[Introduction] En février 2021, le président de Citigroup, Joe Biden, a signé le décret présidentiel n° 14017, enjoignant son gouvernement à mener un examen approfondi des chaînes d'approvisionnement dans quatre secteurs clés : les semi-conducteurs, les batteries pour énergies nouvelles, les terres rares et les fournitures médicales. L'objectif était d'identifier les risques, de remédier aux vulnérabilités et d'élaborer des stratégies pour renforcer la résilience de ces chaînes. Lors de la signature, le président Biden a cité le proverbe : « Faute de clous, on jette le fer. Faute de fers, on perd le cheval », et ainsi de suite, jusqu'à la chute du royaume. Le moindre dysfonctionnement de la chaîne d'approvisionnement peut avoir des conséquences sur la sécurité, l'emploi, les familles et les communautés américaines. Pour mener à bien cet examen, l'administration Biden a créé un groupe de travail interne impliquant plus d'une douzaine de ministères et d'agences fédérales. Les responsables de l'administration ont consulté les syndicats, les entreprises, les établissements d'enseignement supérieur, le Congrès, ainsi que les alliés et partenaires des États-Unis afin d'identifier les vulnérabilités et de trouver des solutions.

Le rapport d’évaluation de l’État de Citi est attendu en juin 2021.

1. À propos des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs constituent la base matérielle des circuits intégrés essentiels à la vie quotidienne moderne. Ils font partie intégrante du quotidien des consommateurs modernes. On les retrouve dans des appareils électroménagers tels que les interrupteurs, les ouvre-portes de garage et les réfrigérateurs, ainsi que dans les téléphones portables, les ordinateurs et les automobiles. On les retrouve également dans des produits plus complexes. L'homme moderne les utilise quotidiennement (à chaque heure, minute, seconde). Les circuits intégrés à base de semi-conducteurs sont l'ADN de nombreuses technologies qui ont profondément transformé tous les secteurs socio-économiques, de l'agriculture aux transports, en passant par la santé, les télécommunications et Internet. L'industrie des semi-conducteurs est un moteur majeur de la croissance économique et de la création d'emplois chez Citi. Presque tous les produits technologiques sont indissociables des semi-conducteurs ; bien sûr, les systèmes les plus avancés sont également indissociables de leur support.

Le rapport estime que l’industrie américaine des semi-conducteurs réalisera un chiffre d’affaires annuel de 208 milliards de dollars en 2020, soit près de la moitié du marché mondial. Malgré la pandémie mondiale de COVID-19, les ventes mondiales de produits semi-conducteurs ont augmenté de 6.5 % en 2020. Selon les estimations de la SIA, le marché mondial des semi-conducteurs atteindra des ventes annuelles de 726 milliards de dollars d'ici 2027, avec un taux de croissance annuel composé de 4.7 %. Les semi-conducteurs constituent une exportation majeure des États-Unis, avec des ventes à l'exportation de 47 milliards de dollars en 2020, se classant au quatrième rang derrière les avions, le pétrole raffiné et le pétrole brut.

Bien que l'industrie américaine des semi-conducteurs représente près de la moitié du chiffre d'affaires mondial des produits semi-conducteurs, le rapport d'évaluation estime que la capacité de fabrication américaine de semi-conducteurs en part de la production mondiale est passée de 37 % il y a 20 ans à environ 12 % aujourd'hui. Les entreprises américaines, y compris les grandes sociétés de semi-conducteurs sans usine, sont fortement dépendantes des pays étrangers, notamment en Asie, ce qui crée des risques pour la chaîne d'approvisionnement.

Le rapport de recherche examine la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs à travers cinq parties fondamentales liées : (1) la conception ; (2) fabrication ; (3) assemblage, test et emballage ; (4) matériaux ; et (5) les équipements de production.

2. Conclusions fondamentales :

conception:

L’écosystème américain de conception de semi-conducteurs est solide et leader mondial, mais les entreprises américaines dépendent fortement des ventes à la Chine pour soutenir la croissance des bénéfices et les investissements nationaux (remarque : nationaux) en recherche et développement (R&D). De plus, les entreprises de design américaines s’appuient principalement sur des ressources limitées en matière de propriété intellectuelle (PI), de main-d’œuvre et de fabrication pour mener leurs activités. Ces ressources sont essentielles à la commercialisation des produits.

fabrication:

Les États-Unis ne disposent pas de capacités de production de semi-conducteurs suffisantes. Ils dépendent principalement de Taïwan pour la fourniture de puces logiques à finesse de gravure élevée, et de Taïwan, de la Corée du Sud et de la Chine continentale pour satisfaire la demande en puces à finesse de gravure plus mature.

