Alison Porter, Graeme Clark et Richard Clode, gérants de portefeuille dédiés aux valeurs technologiques, abordent les défis et les opportunités d’un secteur des semi-conducteurs en pleine évolution, qui a été un catalyseur essentiel du développement des technologies. 

  Principaux points à retenir :

  • Les fabricants de semi-conducteurs ont fait des pieds et des mains pour pérenniser la loi de Moore, le fondement de l’innovation technologique, ce qui a entraîné un changement dans la structure du secteur des technologies.
  • Le groupe américain Intel, à l’origine de la loi de Moore, a su maintenir son élan haussier en étant toutefois affecté par la décision d’Apple de ne plus doter l’iPhone de ses puces, par la concurrence accrue et par sa volonté de ne pas opter pour l’externalisation.
  • Les nombreuses difficultés auxquelles est confronté le secteur des semi-conducteurs, notamment les tensions géopolitiques, ont entraîné une modification du paysage technologique, présentant ainsi des risques et des opportunités d’investissement.

Selon la loi de Moore, la densité des transistors sur un circuit intégré double environ tous les deux ans. Cette observation relativement simple faite en 1965 par Gordon Moore, l’un des fondateurs d’Intel (entreprise basée à Portland, dans l’Oregon), a été à la base de toutes les innovations technologiques observées depuis un demi-siècle. La capacité d’accroître les performances tout en réduisant les coûts, ce qui a permis d’obtenir des produits meilleurs, plus rapides et moins chers, a été le principal moteur du développement des technologies et de l’accélération des parts de marché des entreprises du secteur. Peu de temps après la définition initiale de la loi de Moore, l’Homme s’est posé sur la lune pour la première fois et toute la puissance de calcul de la NASA de l’époque est depuis disponible dans un seul iPhone tandis que la dernière (micro)puce NVIDIA Ampere utilisée pour la formation à l’intelligence artificielle accumule 54 milliards de transistors sur une puce de moins de trois centimètres carrés.

L’obsolescence de la loi de Moore a stimulé l’innovation technologique

Dans un secteur dynamique tel que celui des technologies, où il existe peu de constantes, le fait que la loi de Moore ait perduré est vraiment remarquable. Cependant, les défis à relever pour maintenir la loi de Moore font depuis longtemps l'objet de débats ; Jensen Huang, le PDG du géant des semi-conducteurs NVIDIA, n’est que le dernier d’une longue série à proclamer sa disparition et c’est l’une des raisons pour lesquelles il souhaite faire l’acquisition de son concurrent ARM Holdings. Dans la plupart des cas jusqu’à présent, les défis ont été relevés grâce à des solutions innovantes. Lorsque ASML s’est efforcée de répondre aux exigences de résolution lithographique requises pour imprimer ces circuits extraordinairement fins alors que l’entreprise se heurtait aux limites physiques de la lumière elle-même, elle a abouti à la solution inédite consistant à utiliser l’indice de réfraction supérieur de l’eau pour réduire le manque de clarté, créant ainsi une lithographie par immersion. Il y a 15 ans, la mise à l’échelle de Dennard permettant de réduire la consommation d’énergie, conformément à la loi de Moore, a commencé à s’effriter.

Un processeur Intel était autrefois un gros noyau dont la fréquence, ou la vitesse de traitement, augmentait de façon exponentielle chaque année. Mais depuis que la fréquence d’horloge d’un microprocesseur Intel Pentium 4 a atteint 3 GHz (ou 3 milliards de cycles par seconde) en 2002, un gain extraordinaire par rapport au premier PC commercialisé en 1974 qui utilisait un Intel 8080 à 2 MHz (2 millions de cycles par seconde), l’évolution a été beaucoup plus progressive. Aujourd’hui, la fréquence des processeurs Intel atteint à peine 5 GHz. Le problème est qu’à des dimensions de l’ordre du nanomètre, les transistors sont si proches les uns des autres qu’il y a des fuites électriques, ce qui entraîne d’importants problèmes d’échauffement qui limitent les performances. Un problème connexe est celui du « silicium noir », qui est la partie des transistors qui ne peut pas être alimentée en raison de ces contraintes thermiques. La solution a consisté à construire des puces avec de nombreux noyaux plus petits plutôt qu’un seul gros. C’est l’architecture multiple utilisée aujourd’hui par tous les processeurs Intel, Advanced Micro Devices (AMD), NVIDIA ou Apple. Le récent accord entre NVIDIA et ARM associe les leaders des processeurs graphiques (GPU) multiples et des processeurs centraux (CPU) mobiles à faible consommation.

