Comprendre la pénurie de semi-conducteurs

En l'espace de 20 ans, l'industrie s'est métamorphosée avec des entreprises spécialisées, mettant toute la supply chain sous tension et provoquant une pénurie de semi-conducteurs.
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Comprendre la pénurie de semi-conducteurs

Publié le 3 décembre 2021
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Par François Jolain.

Cet article est disponible en podcast ici.

Depuis trois ans, le monde traverse une pénurie de semi-conducteurs touchant les secteurs de l’automobile, de l’informatique, et bien d’autres. Dans un précédent dossier sur les métaux rares, nous observons que la matière première, le silicium, est suffisamment abondant pour couvrir nos besoins.

La pénurie provient d’une hausse spectaculaire de la demande due à l’essor des smartphones, de la 5G, des voitures intelligentes, des objets connectés, du cloud, de l’intelligence artificielle ou même des cryptomonnaies. Bref, toutes les dernières innovations réclament des montagnes de puces électroniques pour mettre le monde en mouvement.

Or en l’espace de 20 ans, l’industrie s’est métamorphosée. Elle est passée d’entreprises intégrées à des entreprises spécialisées, rendant toute la supply chain sous tension.

L’ancien monde : Intel

L’industrie du semi-conducteur était faite d’entreprises intégrées réalisant la R&D, la conception et la fabrication. L’exemple le plus parlant est Intel. L’entreprise a mis au point ces propres architectures de processeur x86 (1981) puis x86_64 (2001). Elle a ensuite développé ses produits autour de ses brevets avec les processeurs i3, i5, i7, i9, Xeon, etc. Enfin elle fabrique ses processeurs dans ses usines.

Intel a même investi lourdement dans le marketing auprès du grand public. Ce fut un succès, puisque les consommateurs voulaient des ordinateurs Intel Inside, sans vraiment savoir pour quelle raison technique.

Intel a même imposé son rythme au secteur par la loi de Moore dictée par son ancien fondateur Gordon Moore : « Les performances doublent tous les 6 mois. »

En liant son marketing à sa capacité d’innovation, Intel a entraîné le consommateur dans une quête de meilleures finesses de gravure : 45nm en 2008, 32nm en 2010, 22nm en 2012, 14nm en 2016; meilleure mémoire vive : DDR1 en 2000, DDR2 en 2004, DDR3 en 2007, DDR4 en 2012 ; meilleur USB : 1.0 en 1996, 2.0 en 2000, 3.2 en 2008, 4.0 en 2017.

Comme entreprise intégrée, nous pouvons aussi citer Texas Instrument ou IBM. Mais revenons à Intel, car sa stratégie d’abord payante s’est ensuite retournée contre lui par l’arrivée d’un trio gagnant.

Le nouveau monde : ARM, Apple, TSMC

Le modèle tout intégré d’Intel a su évoluer au fur et à mesure avec les ordinateurs, jusqu’à dominer complètement le secteur.

Mais les processeurs Intel étaient trop énergivores pour le marché naissant des smartphones. Ce vide créa un appel d’air et la montée de deux futurs poids lourds : ARM et TSMC.

Chacun est spécialisé dans un domaine. ARM est une entreprise anglaise qui recherche et développe des technologies liées aux processeurs basse consommation. En soi, elle ne conçoit ni produit aucun composant. Elle vend ses connaissances, son expertise et ses brevets autour de son architecture.

Ces clients, tels Apple, Samsung ou NXP vont concevoir leurs processeurs sur mesure et rapidement en piochant dans le catalogue de brevets d’ARM. Une fois le composant conçu, il part dans les usines de TSMC qui est une entreprise taïwanaise qui ne conçoit aucun composant, elle fabrique ceux des autres.

La séparation R&D, conception et fabrication a permis une itération ultra rapide, devançant en quelques années Intel.

Non content de distancier Intel sur le mobile, le nouveau monde montra sa supériorité sur les ordinateurs avec notamment le trio ARM, Apple et TSMC.

En se focalisant uniquement sur la conception, Apple est arrivé à maîtriser ses propres processeurs en quelques années. D’abord réservés aux IPhones et l’iPad, Apple a apporté le coup de grâce en retirant Intel de ses Mac au profit de ses processeurs maison Apple Silicium M1. Le plus ironique reste la communication d’Apple reprenant les règles d’Intel contre lui. La puce M1 dépasserait les processeurs Intel en termes de puissance, d’autonomie, de finesse de gravure ou de mémoire vive.