Emballage testé et avancé :

Pour le conditionnement et les tests de semi-conducteurs d’arrière-plan relativement peu technologiques, les États-Unis dépendent fortement des ressources étrangères concentrées en Asie. En outre, à mesure que les puces deviennent plus complexes, les méthodes d’emballage avancées représentent un domaine potentiel de développement pour des avancées technologiques majeures à l’avenir. Les États-Unis ne disposent pas de l’écosystème de matériaux nécessaire et ne constituent pas un endroit rentable pour développer une industrie de l’emballage avancée et robuste, et d’importants investissements chinois pourraient bouleverser le marché.

Matière:

La production de semi-conducteurs nécessite des centaines de matériaux, ce qui crée des défis pour la chaîne d'approvisionnement de fabrication. De nombreux gaz et produits chimiques humides utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs sont produits aux États-Unis, mais les fournisseurs étrangers dominent le marché des plaquettes de silicium, des photomasques et des photorésists.

Équipement de fabrication:

En plus des machines de lithographie, pour la plupart des équipements de processus front-end de fabrication de semi-conducteurs, les entreprises américaines détiennent une part importante du monde.

Outre les États-Unis, la production d’équipements manufacturiers est concentrée aux Pays-Bas et au Japon. En raison de la taille limitée de la fabrication de semi-conducteurs aux États-Unis, la croissance de ces fabricants d’équipements dépend fortement des ventes en dehors des États-Unis.

3. À propos de la conception des circuits intégrés

Historiquement, aux débuts du développement de l'industrie des semi-conducteurs (puces), la conception de circuits intégrés n'était pas une industrie indépendante. La conception de circuits intégrés était assurée par des entreprises IDM qui contrôlaient l'ensemble du processus de production. Intel et Texas Instruments aux États-Unis en sont des exemples typiques. Aujourd'hui, la conception de circuits intégrés est de plus en plus confiée à des entreprises de conception « fabless » plus spécialisées, qui s'appuient sur des entreprises de fabrication indépendantes (fonderies) pour la fabrication des circuits intégrés. L'essor des fonderies et des investissements associés a facilité l'accès à l'industrie de la conception de circuits intégrés. Il en résulte une concentration nettement plus faible dans le secteur de la conception de circuits intégrés que dans celui de la fabrication industrielle et de la fabrication d'équipements, ce qui rend la fabrication de circuits intégrés fortement dépendante de Taïwan.

Bien que les barrières à l'entrée soient faibles, les entreprises de conception sans usine doivent travailler en étroite collaboration avec les fonderies pour garantir que les conceptions sont adaptées au processus de production, et elles s'appuient sur des fournisseurs de propriété intellectuelle (généralement d'autres sociétés de semi-conducteurs développant des technologies clés), ainsi que sur l'automatisation des conceptions électroniques (EDA). support d'entreprise de logiciels. Les étapes en amont et en aval de l’industrie de la conception de circuits intégrés sont très concentrées. Les principaux fournisseurs de propriété intellectuelle et d'EDA ont principalement leur siège social aux États-Unis, mais la plupart de leurs praticiens sont situés en dehors des États-Unis.

Structure industrielle

En raison des différents types de produits dans lesquels les entreprises s'engagent, la taille, la technologie et la structure des entreprises engagées dans la conception de semi-conducteurs ou de circuits intégrés sont très différentes. Ce rapport divise les semi-conducteurs de circuits intégrés en trois types principaux : circuits logiques ou numériques, circuits mémoire et circuits analogiques. En 2020, les circuits intégrés logiques ou numériques représentent environ 42 % de la part de marché totale ; les produits de mémoire représentent environ 26 % ; les circuits intégrés analogiques représentent environ 14 % ; les autres produits semi-conducteurs sont des produits de circuits non intégrés, notamment les dispositifs discrets, les dispositifs optoélectroniques et les capteurs.