Chez Intel, nous avons un problème

Malgré les difficultés mentionnées ci-dessus, la loi de Moore a continué à fonctionner notamment pour Intel, l’entreprise où elle a été historiquement exprimée et qui a été le leader du secteur en termes de taille de transistors et de puissance des puces. Une partie de cette capacité unique contrastaient avec ses concurrents américains et japonais, qui externalisaient de plus en plus la fabrication des semi-conducteurs vers les fonderies. Pour Intel, l’engagement à produire et à concevoir ses propres puces de processeurs est resté fondamental. Cependant, des problèmes ont commencé à apparaître en 2013/2014 au niveau du nœud de fabrication de 14 nanomètres, qu’Intel a été une fois de plus le premier à commercialiser, mais qui a subi quelques retards. La concurrence étant limitée, cela n’a guère été un problème sur les marchés des PC et des serveurs qu’Intel a fourni. Cependant, la décision de l’entreprise de ne pas fabriquer des puces pour l’iPhone en 2005 a laissé présager de futurs problèmes. Intel n’a pas été le seul à largement sous-estimer le succès de l’iPhone. Revenons-en à aujourd’hui : Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), la plus grande fabrique au monde, fabrique chaque année plus de 200 millions de processeurs d’iPhone pour Apple, aux limites mêmes de la loi de Moore. Du fait de la cadence d'innovation d’Apple, de l’ampleur du marché des smartphones et des bénéfices substantiels engrangés par TSMC, les défis concurrentiels d’Intel étaient beaucoup plus sérieux lorsque les problèmes de fabrication ont réellement frappé Intel au niveau du nœud de 10 nanomètres (entraînant un retard de quatre ans). AMD, le principal concurrent d’Intel, a suivi la tendance à l’externalisation de la production, d’abord en transférant sa branche fabrication à GlobalFoundries, puis, après plusieurs années supplémentaires décevantes en termes d’exécution, en prenant la décision capitale de transférer la production à TSMC, même au prix d’un important paiement pour se séparer de GlobalFoundries.

Alors que la loi de Moore atteignait ses limites chez Intel en Oregon et dans le parc scientifique de Hsinchu à Taiwan, TSMC a continué, avec une régularité de métronome, à sortir un nouveau microprocesseur pour iPhone chaque année et permet maintenant à AMD de produire des puces qui correspondent pour la première fois aux performances d’Intel. Intel ayant récemment annoncé des retards dans son processus de fabrication de nœuds 7 nanomètres, les investisseurs envisagent maintenant la disparition de la loi de Moore chez Intel, un passage à un modèle de fabrique externalisé, la probabilité de gains de parts de marché importants pour AMD dans les années à venir, ainsi que les aspirations de NVIDIA à prendre des parts à Intel dans le centre de données suite au projet d’acquisition d’ARM.

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Questions clés pour le secteur des semi-conducteurs

La situation actuelle pourrait remodeler non seulement le secteur des semi-conducteurs mais aussi celui des technologies dans son ensemble, surtout si l’on considère l’escalade des tensions entre les États-Unis et la Chine. La loi de Moore a-t-elle finalement atteint ses limites ? Ou le problème est-il seulement imputable à Intel ? TSMC sera-t-il le futur ambassadeur de la loi de Moore ? Ou va-t-on voir apparaître une « loi Morris », du nom de Morris Chang, le fondateur et PDG/président de longue date de TSMC ?