Les conséquences d’un tel modèle : la pénurie de semi-conducteurs

Pendant longtemps, on ne voyait que les bienfaits : investissements partagés entre plusieurs acteurs, innovation plus rapide, coûts en baisse, et une plus grande concurrence… ou presque.

En effet, là où les fabricants de PC ne pouvaient acheter des processeurs Intel qu’à Intel et souvent au prix fort, les fabricants de téléphones peuvent acheter des processeurs ARM à Samsung, Qualcomm ou encore MediaTek à tous les prix. Mais en amont, il y a ARM en monopole et en aval il y a TSMC en quasi-monopole.

Dans les deux cas, ces monopoles attirent les convoitises politiques. ARM vient d’être rachetée par l’Américain Nvidia. L’administration américaine pourrait ainsi interdire les brevets d’ARM à la Chine. Xiaomi ou Huawei s’en trouveraient gravement touchés pour leurs futurs produits déjà impactés par l’interdiction d’Android de Google. De même pour une interdiction de TSMC de travailler pour la Chine, alors que l’entreprise dispose de processus de fabrication et d’usines uniques au monde.

De plus TSMC fait figure de goulot d’étranglement de la supply chain mondiale. Il n’est pas seul, un cartel de fabricants tient la production de composants high-tech comme les processeurs, les batteries, les écrans, les SSD ou mémoire vive. La demande a bondi, mais les moyens de production ne sont pas flexibles et nécessitent des milliards de dollars pour suivre la cadence.

Avant, une ampoule était fabriquée dans une usine d’ampoules, maintenant les ampoules connectées sont dépendantes de TSMC. Avant, les trottinettes étaient  fabriquées dans une usine de trottinettes, maintenant les trottinettes électriques sont dépendantes de TSMC. Avant, les compteurs de vitesse nécessitaient un petit moteur et une aiguille, maintenant ils ont besoin d’un écran produit en Chine. Avant, les cartes graphiques se commandaient une par une par des joueurs, maintenant elles se commandent par milliers pour la recherche en intelligence artificielle ou le minage de cryptomonnaies.

Conclusion

La pénurie actuelle résulte donc d’un décalage entre le volume de productions et la hausse de la demande. Le décalage est accentué par le passage d’une industrie intégrée à une industrie spécialisée où toutes les conceptions finissent dans les mêmes usines saturées faisant goulot d’étranglement.

Cependant, le retour à des entreprises intégrées n’est pas envisagé. Le succès de l’Apple M1 face à Intel en atteste. À tel point qu’Intel va lui aussi utiliser TSMC.

Cette mutation industrielle se propage à d’autres secteurs. Il est étonnant de constater que sur les dizaines de prétendants aux vaccins covid, les seuls à franchir la ligne d’arrivée sont en binômes concepteur / fabriquant : BioNTech/Pfizer, NIH/Moderna, Oxford/AstraZeneca.

Reste à éviter les monopoles dans la supply chain.

Un article publié initialement le 29 octobre 2021.

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  • TSMC est le véritable pilier du marché de l’électronique mondial, et à travers lui une part croissante de l’industrie dont l’automobile fait partie.

    Un battement de papillon qui fait fermer une fonderie à Taïwan et c’est l’économie mondiale qui tourne au ralenti.

    Inutile de chercher bien loin l’intérêt géopolitique des États-Unis pour cette île.

    En attendant, l’Europe est complètement larguée dans la production de puces et micro-processeurs, symbole supplémentaire de l’échec d’une grande partie du continent sur les politiques industrielles et la technologie.

    Tant que l’argent magique fait illusion chee nous, tout va bien. Et après ?

    • @frankybee- L’intérêt géopolitique pour Taïwan est aussi celui de la Chine qui considère l’île comme partie intégrante de la Chine. Les grande manœuvres militaires chinoise actuelles sont très explicites.
      Pour l’Europe, elle a dérivé complètement dans le social, la morale, les réglementations paralysantes etc et en un mot inefficaces

      • @goufio2 – La République Populaire de Chine la considère avec raison puisqu’en retour la République de Chine (i.e. Taiwan) revendique également la Chine continentale comme partie intégrante d’un même et seul pays. On peut détester le régime chinois, mais il est important de relire l’histoire de ce pays avant d’émettre des jugements de valeurs car les Chinois de Taïwan ne se considèrent pas pour autant proches des Américains ou Européens.

