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Actualité des entreprises

La micro-nanoélectronique en France : Enjeux et stratégie

Par Gérard Matheron, Président d’Acsiel et Directeur du site de ST à Crolles, Jean René Lequepeys, Chef du Département Composants Silicium au CEA-Leti, Nelly Kernevez, Partnership Director chez Soitec et Francis Balestra directeur de recherche au CNRS, il enseigne également à l’école doctorale EEATS et à la Formation Continue de Grenoble INP.

Publication: 1er mai

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La micro-nanoélectronique joue un rôle clé dans la digitalisation de la société, cette industrie développe les circuits à semi-conducteurs, indispensables pour toutes les applications et les services du monde du numérique...
 

Pas de smartphones, pas d’ordinateurs, pas de véhicules électriques ou autonomes, pas de système de positionnement par satellite, pas de carte bancaire ou de passeport biométrique sans ces minuscules composants réalisés sur des plaquettes de silicium.

Au plan mondial, c’est une industrie qui pèse près de 350 milliards de dollars de chiffre d’affaires annuel, mais au-delà irrigue le marché de l’électronique qui dépasse les 2 000 milliards de dollars, et celui du « numérique » c.a.d de l’accès aux services et applications qui pèse encore deux fois plus lourd.

Les poids lourds industriels sont quelques américains (dont INTEL pour les microprocesseurs) et de plus en plus des asiatiques (SAMSUNG en Corée du sud, TSMC à Taiwan). On a vu aussi depuis 10 ans l’émergence de grosses sociétés « Fabless » qui conçoivent les puces électroniques mais les font réaliser par des « fondeurs », c’est le modèle de Qualcomm ou de Nvidia. En 2015 et 2016, au sortir de la crise économique qui avait contribué à fragiliser certaines entreprises, une activité intense de concentration a eu lieu, réduisant le nombre d’acteurs de façon inédite jusqu’alors et culminant à 200 milliards de dollars en fusions-acquisitions. Juste à titre d’exemple, on peut citer NXP rachetant Freescale puis racheté à son tour par Qualcomm.

Les sociétés Européennes les plus importantes, STMicroelectronics (Franco-Italien) et Infineon (Allemand) se différencient par leur spécialisation sur certains marchés fortement porteurs, même si elles pointent autour de la 13ème position du classement mondial. Elles sont performantes sur les marchés de l’automobile, de la sécurité, de l’industriel (« Industrie du Futur »), souvent en lien avec des filières européennes leaders. De plus en plus, elles apportent de la valeur ajoutée sur les marchés de la mobilité et de l’Internet des Objets.

D’un point de vue marché, les opportunités de la digitalisation, la voiture autonome, l’Internet des Objets, la santé du consommateur, sont énormes mais posent de nouveaux défis technologiques sur la consommation d’énergie, la sécurité des données, l’accessibilité en tout lieu, la fiabilité.

D’un point de vue technologique, la « loi de Moore » 1 sur laquelle se fonde la révolution du numérique depuis bientôt 40 ans, semble ralentir et n’est déjà plus vraiment le moteur essentiel. D’autre part la technologie dominante (CMOS) se heurte à une double limite, physique et économique.

La miniaturisation se heurte aux limites de la physique. Des transistors de 5nm ont certes été démontrés fonctionnels en laboratoire, mais à quel prix pourront être produits les circuits à plusieurs milliards de transistors de 5nm, sur des équipements de plus en plus complexes et donc coûteux (certains dépassent déjà les 70 millions de dollars l’unité), avec des problématiques de rendement de production qui chute avec la complexité croissante des technologies mises en oeuvre. Pour une unité de production de transistors 7nm, il faudra investir 10 milliards de dollars au moins.

Ce sont donc désormais essentiellement des innovations au niveau des matériaux et des architectures qui permettront d’augmenter les performances des circuits intégrés et de couvrir au mieux les besoins des applications en électronique. Aussi, après des décennies passées à se focaliser sur la miniaturisation et l’augmentation de la vitesse de traitement de l’information, les industriels doivent inventer une nouvelle « feuille de route » pour poursuivre la grande aventure de l’histoire de la nanoélectronique et répondre aux défis économiques, sociétaux et d’usages du 21ème siècle.

Les acteurs français sont pionniers en ce domaine. Une technologie originale, utilisant des substrats en silicium sur isolant (appelé Silicon on Insulator - SOI) en lieu et place du silicium pur, a été mise au point au sein de l’écosystème grenoblois de la microélectronique. Le FDSOI (« Fully Depleted Silicon on Insulator) résulte des échanges fructueux entre les équipes de chercheurs de l’INP Grenoble, du CEA-LETI et des industriels Soitec et STMicroelectronics. Cette technologie séduit par sa capacité à réduire fortement la dissipation au repos des circuits intégrés, facilitant leur adoption dans les systèmes mobiles (fonctionnement lié à la charge des batteries).

