La guerre des semiconducteurs

2023/05/03 | Par Pierre Dubuc

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Puces, semiconducteurs, circuits intégrés

Cet article n’étant pas un article scientifique sur les semiconducteurs, mais un article d’analyse géopolitique, nous utiliserons indifféremment les mots «puces», «semiconducteurs» et «circuits intégrés». Nous ne ferons pas non plus de distinction entre les puces logiques (traitement des données), les puces mémoires (mémorisation des données) et les puces NAND, appelées aussi «flash» (entreposage à long terme des données).

De quoi parle-t-on? De plaquettes de silicium ultrapur de 8 à 12 pouces de diamètre en général sur lesquels sont gravées des puces. On les retrouve dans une multitude produits domestiques (téléphone, ordinateurs, voitures, etc.), mais aussi dans les avions, missiles, les blindés, etc. Le nombre de composants pouvant être gravés a augmenté de manière exponentielle depuis le milieu des années 1960, doublant chaque année. Aussi, un seul processeur de la douzaine que comprend un iPhone contient 11,8 milliards de minuscules transistors gravés sur son silicium.

La photolithographie est une technique qui permet de reproduire le motif d'une structure micrométrique dans une résine déposée à la surface d'un matériau en utilisant un faisceau lumineux comme outil d'impression.

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Si l’armée ukrainienne a pu jusqu’à maintenant contrer une armée russe supérieure en nombre de soldats et en blindés, c’est essentiellement à cause d’armes sophistiquées guidées par des téléphones et des satellites américains. L’avantage technologique américain est patent. Le missile Javelin, terreur des blindés russes, contient 200 semiconducteurs. Pendant ce temps, la Russie, privée des semiconducteurs américains par suite des sanctions, est obligée, raconte-t-on, d’avoir recours à des puces destinées aux lave-vaisselles.

Il fut pourtant un moment dans l’histoire où l’URSS détenait un avantage technologique sur les États-Unis avec la mise en orbite du premier Spoutnik. Avant l’apparition de la Silicon Valley (1971), l’URSS créa en 1962 la ville de Zelenograd, destinée à être un paradis scientifique. Aujourd’hui, la Russie est complètement larguée du point de vue technologique. Les États-Unis et la Chine sont les deux puissances qui s’affrontent dans la production des semiconducteurs, qui sont à la guerre moderne ce que le fer et l’aluminium ont été à Seconde Guerre mondiale et les armes atomiques à la Guerre froide.

Comment en sommes-nous arrivés là? C’est la passionnante histoire que raconte Chris Miller dans son livre salué par la critique Chip War, The Fight for the World’s Most Critical Technology, Scribner, 2022.
 

La rivalité URSS-États-Unis

Le voyage de Youri Gargarine en 1961 a provoqué une onde de choc aux États-Unis, le contrôle de l’espace ayant évidemment d’importantes ramifications militaires. La NASA s’est mise à octroyer d’importants contrats pour rattraper son retard. Ainsi, le programme Apollo a rapidement transformé une petite startup comme Fairchild en une firme comprenant un millier d’employés. En fait, ce sont les contrats du Pentagone qui ont créé la Silicon Valley. 

Malgré les crises du pétrole de 1973 et 1979, qui font de l’or noir un bien stratégique, les États-Unis réalisent l’importance encore plus déterminante des semiconducteurs, qui permettent un meilleur guidage des avions, des missiles, des fusées et facilitent les communications du commandement militaire.

Au milieu des années 1980, un missile MX USA pouvait atterrir à moins de 364 pieds de son objectif une fois sur deux. Un missile comparable, le SS-25 russe, tombait à 1200 pieds de son objectif en moyenne. Une première frappe nucléaire américaine aurait pu détruire ou désactiver 98 % des ICBM soviétiques. Les missiles Cruise et les bombardiers invisibles étaient en mesure de rendre inopérants le commandement militaire russe et son contrôle sur les forces nucléaires.