        On peut avancer avec naïveté que l’intérêt premier des Occidentaux est la défense des libertés. Mais en réalité, les États-Unis sont principalement motivés par deux choses dans cette affaire de Taïwan : 1) garantir leur accès aux produits incontournables TSMC, 2) affaiblir le régime de Pékin. Bizarrement, la défense des libertés dans d’autres pays n’a jamais été un sujet majeur pour Washington et les capitales européennes (ex : l’Arabie Saoudite).

    • TSMC représentait 50% de part de marché dans la sous-traitance de puces électronique en 2017. Il est donc évident que c’est « stratégique » avec une société basée à Taïwan.

      Trump a fait pression pour que des usines soit implantées aux US (Les grosses unités sont à Taïwan).

      Wikipedia : « À compter de 2020, TSMC devrait investir 12 milliards de dollars pour installer une usine de puces aux États-Unis »

      On ne parle donc pas ici de fabriquer des vélos ni même des batteries, mais d’investissements en milliards pour fabriquer des composants essentiels à l’économie numérique. L’Europe me semble effectivement complètement larguée dans ce domaine et donc dans la géopolitique. Aujourd’hui, on subit des problèmes de logistique, mais demain …

      J’aimerais bien voir un article approfondi sur le sujet de cette dépendance économique et politique.

  • Le monde change, la technologie change, les « leaders » du marché changent …

    Les problèmes de chaînes d’approvisionnement sont il me semble plutôt imputables à des décisions politiques et à un manque de visibilité sur les besoins futurs fortement aggravé par la politique.

    L’auteur semble déplorer la perte de monopole d’Intel et la spécialisation du marché qui sont la base de l’économie de marché. Intel (et peut-être l’auteur) s’est spécialisé dans LE processeur pour Ordinateur Personnel de bureau. C’est très limitatif.

    L’émergence de technologies ciblant d’autres cibles avec des coûts optimisés provoque un effet retour sur le monopole d’Intel. Ce n’est pas nouveau et c’est tant mieux car sinon il n’y aurait pas de progrès ou de « disruption » (comme c’est la mode de parler).

    • @alan- Vous avez tout résumé en écrivant : Les problèmes de chaînes d’approvisionnement sont il me semble plutôt imputables à des décisions politiques et à un manque de visibilité sur les besoins futurs fortement aggravé par la politique. »

  • merci pour cet éclairage.

  • a mon avis il y a plusieurs problemes:
    1) quasiment tout est maintenant dependant de composant electroniques (parfait ex est une voiture. en 1980 c etait 100 % mecanique, en 2020 il y a des puces meme pour ouvrir une fenetre)
    2) le juste a temps a fait qu on a supprimé les stocks. donc en cas de penurie on se retrouve tout de suite a l arret
    3) pour des raisons de rentabilité en a delocalisé massivement. donc on ajoute des goulet d etranglement (ex les ports , les containers)
    4) les fabriquants ont tout interet a ne pas construire de nouvelles installations : ca coute tres cher donc la rentabilité des capitaux est hasardeuse (car une nouvelle usine risque de faire chuter le sprix si plus de penurie)
    5) sur le plus long terme, nous payons en europe et aux USA le mepris des metiers techniques et de la production. Comme ces metiers ont des perspectives pas terribles, les jeunes vont plutot faire autre chose (ex de la finance, de l immobilier, medicine …). apres il faut pas s etonner si tout est fait (et bientot aussi concu) en chine

    • « en 2020 il y a des puces meme pour ouvrir une fenetre »

      Et il semble logique que cela deviennent comme ça dans l’industrie et le bâtiment. Déjà nos frigos et nos chaudières doivent difficilement se passer de composants Made In Taïwan.

      Tout le monde peut fabriquer ces composants, mais avec des investissements énormes et pas du jour au lendemain.

      Il y a ceux qui ambitionnent de devenir une « puissance normative » verdâtre, et ceux qui ont les pieds sur terre à défaut d’être enlisés dans Gaïa jusqu’au coup.