Les circuits intégrés logiques ou numériques sont les unités de base des ordinateurs ou des composants informatiques et constituent la catégorie la plus importante sur le marché des produits semi-conducteurs. Les puces logiques représentent 42 % des revenus du secteur, selon la World Semiconductor Association SIA. Dans cette catégorie de produits semi-conducteurs, la concentration du marché et le nombre d'entreprises de conception dépendent fortement du type de puce spécifique. Les marchés des unités centrales de traitement (CPU) des ordinateurs personnels, des unités de traitement graphique dédiées (GPU) et des réseaux prédiffusés programmables par l'utilisateur (FPGA) sont essentiellement duopoles. Les fournisseurs de circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC) sont très fragmentés et leur concurrence est plus intense. Les catégories de produits incluent les processeurs pour appareils mobiles basés sur ASIC et ARM. Un CPU est l'unité centrale de traitement d'un ordinateur, un GPU est un processeur utilisé pour le rendu vidéo, un produit FPGA est utilisé pour la configuration par un client ou un concepteur après la fabrication et un ASIC est une puce personnalisée conçue pour une application spécifique.

Le rapport estime que les États-Unis sont le leader mondial de la conception de circuits intégrés et que de nombreuses entreprises ont recours à l'externalisation de la fabrication ou au placement de concepteurs en dehors des États-Unis pour réduire leurs dépenses en capital. Fondamentalement, tous les processeurs d'ordinateurs personnels dans le monde sont conçus par les sociétés américaines Intel et AMD, parmi lesquelles Intel réalise la fabrication des puces en interne, tandis qu'AMD s'appuie sur des fonderies pour terminer la fabrication des puces. Pendant ce temps, Intel et AMD pourraient bientôt dominer la catégorie des FPGA, puisqu'AMD a annoncé en octobre 2020 son intention d'acquérir le leader du marché des FPGA, Xilinx, pour 35 milliards de dollars. Si l'acquisition obtient l'approbation réglementaire, AMD-Xilinx et Intel représenteraient environ 85 % des ventes mondiales de FPGA. Les autres fournisseurs américains Microchip Technology, Lattice Semiconductor et Achronix Semiconductor constituent le reste du marché des FPGA. La majeure partie du marché mondial des GPU est détenue par AMD et par la société américaine NVIDIA, leader sur le marché.

La concurrence au sein de la base de fournisseurs d'ASIC s'est considérablement accrue et la demande de processeurs pour appareils mobiles basés sur l'architecture ARM est élevée. Les fabricants de puces tels que Samsung sont en concurrence sur les marchés des ASIC et des processeurs mobiles aux côtés de sociétés de conception sans usine telles que Qualcomm et Broadcom, et de dizaines d'entreprises technologiques américaines qui conçoivent leurs propres puces, notamment Apple, Alphabet et Amazon. À l'exception d'Intel et de Microchip, la plupart des fournisseurs de CPU, GPU, FPGA et ASIC dans le monde et aux États-Unis ne fabriquent pas de puces et s'appuient sur la fabrication en fonderie pour concevoir des puces.

Selon la SIA, les puces mémoire utilisées pour stocker les informations nécessaires à l'informatique représentent 26 % des revenus de l'industrie. Les puces mémoire sont des catégories entièrement commercialisées et compétitives, et leurs avantages et progrès technologiques dépendent entièrement du rendement et des économies d’échelle. Les produits de mémoire sont généralement fournis par des sociétés de type IDM. Le sud-coréen Samsung et le sud-coréen SK Hynix occupent une position de leader dans le domaine de la mémoire vive dynamique (DRAM). La société américaine Micron en détient environ 23 pour cent. Les leaders du marché développent désormais des technologies avancées d'emballage (empilage de matrices) et de propriété intellectuelle pour d'autres produits phares. Ces trois sociétés représentent environ 95 % du marché mondial de 70 milliards de dollars en 2020.

La production de mémoire flash (NAND) est moins concentrée, avec environ six entreprises représentant environ 99 % du marché mondial de 47 milliards de dollars en 2020. Le sud-coréen Samsung est également le leader du marché des produits de mémoire flash, avec un peu plus d'un tiers de la production de mémoire flash. marché. Le sud-coréen Samsung est suivi par le japonais Kioxia (anciennement Toshiba), qui détient une part d'environ 20 pour cent. La troisième place pour les produits de mémoire flash est la Western Digital Corporation des États-Unis, qui représente environ 14 % des parts. Dans ce segment figurent également SK Hynix en Corée du Sud (12 %), Micron aux États-Unis (11 %) et Intel aux États-Unis (9 %). Les sociétés mondiales de NAND semblent se préparer à une nouvelle consolidation. Intel, dont les revenus des produits NAND sont similaires à ceux de Micron, a annoncé en octobre 2020 son intention de vendre la plupart de ses activités de mémoire NAND à SK Hynix. La vente propulsera la société issue du regroupement au deuxième rang en termes de part de marché NAND. Selon certaines informations, Western Digital et Micron pourraient envisager d'acquérir Kioxia. Par ailleurs, Yangtze Memory Technologies (YMTC), une entreprise chinoise fondée en 2, connaît une expansion rapide et a reçu environ 2016 milliards de dollars de subventions. Sources du gouvernement chinois. La société pourrait être capable de produire jusqu'à 24 200,000 plaquettes par mois d'ici 2022, soit plus du double de la capacité NAND actuelle d'Intel et une menace potentielle à faible coût pour les sociétés américaines de mémoire.