Selon Chris Miller, la multiplication des startups et l’esprit d’initiative qui les caractérisait ont favorisé l’innovation, alors que la structure hiérarchique sclérosée en URSS a condamné le pays à compter sur l’espionnage pour «copier» les découvertes américaines, une stratégie qui s’est révélée perdante. Le retard russe s’explique aussi par l’absence d’un marché domestique de masse qui aurait pu stimuler l’innovation, comme ce fut le cas aux États-Unis. L’URSS ne bénéficiait pas non plus de chaînes d’approvisionnement internationales, alors que les États-Unis pouvaient partager la facture avec le Japon et ses alliés européens.
 

L’essor du Japon

Le Japon, au contraire, s’est délibérément intégré dans l’industrie américaine des semiconducteurs avec l’appui de l’élite du milieu des affaires japonais et du gouvernement américain. Pour les stratégistes américains de la Guerre froide, mieux valait promouvoir l’industrie japonaise pour lier les deux pays que de l’isoler.

L’intégration s’étendit aux autres pays du Sud-est asiatique, si bien que la carte des usines de fabrication de semiconducteurs est un calque de la carte des bases militaires américaines. De plus, les « petites mains » asiatiques étaient beaucoup plus productives et bon marché qu’aux États-Unis. À Hong Kong, le salaire horaire de 25 cents équivalait à un dixième du salaire aux États-Unis. Au milieu des années 1960, le salaire était de 19 cents à Taiwan, de 15 cents en Malaisie, de 11 cents à Singapour et de 10 cents en Corée du Sud.

En 1964, le Japon produit plus de puces ordinaires que les États-Unis, mais les entreprises américaines dominent la filière de production des puces les plus performantes. Les exportations japonaises de produits électroniques passent de 600 millions $ en 1965 à 60 milliards deux décennies plus tard avec l’ouverture des marchés domestiques pour les semiconducteurs. La multinationale Sony vend 385 millions d’exemplaires de son Walkman. Le « Made in Japan » n’est plus synonyme de « bon marché ». Les voitures japonaises déclassent leurs concurrentes américaines.

Ces succès montent à la tête d’Akio Morita, le cofondateur de Sony. En 1989, il publie avec l’idéologue Shintaro Ishihara The Japon That Can say NO : Why Japon Will Be First Among Equals. Ishihara propose une remise en question de la Constitution du pays, dictée par les États-Unis à la fin de la guerre, et de faire du Japon une puissance militaire. Faisant valoir la supériorité des semiconducteurs japonais, il écrit que le Japon pourrait « dominer économiquement les États-Unis et devenir numéro un mondial ». Il évoque même la possibilité d’exporter des semiconducteurs à l’URSS pour modifier l’équilibre des forces en présence dans la Guerre froide.
 

La révolution des PC

La réaction américaine est furieuse. Washington impose des quotas au Japon et promeut la Corée du Sud et Samsung, dont les coûts de production sont inférieurs à ceux du Japon. Dans la Silicon Valley, une nouvelle génération de scientifiques et d’ingénieurs prépare, avec le soutien du Département de la Défense, un nouveau saut technologique. En 1980, IBM et Intel s’allient pour la production d’ordinateurs personnels. Un certain Bill Gates écrit le logiciel.

Le rêve japonais de domination s’effondre rapidement. Trois facteurs l’expliquent. Premièrement, le pays a raté la montée des PC. Avec cette révolution, les États-Unis reprennent, en 1993, la première place dans l’exportation des semiconducteurs. En 1998, les firmes coréennes remplacent le Japon comme premiers producteurs de la puce DRAM. La part du Japon dans ce marché passe de 90 % en 1980 à 20 % en 1998. Deuxièmement, au début des années 1990, les marchés financiers japonais s’écroulent et le pays entre dans une profonde et longue dépression économique.

Mais le facteur décisif est la première Guerre du Golfe au mois d’août 1990. Japonais et Soviétiques réalisent avec stupeur et envie la précision des missiles américains qui s’abattent sur Bagdad. L’URSS jette la serviette. Chris Miller cite Gorbatchev qui, dans un voyage à l’Université Stanford en Californie, déclare : «La Guerre froide est derrière nous. Ne nous chamaillons pas à savoir qui l’a gagnée. La Silicon Valley l’a gagnée.»
 