  • Le terme « cryptomonnaies » ne devrait pas exister, sa véritable formulation est « jetons électroniques ».
    Pourquoi ?
    Trop de gens se fourvoient en pensant que ces jetons vont remplacer nos monnaies fiduciaires (papiers, pièces)
    C’est une étrange création qui repose sur une non moins étrange spéculation
    L’emploi du terme « cryptomonnaies » discrédite d’entrée de jeu la suite du propos

    • C’est dommage car j’ai bien apprécié les autres propos de l’auteur.
      Employer ce terme inapproprié me fait penser à la pensée unique qui vous déverse du réchauffement climatique à la nausée sur tous les médias. Mais quand vont-ils commencer à s’informer et faire des confrontations fondées. Il y a plus de 30.000 scientifiques dans le monde qui doutent contre les 1.500 du GIEC qui ne douteraient pas !
      Je sais je suis hors sujet, mais des termes brouillent constamment l’intérêt de lecture.
      Merci de m’avoir lu

    • si si c’est l’usage comme monnaie qui fait la monnaie..

    • @gouflo2 – Sur ce sujet, je suis clairement en phase avec vous.

  • Il y a pénurie de tout , étonnant non ?
    Je doute que cette pénurie ne soit pas volontaire, le monde ne fait il pas tout pour la decroissance des économies..investissements minimum pour rendement maximum, Le climat bien sûr….
    Certains pensent, à tort, qu’il faudrait rapatrier ces usines mais, on fabrique la où on utilise avant d’exporter un produit fini et c’est en Asie , pourquoi, il y a des gens qui bossent dur la bas sont pas au 35h et ils ne connaissent pas le socialisme mou !
    Dans le temps le Mexique produisait de puces, fini ?

  • J’ai du mal à comprendre la logique. Comme dit par un autre intervenant, s’il n’y a pas pénurie de matière première, une pénurie durable de semi-conducteurs ne peut venir que de l’intervention du politique, parce que le marché libre ne peut que s’adapter à la demande. Quel industriel ferait exprès de ne pas satisfaire sa clientèle ? Ce serait se tirer une balle dans le pied, parce que des concurrents émergeraient rapidement … en l’absence d’interventionnisme étatique, du moins.

    Le côté (géo)politique derrière cette affaire serait à creuser, à mon avis. Les monopoles dans un marché libre, ce n’est pas un problème, puisque tôt ou tard ils sont dépassés par la concurrence grâce à un concept nouveau.

    • Connaissant un expatrié à Taipei, Taiwan n’a pas de politique de vaccination comme en Occident.
      Les vaccins qu’ils reçoivent sont des dons d’autres pays asiatiques.

      En l’absence de politique de vaccination, la politique sanitaire est extrêmement paranoiaque.
      Lorsqu’il y a eu un cas importé et transmission à 10 personnes à Taipei (la capitale), le mot d’ordre a notamment été fermeture totale des usines d’un côté, des restaurants le soir de l’autre…, et télétravail obligatoire pendant 2 semaines pour toute la région de Taipei. Pour 10 cas…

      Vu cette paranoia, à chaque détection, vous vous doutez de l’impact en terme de production.

      Et on se plaint de la politique sanitaire en France…

      Dans le secteur des semi conducteur, la concurrence n’existe pas. Les investissements sont au niveau de la dizaine de milliard de dollars, pour une longue durée d’amortissement.
      Intel est resté longtemps à 14nm quand ses concurrents ont proposé le 10nm puis le 7. Outre des problèmes techniques (difficulté de maitrise du procédé 10nm), il a été avancé qu’Intel voulait aussi rentabiliser son usine de 14nm.
      Voici ce qu’à demandé Intel pour implanter une usine en Europe : https://www.journaldeleconomie.fr/Intel-demande-une-subvention-de-8-milliards-d-euros-pour-s-installer-en-Europe_a9960.html

      La logique libérale n’existe pas dans ce cas. On ne s’improvise pas fondeur en quelques années dans ce milieu. L’investissement d’entrée pour vendre un produit répondant aux exigences de consommations, de fiabilité, de compacité… n’est pas possible en levant simplement des fonds.
      Les fondeurs aujourd’hui, soit sont des acteurs historiques, soit disposent d’un soutien massif (comme les conglomérats coréens).