Par rapport aux puces mémoire, la commercialisation des produits de circuits intégrés analogiques est moins compétitive. De plus, les circuits analogiques dépendent généralement moins de l’utilisation de nœuds de processus de fabrication de pointe. L'utilisation finale dans le système d'application, les connaissances et l'expérience dans la conception de la puce sont des facteurs importants dans la valeur des circuits intégrés analogiques. Par conséquent, la concentration du marché des sociétés de produits n'est pas trop élevée, car les sociétés de circuits intégrés analogiques peuvent conserver un avantage concurrentiel en se concentrant sur le domaine analogique. En 2020, le plus grand fournisseur mondial de circuits intégrés analogiques représentait 62 % d'un marché de 56 milliards de dollars, dont seul Texas Instruments représentait plus de 10 % du marché. Bon nombre des principales sociétés de semi-conducteurs analogiques sont des producteurs « fabuleux », fabriquant certaines des puces qu'elles conçoivent en interne, bien qu'elles sous-traitent également une grande partie des puces.

En 2020, les ventes mondiales de dispositifs discrets, de dispositifs optoélectroniques et de capteurs (semi-conducteurs non intégrés) dans les produits semi-conducteurs s'élèveront à environ 79 milliards de dollars, soit près de 18 % du marché total des semi-conducteurs (total d'environ 440 milliards de dollars). La plupart des produits semi-conducteurs de cette catégorie se trouvent dans des nœuds de processus matures où ils sont bon marché et il n'est pas rare qu'un seul produit vaille un centime. Le marché de ces produits est très fragmenté et compte de nombreux fabricants. Les sociétés de semi-conducteurs non IC comprennent ABB Ltd. (Suède/Suisse), Infineon Technologies (Allemagne), STM Microelectronics (Italie/France), Toshiba (Japon), ainsi que les sociétés américaines Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix et Cri. Les principales technologies motrices pour les produits semi-conducteurs non intégrés, en particulier les produits semi-conducteurs de puissance discrets, sont les innovations en matière de gestion de l'énergie et de miniaturisation. De tels produits utilisent des automobiles, en particulier des véhicules électriques, comme terminaux d'application clés. Le nitrure de gallium (GaN), le carbure de silicium (SiC) et d'autres substrats semi-conducteurs composés, dominés par les États-Unis, sont des technologies clés pour une variété d'applications. Ils sont largement utilisés dans la gestion et la distribution de l’énergie, l’amplification de puissance haute fréquence, l’optoélectronique et la sécurité nationale. Les dispositifs semi-conducteurs d’affichage à écran plat entrent également dans cette catégorie.

Dans le domaine de la sécurité nationale, la technologie des semi-conducteurs doit également être conforme aux exigences d'utilisation dans la plage de températures (plage étendue) et les environnements difficiles, y compris les caractéristiques techniques pour une utilisation dans des environnements radioactifs, le cas échéant. De plus, une vérification et une validation indépendantes des composants plus rigoureuses sont requises. Les semi-conducteurs utilisés dans les applications automobiles doivent également satisfaire à des exigences strictes en matière de durabilité et de tests pour résister aux conditions environnementales difficiles (par exemple, froid extrême, chaleur extrême et humidité extrême). Ils doivent résister aux vibrations et aux chocs tout au long de la durée de vie du véhicule, qui est de 10 à 20 ans, et ont démontré des taux de défaillance bien inférieurs lors des tests à ceux des semi-conducteurs utilisés dans les produits grand public afin de garantir leur conformité aux exigences de sécurité des véhicules. Ces exigences devraient augmenter et devenir plus strictes à mesure que les véhicules deviennent plus autonomes et utilisent de plus en plus de technologies de détection et de télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR), de sonar, de radar, de systèmes de vision et de navigation et d'identification.

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