La mondialisation

Un nouveau monde s’ouvre avec la fin de l’URSS. Un monde unipolaire dominé par les États-Unis. C’est la mondialisation, le marché unique. L’arrogance des États-Unis et de ses multinationales est telle que la localisation des entreprises stratégiques des semiconducteurs importe peu. Deux entreprises essentielles, aujourd’hui dominantes, vont émerger. ASML, une entreprise basée à Veldhoven aux Pays-Bas, créée en 1984 par l’entreprise Philips, et Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) fondée par Morris Chang. Aujourd’hui, leurs principaux clients sont Apple et Huawei.

ASML est spécialisée dans la fabrication de machines de photolithographie pour l'industrie des semiconducteurs. Elle a prospéré dans les années 1980 et 1990, parce qu’elle était perçue comme neutre dans l’affrontement entre le Japon et les États-Unis. À défaut d’un soutien américain, ses concurrentes japonaises Nikon et Canon lui ont laissé la voie libre. Par la suite, ASML a acheté la Silicon Valley Group (SVG), sa seule concurrente américaine. Quelques sénateurs américains ont exprimé des craintes, vite écartées, car l’esprit de la mondialisation régnait.

ASML produit aujourd’hui 100 % des machines lithographiques. ASML a besoin des composantes les plus avancées, le métal le plus pur, les plus puissants lasers et les senseurs les plus précis. À lui seul, le laser comprend 457 329 composantes. L’ensemble de la machine lithographique comporte des centaines de milliers de composantes, qui ont coûté des milliards de dollars et des décennies à développer. Chaque EUV (extreme ultraviolet radiation – rayonnement ultraviolet extrême) coûte 100 millions $. C’est un des dispositifs les plus complexes jamais vus. C’est l’appareil de production de masse le plus cher jamais construit. Il est si complexe qu’il est impossible à utiliser sans une formation, qui oblige le personnel à rester sur le site la durée de vie de l’appareil.

Pour sa part, TSMC a largué ses concurrentes en se concentrant uniquement sur la fabrication de semiconducteurs, alors qu’Intel et Samsung combinent la conception et la production de leurs propres semiconducteurs. D’un côté, les startups hésitent à leur confier la fabrication de leurs produits par crainte de vol de brevets. De l’autre, Intel voit les startups comme une menace, alors que TSMC les considère comme des clients potentiels. La fabrication de puces pour de nombreux clients différents a permis à TSMC de devancer l’expertise d’Intel, même si celle-ci a investi dix milliards en Recherche et Développement (RD) dans les années 1990. De 1997 à 2013, le nombre d’employés en RD de TSMC est passé de 120 à 7 000.

La mondialisation a aussi amené de nombreuses entreprises américaines à faire assembler leurs produits en Chine. Par exemple, la conception des produits Apple a lieu aux États-Unis, la fabrication des semiconducteurs à Taiwan et l’assemblage en Chine. IBM a accepté d’échanger avec la Chine de la technologie contre un accès au marché chinois. De nombreuses autres entreprises américaines ont aussi conclu des ententes avec le gouvernement chinois. Elles ne pouvaient ignorer le plus grand marché mondial, d’autant plus qu’il était plus facile de lever des fonds en Chine qu’à Wall Street. C’était là de sages décisions d’affaires, mais qui comportaient le risque de livrer de la technologie à la Chine.
 

Apple et Huawei

Au départ, Apple s’est distingué en étant la seule entreprise technologique à ne pas utiliser l’architecture x86 d’Intel pour les puces. Celle-ci dominait dans les PC, non parce qu’elle était la meilleure, mais parce qu’IBM, la première à produire des ordinateurs personnels, l’avait adoptée.