Il a été démontré qu’un gain de 40% de consommation électrique pouvait être obtenu à performance identique (même fréquence de fonctionnement). Cette technologie apporte aussi des performances inédites en termes de tenue aux radiations et de performances en radiofréquence qui en font une technologie de choix pour les domaines du spatial, de l’automobile ‘intelligente’ et des objets nomades.

De plus comparé à la technologie FinFET, mettant en oeuvre des transistors verticaux, poussée par INTEL et TSMC entre autres, les technologies FD-SOI sont très attractives en termes de coût de production (20 à 40% de gain, en fonction des technologies) et s’adaptent particulièrement bien aux objets nomades et aux composants analogiques ou radiofréquences. Plusieurs annonces majeures ont été faites par STMicroelectronics, SAMSUNG qui développent une technologie FD-SOI 28nm, par Global-Foundries qui finalise sur le site de Dresde (Allemagne) la mise au point d’une technologie FDSOI 22nm (appelée 22FDX). Global Foundries a également annoncé le lancement d’une nouvelle génération en 12nm (le 12FDX. De nombreuses sociétés Fabless sont en train d’évaluer ces technologies et se préparent à lancer de nouveaux produits basés sur les technologies FDSOI.

En Août dernier on a vu arriver sur le marché le premier produit électronique grand public contenant du FD-SOI : une montre connectée avec puce GPS gravée sur du FD-SOI. Plus récemment, au Mobile World Congress à Barcelone, Dream Chip Technologies a annoncé le premier système sur puce (SOC) gravé sur du FD-SOI de 22nm pour un nouveau SOC ADAS (système d’assistance à la conduite) destiné aux fabricants d’automobiles. Les voies d’amélioration à l’étude dans les laboratoires pour modifier les architectures électroniques sont nombreuses : pour les composants logiques actifs (transistors à effet tunnel, multi-grilles, nanofils,…) et pour de nouvelles mémoires non volatiles (utilisation de la structure quantique du spin, stockage de charge non conventionnel, mémoires résistives,…). En effet, le couplage des mémoires non volatiles avec des technologies CMOS peut permettre d’envisager une refonte complète de la hiérarchie mémoire et peut-être de remplacer un jour la mémoire SRAM.

A court terme, les empilements 3D (circuits sur circuits, plaquettes silicium sur plaquettes silicium ou circuits sur plaquette) vont s’imposer pour un certain nombre de marchés et d’applications. A titre d’exemple en mettant la mémoire au-dessus du processeur, on peut augmenter la bande passante entre le processeur et la mémoire et diminuer la consommation électrique.

A plus long terme, on peut envisager l’arrivée potentielle sur le marché de l’électronique moléculaire encore à l’état de curiosité de laboratoire pour les industriels. Les architectures « bio-inspirées » ou neuro-morphiques ou l’électronique quantique sur Silicium vont également se développer et trouver leur place. Elles offrent la possibilité de donner naissance à de nouveaux paradigmesde calcul en repensant complètement la structure de calcul classique basée sur les machines de Von Neumann. Elles vont permettre la réalisation de coprocesseurs pour effectuer très efficacement d’un point de vue énergétique, de la recherche de « patterns », des problèmes de classification, des algorithmes de cryptage….

D’autres équipes explorent les propriétés de matériaux alternatifs au silicium : il en va ainsi pour constituer des dispositifs actifs de type Transistor, des nanotubes de carbone, du graphène, du germanium (sur lequel les premiers éléments actifs avaient été réalisés à l’aube de l’industrie du semi-conducteur mais qui avait été abandonné au profit du silicium).

En attendant la sortie des laboratoires de ces innovations qui permettront de prolonger la feuille de route de la nanoélectronique avec des « variantes » du silicium, deux axes de travail sont définis en parallèle par les industriels :

d’une part l’impact et la durabilité des technologies mises en oeuvre dans la fabrication des circuits intégrés : substitution des matériaux rares ou potentiellement dangereux au sens de la directive REACH, réduction de la consommation énergétique des composants électroniques ou eco-conception, et d’autre part une démarche plus ‘application driven’, qui part des besoins de l’application pour définir les solutions technologiques les plus à même de les satisfaire. En effet, ce qui est recherché pour les domaines de l’énergie, de la santé, des transports et de la mobilité au sens large, de la sécurité et des applications mobiles jusqu’à l’Internet des Objets (IoT), ce sont des solutions technologiques spécifiques à ces applications, souvent dérivées de technologies et de fonctions génériques qui sont ainsi, dans leur réutilisation, rendues plus performantes. Pour cela, il faut intégrer sur un même circuit de silicium des fonctionnalités diverses comme bien sûr la capacité de mémoriser et de traiter l’information, mais aussi et de plus en plus pour ces applications, des capteurs (de mouvement, de pression, de température, de gaz, …), des actionneurs (micro-moteurs, pompes nanométriques –micro-fluidique-), de la communication radiofréquence, de la récupération d’énergie, des micro batteries ou des capacités de stockage d’énergie, des capteurs d’images CMOS, et des technique de gestion intelligente de la consommation électrique etc. Parvenir à intégrer ces fonctions pour accomplir des tâches complexes avec un minimum de composants électroniques (en ce sens la loi de Moore pour l’intégration volumique reste complètement d’actualité !), impose de plus en plus des « empilements 3D » qui consistent à superposer plusieurs circuits ayant des fonctionnalités complémentaires dans un boîtier unique, constituant ainsi un « SiP » (system in package). Pour ces empilements 3D, les besoins en électronique « plate » nécessitent le plus souvent d’amincir les puces électroniques à quelques dizaines de nanomètres avant de les empiler, il convient également de réaliser les connections verticales de ces puces par des vias verticaux conducteurs.