De nombreux éléments montrent qu’au minimum, la loi de Moore telle que nous la connaissons ne sera plus jamais la même. La fabrication d’une puce comportant des milliards de transistors à moins de 10 nanomètres est incroyablement difficile. On observe aussi beaucoup de propagande parmi les protagonistes, TSMC produisant actuellement des puces de 5 nanomètres tandis qu’Intel en est encore à 10 nanomètres. Malgré cela, la plupart des observateurs indépendants estiment que TSMC et Intel sont à peu près sur un même pied d’égalité aujourd’hui. En outre, le principal client de TSMC pour ses puces à 5 nanomètres est Apple, et la taille du processeur utilisé dans un iPhone est cinq à dix fois plus petite que celle utilisée dans les serveurs. Produire une puce plus puissante est exponentiellement plus difficile, ce qui explique que le nombre de clients de pointe de TSMC ait diminué et ne compte plus qu’Apple, Qualcomm et Huawei/HiSilicon. AMD et NVIDIA utilisent des puces de 7 nanomètres de TSMC, tandis qu’AMD va encore plus loin pour surmonter les difficultés en découpant le processeur lui-même en « modules multi-puces » et en les reconnectant par le biais d’un système de conditionnement avancé. Alors que nous atteignons les limites de la loi de Moore et des capacités de la lithographie, Intel a également annoncé qu’il s’engageait dans cette voie à partir de 7 nanomètres. Ces « modules multi-puces » ou « dalles », comme les appelle Intel, sont plus petits et relativement plus faciles à fabriquer, mais au prix d’un coût plus élevé et d’un compromis sur les performances.

Chez Intel, nous avons un plan

Intel reste publiquement déterminé à fabriquer des microprocesseurs en interne ; c’est inscrit dans son ADN. Alors que l’entreprise externalise déjà une grande partie de sa production, les processeurs de base sont fabriqués en interne. Les investisseurs ont interrogé cet engagement étant donné les retards en cours et le récent commentaire de la direction selon lequel l’entreprise a un plan de secours pour les processeurs à 7 nanomètres si d’autres retards devaient survenir, à savoir l’externalisation à TSMC. Il y a, en l’occurrence, quelques facteurs à prendre en compte. Intel voulait éviter la même débâcle que celle qu’il a connu pour les processeurs 10 nanomètres : les clients comptant sur Intel pour mener à bien leur stratégie produits se sont montrés de plus en plus exaspérés, leurs plans ayant été gravement perturbés pendant des années. Le fait d’avoir un plan de secours définitif a pour objectif de rassurer les clients. Intel a également déclaré que ce passage aux « dalles » lui permet d’être plus flexible en matière de sous-traitance car il lui donne la possibilité d’externaliser si nécessaire la fabrication d'une dalle, plutôt que la puce entière. Il y a aussi des considérations géopolitiques à prendre en compte. L’administration américaine actuelle ainsi que le futur gouvernement sont engagés à soutenir stratégiquement le secteur américain des semi-conducteurs, notamment sa capacité à fabriquer des microprocesseurs à la pointe. Le fait de dépendre d’une fabrique située sur une île au large des côtes chinoises empêche probablement de nombreux PDG américains ainsi que le Pentagone de dormir la nuit. Actuellement, le fabricant américain de semi-conducteurs de pointe est Intel, Samsung ayant une usine de fabrication plus petite à Austin, au Texas, et TSMC prévoyant de construire une usine encore plus petite à Phœnix, en Arizona, en 2024. Il semble peu probable qu’Intel externalise complètement sa production à TSMC, avec les problèmes de sécurité nationale qui y sont associés et les milliers de pertes d’emplois dans le secteur des semi-conducteurs haut de gamme. Bien que cela ne soit pas impossible, surtout si la loi de Moore continue d’être contestée chez Intel, l’objectif premier de l’entreprise semble être de rattraper son retard en interne grâce à la loi de Moore.