Intel a refusé de produire des puces pour l’iPhone d’Apple. Cette dernière s’est alors tournée vers l’architecture ARM, qui n’utilise pas le x86. Les premiers processeurs des iPhone seront fabriqués par Samsung, puis par TSMC. Intel a réalisé trop tard que la révolution du téléphone intelligent était aussi importante que l’a été la révolution du PC. Il n’a fallu que quelques années pour qu’Apple engrange plus d’argent avec la vente de ses iPhone qu’Intel avec ses processeurs de PC.

Aujourd’hui, les semiconducteurs d’Apple sont fabriqués uniquement à Taiwan par TSMC. Aucune autre entreprise n’a les connaissances requises et les capacités de production nécessaires.

Huawei a été fondée en 1987. Rapidement, elle s’est mise à rivaliser avec Apple et Samsung pour le nombre de téléphones vendus. À la fin de 2010, Huawei’s HiSilicon conceptualisait les puces parmi les plus complexes pour les téléphones intelligents et devenait le deuxième client de TSMC. Avec sa maîtrise de la 5G, Washington craint alors qu’elle constitue la colonne vertébrale de la nouvelle génération des réseaux de télécommunications.

Les stratèges américains réalisent que si l’on projette la tendance des années 2010 vers les années 2030, l’industrie chinoise des puces pourrait rivaliser avec la Silicon Valley avec les conséquences que l’on imagine sur les marchés et la puissance militaire. De plus, Washington soupçonne la Chine d’utiliser sa position dominante dans la fabrication de produits électroniques pour introduire des « back doors » d’espionnage.

Les entreprises américaines présentes en Chine sont réticentes à l’imposition de mesures protectionnistes. Elles déclarent : « Le problème fondamental est que notre client numéro un est notre concurrent numéro un ». Mais les faucons de la National Security Council n’ont pas ces états d’âme. Ils décident que l’industrie américaine des semiconducteurs doit être sauvée contre sa volonté. Les entreprises américaines se voient interdire de vendre des puces à Huawei et à Shongxing Telecommunication Equipment (ZTE), accusées de violer les sanctions américaines en commerçant avec l’Iran et la Corée du Nord. On connaît la suite: une campagne mondiale des États-Unis auprès de leurs alliés pour les faire renoncer à Huawei pour le 5G. Ces mesures conduisent Huawei à la quasi-asphyxie. Mais Beijing ne mettra pas en vigueur ses menaces de représailles et acceptera plutôt que Huawei devienne un acteur de seconde zone.

La Chine est consciente que les entreprises chinoises sont tributaires des pays étrangers qui fabriquent les puces nécessaires au fonctionnement de toutes les pièces électroniques à l’échelle mondiale. La plupart des ordinateurs en Chine ont besoin de puces américaines. La Chine dépense plus chaque année pour importer des semiconducteurs qu’en achat de pétrole.

La Chine a investi massivement dans Yangtze Memory Technologies Corp (YMTC), qui était perçue comme une entreprise pouvant rattraper son retard dans la fabrication de puces. Mais, du jour au lendemain, son avenir est compromis parce qu’elle est privée des composantes étrangères nécessaires à cause des sanctions américaines.

À la fin de l’ère Obama, les États-Unis croyaient qu’ils pouvaient maintenir leur avantage sur la Chine « en courant plus vite ». Mais il s’est vite avéré que la Chine courait plus rapidement avec des investissements monstres. Pour éviter d’être rattrapée, l’administration américaine a donc ajouté le mot d’ordre « Tenir à distance », soit d’empêcher la Chine d’acquérir la technologie de pointe en matière de microprocesseurs.
 

L’intelligence artificielle

Une nouvelle révolution est en cours : l’intelligence artificielle. En 1993 est née Nvidia, une entreprise qui conçoit des microprocesseurs appelés Graphic processor units (GPU), capable de gérer la 3D. Ils sont produits par TSMC. Nvidia a dépensé dix milliards de dollars pour que son utilisation soit accessible à chaque programmeur et non seulement aux experts en graphiques. Le GPU est adapté pour l’intelligence artificielle, ce qui n’est pas le cas pour les CPU d’Intel. Mais l’avenir de Nvidia n’est pas assuré parce que Google, Amazon, Microsoft, Facebook, Tencent, Alibaba et d’autres ont commencé à concevoir leurs propres semiconducteurs adaptés à l’IA.

