaires diminuer.

Cette année, concernant les dépenses mondiales de R&D dans le secteur des semi-conducteurs, les investissements des dix plus grandes entreprises ont progressé de 11 %, atteignant 43.5 milliards de dollars américains, soit 64 % du total du secteur. Cela témoigne d'une concentration accrue du marché entre les mains des entreprises leaders et d'une concurrence plus intense.

Au cours du second semestre 2020, cinq fusions-acquisitions majeures et plus d'une dizaine de fusions-acquisitions de moindre envergure ont eu lieu dans le secteur mondial des semi-conducteurs, pour un montant record de 118 milliards de dollars américains. 2020 est ainsi devenue l'année enregistrant le plus fort volume de transactions de l'histoire des fusions-acquisitions dans ce secteur. Cependant, ces opérations n'ont pas encore abouti et toutes les procédures d'approbation ne sont pas encore terminées. Cette forte augmentation du nombre de fusions-acquisitions dans l'industrie mondiale des semi-conducteurs s'explique principalement par les alliances solides conclues entre les géants de la fabrication dans divers domaines.

Auparavant, le fabricant de puces analogiques ADI avait annoncé l'acquisition de Maxim Integrated Products, société spécialisée dans les signaux analogiques et les systèmes hybrides, pour 21 milliards de dollars américains. En septembre 2020, le géant des cartes graphiques Nvidia avait annoncé l'acquisition d'Arm, fournisseur de protocoles d'architecture de processeurs, pour 40 milliards de dollars américains. Arm était auparavant contrôlé par le groupe japonais SoftBank. Par ailleurs, Intel (États-Unis) avait annoncé la vente de son activité de mémoire flash NAND et de son usine de fabrication de plaquettes de 300 mm en Chine à SK Hynix (Corée du Sud) pour 9 milliards de dollars américains. AMD (États-Unis) avait annoncé le 29 octobre 2020 l'acquisition de Xilinx, fournisseur de FPGA, pour environ 35 milliards de dollars américains. La transaction devrait être finalisée d'ici la fin de l'année 2021. Le même jour, Marvell Electronics annonçait l'acquisition d'Inphi, fournisseur de circuits intégrés de la Silicon Valley, pour 10 milliards de dollars américains en numéraire et en actions. Cette transaction sera également finalisée au cours du second semestre 2021. La transaction susmentionnée n'est pas encore finalisée et est toujours en cours d'examen par les autorités réglementaires compétentes.

Les technologies de rupture à l'ère post-Moore

L'intégration hétérogène est une technologie de développement typique de l'ère post-Moore. Appliquée dans le domaine du packaging, elle permet, si nécessaire, de réaliser rapidement et efficacement les fonctions d'une puce grâce à la technologie des chiplets. Cette technologie présente également l'avantage d'une conception simplifiée, d'une fabrication aisée et d'un faible coût.

Cette orientation a permis au développement des puces de passer d'une recherche aveugle de la réduction de la consommation d'énergie et de l'augmentation des performances à une approche plus pragmatique répondant aux exigences du marché. De nombreuses entreprises développent des « particules centrales ». Par exemple, Intel a lancé la technologie Foveros, qui permet l'encapsulation 3D de puces logiques et de puces mémoire ; TSMC a lancé la technologie SoIC d'empilement multi-puces, qui permet le collage de plaquettes à plaquettes. Parallèlement, cette technologie constitue également un axe de développement clé pour l'industrie chinoise des semi-conducteurs dans l'ère post-Moore.

L'architecture RISC-V des microcontrôleurs va bouleverser le marché. Basée sur la licence BSD standard, RISC-V offre une grande liberté d'utilisation et permet de développer et d'ajouter son propre jeu d'instructions étendu. Le choix de la distribution, de la commercialisation ou de l'utilisation du code source fermé est également laissé à la discrétion de l'utilisateur. Particulièrement adaptée à l'IAoT, RISC-V devrait concurrencer les processeurs ARM et contribuer à la formation d'un écosystème RISC-V en Chine. Les microcontrôleurs représentent l'un de ses domaines d'application les plus prometteurs. Grâce à leurs avantages (logiciel libre, faible consommation et coût réduit), les microcontrôleurs RISC-V auront un impact significatif sur les microcontrôleurs ARM et transformeront le marché.

Les puces photoniques pourraient ouvrir une nouvelle voie dans le développement des semi-conducteurs. Ces puces utilisent des signaux optiques pour l'acquisition, la transmission, le calcul, le stockage et l'affichage des données. Actuellement, elles sont largement utilisées dans les communications optiques, notamment pour la construction des infrastructures de centres de données. La photonique sur silicium permet d'intégrer des composants optiques sur des puces de silicium, tirant parti du faible coût, de l'évolutivité et de la facilité de fabrication et d'assemblage des dispositifs CMOS. Comparées aux circuits intégrés classiques, les puces photoniques se caractérisent par une vitesse ultra-rapide et une consommation d'énergie ultra-faible. Théoriquement, leur taille est modulable et les propriétés de la lumière sont intrinsèquement adaptées au calcul linéaire, y compris au calcul parallèle haute densité. Avec le développement rapide de l'IA, la puissance de multiplication matricielle des puces photoniques pourrait être des centaines, voire des milliers de fois supérieure à celle des puces électroniques actuelles, incitant les milieux universitaires et industriels à explorer activement les opportunités offertes par le calcul photonique.

Sous l'effet de la tendance à la neutralité carbone, l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération, qui permet d'améliorer l'efficacité de la conversion énergétique, connaît un développement accéléré. Avec l'atténuation progressive de l'impact de la pandémie de COVID-19, la demande en composants nécessaires à la conversion d'énergie industrielle, tels que les onduleurs et les convertisseurs de fréquence, ainsi que les stations de base de communication, s'est stabilisée. Le passage progressif des onduleurs des véhicules électriques Tesla Model 3 aux procédés de fabrication de composants en carbure de silicium (SiC) a contribué à l'essor des semi-conducteurs de troisième génération sur le marché automobile.

Les semi-conducteurs de troisième génération, représentés par le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), présentent l'avantage d'une résistance élevée aux hautes températures, aux hautes tensions, aux hautes fréquences et à la puissance. Comparés aux dispositifs en silicium, ils permettent de réduire les pertes d'énergie de plus de 50 % et l'encombrement des équipements de plus de 75 %. Ils constituent une voie de développement essentielle pour économiser l'énergie, réduire les émissions et atteindre l'objectif de neutralité carbone. Actuellement, les semi-conducteurs de troisième génération sont présents dans de nombreux secteurs clés tels que les centres de données et les véhicules à énergies nouvelles. L'ensemble de la filière des semi-conducteurs de troisième génération est en pleine expansion et devrait devenir un pilier de l'économie verte.

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