Des fonctions hétérogènes, constituées de matériaux et technologies différents commencent même à voir le jour, par exemple en associant des semi-conducteurs III-V pour la création de lumière et des circuits en silicium pour le traitement de l’information issue des coupleurs et démodulateurs optiques. C’est la « photonique sur silicium », qui semble promise à un grand avenir. Il y a donc, tant pour les laboratoires académiques que pour les industriels mondiaux de la micro-nanoélectronique, du « pain sur la planche » pour de nombreuses années et beaucoup de « découvertes » à réaliser. Le monde de la nanoélectronique, associé aux architectes électroniques et concepteurs de circuits intégrés, n’a pas fini de nous étonner et de nous apporter les moyens de continuer à envisager une puissance de calcul accrue, de générer des économies d’énergie, de réaliser des coprocesseurs adaptés pour réaliser des fonctions particulières. Bref des puces électroniques plus intelligentes, plus auto-adaptatives, plus économes qui peupleront notre quotidien et apporteront de nouveaux services Pour ce qui est de la situation en France et en Europe, sous l’angle double de la recherche et de la production industrielle, le constat est clair : nous disposons de ressources issues d’une culture scientifique historique remontant aux années 1960 ainsi que d’un ensemble de conception et de production industrielle tout à fait compétitif tant qu’il adresse des segments spécialisés du marché. Pour ce qui est de la production de masse des produits de consommation et de l’informatique, la flexibilité du travail en Asie et les coûts de main d’oeuvre ne permettent plus aux fabricants occidentaux de s’aligner sur les prix pratiqués.

L’enseignement de la physique du solide, de la chimie ou de l’électronique est d’excellente qualité et les recrutements d’ingénieurs ou de chercheurs en micro-nanoélectronique ne posent pas de réels problèmes. Ce qui peut poser problème cependant c’est la désaffection croissante des jeunes pour des études techniques jugées trop ‘exigeantes’.

De nombreux laboratoires universitaires travaillent au renouvellement des technologies, comme indiqué cidessus. Des laboratoires publics comme le Fraunhofer en Allemagne, le CNR en Italie, l’IMEC en Belgique et bien sûr le CEA-LETI en France se sont depuis très longtemps spécialisés et apportent aux industriels une capacité essentielle à défricher le terrain en amont, afin d’identifier parmi toutes les options identifiées par la recherche fondamentale, celles qui pourront être in fine industrialisées.

Du côté des industriels, on trouve en France au-delà de STMicroelectronics (10 sites, 4 usines de production, 10 000 emplois dont plus de 4 000 chercheurs et concepteurs de produits en France), des entreprises de taille plus modeste avec des spécialisations (Soitec pour les matériaux, X-Fab Corbeil pour la fonderie de spécialité, IPDIA pour l’intégration sur silicium de capacités hautes performances, Sofradir et ULIS pour les applications des matériaux III-V en imagerie infrarouge, Tronics pour les capteurs et actionneurs…). Il y a aussi en France des bureaux de support clients et des centres de conception locaux de produits semi-conducteurs liés aux activités de quelques grands producteurs mondiaux (Microchip- Atmel, Intel, NXP-Freescale, On semiconductor, Renesas, Texas Instruments,…) et des prestataires de conception de haut niveau de circuits pour le compte de tiers (ARM, Dolphin, Easii-IC,…). On dispose également d’un certain nombre de start-ups qui connaissent parfois une croissance rapide : sans être exhaustif on peut citer APIX (analyse multi-gaz), EXAGAN (composant de puissance GaN sur Silicium), APSI3D (packaging de composants de puissance), ENERBEE (récupération d’énergie), …. Evidemment, la plupart de ces acteurs sont des adhérents fidèles de « ACSIEL Alliance électronique » qui les fédère au sein du collège Semi-conducteurs du syndicat professionnel.

http://www.acsiel.fr/

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