Pour l’IA, il faut la triade suivante : des données, des algorithmes et de puissants ordinateurs. La Chine possède les deux premiers, mais pas le dernier. Selon Chris Miller, 29 % des chercheurs en IA sont chinois, contre 20 % américains et 18 % européens, mais 59 % des chercheurs chinois sont à l’emploi de firmes américaines.
 

Conclusion

Aucun produit n’est plus central dans le commerce international que les semiconducteurs et les plus performants sont l’élément clef de l’électronique, civile comme militaire. Et c’est l’entreprise TSMC qui produit 90 % des puces les plus sophistiquées.

La stratégie américaine (« Courir plus vite » et « Tenir à distance ») consiste à sécuriser leurs approvisionnements en puces, tout en excluant la Chine des circuits mondiaux. Mais le Japon, la Corée et Taiwan ont aussi la Chine comme premier partenaire commercial. En 2021, la Chine a dépensé 430 milliards $ pour l’achat de semiconducteurs, dont 36 % de ce montant à Taiwan. La Corée dépend de la Chine pour plus de 40 % de ses puces mémoires, métaux et diodes et Samsung et SK Hynix exportent en Chine 60 % de leur production.

L’administration Biden a fait adopter le 9 août 2022 le Chips and Science Act qui prévoit 280 milliards $ d’aides financières. Les alliés des Américains planifient également des investissements importants : 35 milliards $ pour le Japon et 43 milliards $ pour l’Europe.

Un mois après l’annonce du Chips Act, Intel annonçait un investissement de 20 milliards $ en Ohio pour une usine de fabrication de semiconducteurs. Washington a aussi réussi à convaincre TSMC d’injecter 40 milliards $ pour la construction d’un site de production en Arizona et Samsung a dévoilé son intention d’investir 17 milliards $ pour un site au Texas. Mais les deux entreprises se sont fait tirer l’oreille. Taiwan est conscient que, dans le contexte géopolitique actuel de Guerre froide, sa sécurité dépend de l’intérêt commun de la Chine et des États-Unis pour TSMC. Les Taiwanais ont d’ailleurs baptisé l’entreprise de « montagne qui protège Taiwan ». TSMC et Samsung ont déclaré que leurs installations américaines ne fabriqueraient pas les semiconducteurs de dernière génération.

De son côté, le gouvernement chinois s’apprête à dépenser 135 milliards de dollars pour renforcer son industrie de semiconducteurs. Mais plusieurs doutent que cela suffise à combler son retard. Les experts considéraient que les entreprises chinoises pourraient fabriquer la moitié des puces dont le pays a besoin en 2030. À la suite des sanctions américaines, l’objectif a été ramené à 33 %.

Chris Miller conclut son analyse en affirmant que la Chine n’a aucun intérêt à envahir Taiwan. TSMC ne pourrait fonctionner sans l’apport de composants provenant des États-Unis, du Japon, des Pays-Bas. Une poignée d’ingénieurs pourraient la saboter et, TSMC détruite, les États-Unis conserveraient les usines de Samsung et Intel.

Dans cette perspective, les États-Unis ont-ils intérêt à provoquer une intervention chinoise? Dans une récente chronique du New York Times («America, China and a Crisis of Trust», 14 avril 2023), le chroniqueur vedette Thomas L. Friedman écrit qu’un haut responsable de l’administration Biden lui a confié que, lors du Sommet de Bali du mois de novembre dernier, Xi Jinping a déclaré à Biden qu’il ne serait pas le président de la Chine qui perdrait Taiwan. «Si vous me forcez la main, il y aura la guerre. Vous ne comprenez pas l’importance de Taiwan pour le peuple chinois. Vous jouez avec le feu.»