    • Les gens ne se rendent aussi pas compte que c’est extrêmement long de fabriquer des processeurs à partir d’un wafer, il peut y avoir 350 phases de production, et ca peut prendre 6 mois,
      Suite à la baisse de demande « due au covid », et aussi à cause de l’inertie de ce genre d’industrie , la production est en retard, et ca ca n’est pas un choix politique.

      Comme le dit aussi nothing une fonderie c’est pas une usine d’ampoule ou on peut juste investir de l’argent et fabriquer le produit final, le process ext extrêmement complexe, nécessite beaucoup de cerveau, etc

  • pendant ce temps là une pénurie de conducteurs de semi…tout est lié..

  • Les industriels font le design de leurs processeurs à partir de briques élémentaires car ils sont ainsi spécialisés et donc plus rapides. Les traitements dans une voiture n’ont rien à voir avec ceux d’un téléphone. Utiliser un processeur standard du commerce n’est pas optimisé en terme de fonction ou de temps d’exécution ou de consommation. Donc de coût.
    L’époque où Intel, AMD, Motorola, etc concevait et réalisait des processeurs standards est donc révolu pour ces raisons.
    Pour info, les PC d’Apple l’utilisaient pas de processeurs Intel, mais Motorola.

    • L’Apple// avait un 6502 de MOS Technology, puis le Mac avec le 68000 de motorola (comme Atari et Amiga). Les premiers iPhone tournaient avec Samsung.
      PS la programmation du 6502 était ch.ante avec des adressages zero page et autres joyeusetés.

  • L’article ne parle pas du tout de l’histoire d’Intel correctement.
    L’histoire d’Intel, c’est la création d’un monopole sur l’architecture x86 de processeurs. Monopole mis à mal judiciairement par AMD, que Intel a laissé pour éviter d’être dépecé.
    Puis d’une concurrence qui a enfin réussi à s’extraire de cette architecture par l’apparition d’un nouveau marché (smartphone), puis maintenant qui attaque frontalement Intel.
    Intel rattrapé, qui maintenant peine à maintenir la cadence et se voit contraint de sous traiter. TSMC ne faisait pas de processeurs avant…

  • Ah et au fait, la « loi de Moore » c’est doublement tous les 2 ans. Cela date d’avant la création de la société Intel…

  • Concernant Intel, il convient de noter que l’essentiel de leurs problèmes provient de problèmes de management où l’on a remplacé un board d’ingénieurs par un board de marketeux. Résultat des courses, Intel qui était en avance sur tout le monde en matière de technologies de gravure il y a 10 ans s’est heurté à des problèmes sur le 14nm…problèmes qui ont longtemps été masqués par l’absence de concurrence de la part d’AMD…Problème, AMD a refait venir un génie du secteur Jim Keller (les puces Alpha c’est lui, la première fois qu’AMD a produit des puces plus performantes qu’Intel c’est lui, les premiers processeurs ARM custom d’Apple c’est lui, les puces des Tesla c’est lui)…et Jim Keller a permis à AMD de revenir dans la course…avant d’être embauché par Intel…permettant à ce dernier de commencer à revenir dans la course avec des puces hybrides dotée de coeurs génériques hautes performances et de coeurs plus petits, moins génériques, mais à très faible consommation…

    Pour Intel, ce qui est amusant, c’est que le PDG nommé il y a peu est l’ingénieur qui était en charge du design initial du process 14nm et qui s’était fait rebuffé par l’ancien PDG marketeux…et du coup, Intel semble repartir dans la voie de la R&D tout azimuts, afin de concurrencer ARM, AMD et NVidia dans tous les secteurs.

    A noter également, qu’AMD travaille sur des puces « big / little » depuis un certain temps déjà mais AMD n’étant plus propriétaire de ses propres usines (depuis le split au milieu des années 2000) entre AMD et Global Foundries.

    Enfin, l’auteur semble ignorer que le modèle d’ARM a toujours été de ne pas fabriquer lui même ses propres puces…et ce depuis l’époque du BBC Micro où ARM voulait dire Acorn RISC Machine…

  • Peut être cela vous a-t-il échappé, mais TI ça construire une nouvelle usine au Texas pour un budget de 14 Milliard de Dollars.
    Une broutille.

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