Relever les défis et saisir les opportunités

TSMC continue de bénéficier d’une opportunité importante dans le domaine du calcul haute performance, qui est nécessaire à mesure que la croissance phénoménale que l’entreprise a connue dans le secteur des smartphones au cours de la dernière décennie s’atténue, et malgré une poussée à court terme de la 5G. Dans les deux années à venir, TSMC semble avoir la ferme intention d’être l’ambassadeur de la loi de Moore. Les espoirs d’une externalisation à grande échelle d’Intel sont probablement trop optimistes. Les défis auxquels est confronté Intel donnent la possibilité à des clients comme AMD ou NVIDIA/ARM de gagner des parts de marché, au bénéfice probable de TSMC, alors qu’il pourrait y avoir des opportunités supplémentaires chez Intel, certaines probablement temporaires, mais d’autres plus permanentes.

TSMC doit également continuer à faire face à l’équilibre précaire dû à l’escalade des tensions entre les États-Unis et la Chine. Les nouvelles restrictions récemment imposées par le gouvernement américain, visant spécifiquement à rompre la relation entre TSMC et Huawei/HiSilicon*, sont le dernier rappel en date de l’impact que peut avoir la géopolitique. TSMC a déjà construit une usine en Chine et s’est maintenant engagée à en construire une aux États-Unis, tandis que son concurrent en Chine, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), a récemment annoncé de nouvelles dépenses importantes pour renforcer sa capacité à servir ses clients domestiques. L’entreprise risque cependant d’être ajoutée à la « Entity List » qui impose l’obtention d’une autorisation pour tout produit dont au moins 25 % des droits de propriété intellectuelle sont d’origine américaine. TSMC va devoir jongler avec ces opportunités et ces risques pendant les années à venir.

Résumé

Ces difficultés nous rappellent que dans l’univers dynamique des technologies, où les indices boursiers récompensent les succès passés plutôt que futurs, la gestion active des valeurs technologiques reste importante. Il n’y a pas si longtemps, la capitalisation boursière d’Intel était supérieure à celle de TSMC. Mais aujourd’hui, elle est près de deux fois inférieure. Dans le même temps, NVIDIA a récemment dépassé Intel, et AMD se trouve à mi-chemin.

Le contexte changeant du secteur des semi-conducteurs semble offrir de nombreuses opportunités aux investisseurs, à condition qu’ils les voient sous le bon angle.

*En mai 2020, le gouvernement américain a annoncé des règles visant Huawei et sa filiale HiSilicon, et exigeant une autorisation pour toute livraison provenant de fabricants utilisant des technologies ou des équipements américains.

Glossaire :

La fréquence d’horloge est un indicateur de la vitesse d’un processeur. Il s’agit de la fréquence à laquelle le générateur d’horloge d’un processeur peut générer des impulsions qui sont utilisées pour synchroniser les opérations des composants de ce processeur. En général, une fréquence d’horloge plus élevée signifie une unité centrale de traitement (UCT) plus rapide.

La lithographie par immersion est une technique permettant d’améliorer la résolution photolithographique pour la fabrication de circuits intégrés (CI) qui remplace l’espace vide habituel entre la lentille finale et la surface de la plaquette par un milieu liquide ayant un indice de réfraction supérieur à un. La résolution est multipliée par un facteur égal à l’indice de réfraction du liquide.

La mise à l’échelle de Dennard postule que dès lors que la taille des transistors diminue, leur densité de puissance reste constante, de sorte que la puissance utilisée reste proportionnelle à la surface. Cela a permis aux fabricants de processeurs d’augmenter les fréquences d’horloge d’une génération à l’autre sans augmenter de manière significative la consommation d’énergie globale du circuit.

Un processeur graphique effectue des calculs mathématiques et géométriques complexes qui sont nécessaires au rendu graphique.

Une UCT ou unité centrale de traitement est le composant principal d’un ordinateur qui traite des instructions. Elle fait fonctionner le système d’exploitation et les applications, en recevant constamment des informations de l’utilisateur ou des programmes logiciels actifs.