Au cœur même de la chaîne d'approvisionnement, des experts transforment le sable en disques de silicium cristallin à la structure diamant parfaite, indispensables à l'ensemble de la filière des semi-conducteurs. Ils participent à cette filière qui multiplie par mille la valeur du « sable de silicium ». La faible lueur que vous apercevez sur la plage est du silicium. Ce cristal complexe, à la fois fragile et solide (il possède des propriétés métalliques et non métalliques), est omniprésent.
Le silicium est le deuxième matériau le plus abondant sur Terre après l'oxygène, et le septième dans l'univers. C'est un semi-conducteur, ce qui signifie que ses propriétés électriques se situent entre celles des conducteurs (comme le cuivre) et celles des isolants (comme le verre). Une infime quantité d'atomes étrangers dans sa structure peut en modifier fondamentalement le comportement ; la pureté du silicium de qualité semi-conductrice doit donc être extrêmement élevée. Le seuil de pureté minimal acceptable pour le silicium de qualité électronique est de 99,999999 %.
Cela signifie qu'un seul atome autre que le silicium est autorisé pour dix milliards d'atomes. L'eau potable de bonne qualité contient 40 millions de molécules autres que l'eau, soit 50 millions de fois moins de pureté que le silicium de qualité semi-conducteur.
Les fabricants de plaquettes de silicium vierges doivent transformer du silicium de haute pureté en structures monocristallines parfaites. Pour ce faire, un monocristal mère est introduit dans du silicium en fusion à la température appropriée. À mesure que de nouveaux cristaux filles se développent autour du monocristal mère, le lingot de silicium se forme lentement à partir du silicium en fusion. Ce processus est lent et peut durer une semaine. Le lingot de silicium fini pèse environ 100 kilogrammes et permet de fabriquer plus de 3 000 plaquettes.
Les plaquettes sont découpées en fines tranches à l'aide d'un fil diamanté très fin. La précision des outils de découpe du silicium est extrême, et les opérateurs doivent être surveillés en permanence, sous peine de se couper les cheveux avec humour. Cette brève introduction à la production de plaquettes de silicium est forcément simplifiée et ne rend pas pleinement justice aux contributions des génies qui les ont réalisées ; elle vise néanmoins à fournir les bases nécessaires à une meilleure compréhension de ce secteur.
La relation entre l'offre et la demande de plaquettes de silicium
Le marché des plaquettes de silicium est dominé par quatre entreprises. Depuis longtemps, ce marché est en équilibre précaire entre l'offre et la demande.
Le recul des ventes de semi-conducteurs en 2023 a engendré une situation de surproduction, entraînant une accumulation importante des stocks internes et externes des fabricants de puces. Toutefois, cette situation est temporaire. Avec la reprise du marché, le secteur atteindra rapidement sa limite de capacité et devra répondre à la demande supplémentaire générée par la révolution de l'IA. La transition d'une architecture traditionnelle basée sur les processeurs vers le calcul accéléré aura un impact sur l'ensemble du secteur, et notamment sur les segments à faible valeur ajoutée de l'industrie des semi-conducteurs.
Les architectures des unités de traitement graphique (GPU) nécessitent une surface de silicium plus importante.
Face à la demande croissante de performances, les fabricants de GPU doivent surmonter certaines limitations de conception pour obtenir des performances supérieures. Augmenter la taille de la puce est évidemment une solution, car les électrons parcourent difficilement de longues distances entre les puces, ce qui limite les performances. Cependant, cette augmentation de taille se heurte à une limite pratique, appelée « limite de la rétine ».
La limite de lithographie désigne la taille maximale d'une puce pouvant être exposée en une seule étape par une machine de lithographie utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs. Cette limite est déterminée par l'intensité maximale du champ magnétique de l'équipement de lithographie, notamment du stepper ou du scanner utilisé. Pour les technologies les plus récentes, cette limite est généralement d'environ 858 mm². Cette limitation est cruciale car elle détermine la surface maximale pouvant être gravée sur la plaquette en une seule exposition. Si la plaquette est plus grande, plusieurs expositions seront nécessaires pour la graver entièrement, ce qui est impraticable pour la production de masse en raison de la complexité et des difficultés d'alignement. Le nouveau GB200 s'affranchit de cette limitation en combinant deux substrats de puce, soumis à des limitations de taille de particules, au sein d'une couche intermédiaire de silicium. Il en résulte un substrat à super-limite de particules, deux fois plus grand. Les autres limitations de performance concernent la quantité de mémoire et la distance d'accès à cette mémoire (c'est-à-dire la bande passante mémoire). Les nouvelles architectures GPU surmontent ce problème grâce à l'utilisation de mémoire à large bande passante (HBM) empilée, installée sur le même interposeur de silicium que deux puces GPU. Du point de vue du silicium, le problème de la HBM réside dans le fait que chaque bit occupe une surface deux fois supérieure à celle de la DRAM traditionnelle, en raison de l'interface hautement parallèle requise pour une bande passante élevée. La HBM intègre également une puce de contrôle logique dans chaque pile, ce qui augmente la surface de silicium. Un calcul approximatif montre que la surface de silicium utilisée dans une architecture GPU 2.5D est 2,5 à 3 fois supérieure à celle de l'architecture 2.0D traditionnelle. Comme mentionné précédemment, si les fonderies ne sont pas préparées à ce changement, la capacité de production des plaquettes de silicium pourrait redevenir très limitée.
Capacités futures du marché des plaquettes de silicium
La première des trois lois de la fabrication des semi-conducteurs stipule que c'est lorsque les fonds disponibles sont les plus faibles qu'il faut investir le plus. Ceci est dû à la nature cyclique du secteur, et les entreprises de semi-conducteurs peinent à respecter cette règle. Comme le montre la figure, la plupart des fabricants de plaquettes de silicium ont pris conscience de l'impact de cette situation et ont presque triplé leurs dépenses d'investissement trimestrielles totales ces derniers trimestres. Malgré un contexte de marché difficile, cette tendance persiste. Plus intéressant encore, elle se maintient depuis longtemps. Les entreprises de plaquettes de silicium bénéficient d'une certaine prévoyance, ou possèdent des connaissances que d'autres ignorent. La chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs est une sorte de machine à remonter le temps, capable d'anticiper l'avenir. Votre avenir pourrait bien être le passé d'autrui. Si nous n'obtenons pas toujours de réponses, nous sommes presque toujours confrontés à des questions pertinentes.
Date de publication : 17 juin 2024