TSMC lancera la production pilote de puces 2 nm la semaine prochaine, suivie progressivement par la Corée du Sud et le Japon.

2024-08-21

Malgré la tendance croissante à la surenchère dans la dénomination des procédés de fabrication de puces, les géants des semi-conducteurs cherchent toujours à prendre la tête des calendriers de production de masse. Récemment, les médias taïwanais ont révélé que le fondeur de puces TSMC prévoit de lancer la production pilote de son procédé 2 nm la semaine prochaine. Ce nœud technologique, après le lancement de la production de masse du 3 nm il y a un an et demi, devrait permettre d'améliorer les performances du 2 nm de 10 à 15 % par rapport au 3 nm, à consommation d'énergie égale, et de réduire la consommation d'énergie de 25 à 30 % pour des performances équivalentes. Contrairement à ses habitudes, TSMC anticipe cette fois-ci le lancement de la production pilote, avec un trimestre d'avance sur la date initialement prévue pour octobre. Cette avance pourrait être due aux progrès réalisés par TSMC, mais pourrait également être impulsée par la concurrence.

Face à l'augmentation constante des coûts des procédés de gravure avancés inférieurs à 7 nm et à la baisse des performances à ce niveau, les utilisateurs des secteurs de la téléphonie mobile, de l'intelligence artificielle et autres se désintéressent des procédés plus avancés. À titre d'exemple, TSMC, pour sa technologie 3 nm, ne compte actuellement qu'Apple comme client majeur, et même le géant de l'IA NVIDIA utilise principalement la technologie 4 nm. C'est pourquoi TSMC a annoncé en avance le lancement d'une production pilote en 2 nm, probablement pour se préparer à conquérir les quelques clients potentiels de ce procédé. En effet, TSMC doit également faire face à la concurrence, car plusieurs géants des semi-conducteurs sont présents sur le marché des puces 2 nm, et chacun d'eux est très performant. Le mois dernier, le géant américain Intel a annoncé le lancement de la production en masse à grande échelle de son procédé Intel 3 (similaire au 3 nm), comme prévu. Bien que ce lancement soit postérieur de plus d'un an à celui de TSMC, Intel, selon sa feuille de route technologique, est également prêt à produire le procédé Intel 20A (équivalent au 2 nm) au cours du second semestre 2024. Un calendrier quasiment identique à celui de TSMC.

Image 4.png Diagramme de processus de puce Intel

Après des années d'efforts limités sur la technologie 14 nm, Intel a continué d'investir dans les procédés de fabrication avancés ces deux dernières années. L'entreprise a acquis la machine de lithographie EUV à haute ouverture numérique la plus chère au monde (380 millions de dollars l'unité) et affiche de grandes ambitions dans le secteur de la fonderie de puces, dominé par TSMC et Samsung. En mars dernier, Song Jiqiang, directeur de l'Institut de recherche d'Intel en Chine, déclarait au réseau Observer que l'entreprise accélérait la loi de Moore grâce à son plan « quatre ans et cinq nœuds » : « Je suis convaincu que d'ici 2025, Intel pourra reprendre la tête du marché des procédés et de la fabrication de transistors grâce au nœud Intel 18A (1,8 nm). » Intel inaugurera alors l'« ère Amy » des semi-conducteurs. Le sud-coréen Samsung est également un concurrent de taille sur le marché des puces 2 nm. Après deux ans de production en masse de puces 3 nm, Samsung a annoncé le 9 juillet qu'il fournirait des puces gravées en 2 nm à PFN, une entreprise japonaise spécialisée dans l'intelligence artificielle, pour le développement de modèles de langage complexes destinés à ses serveurs de calcul haute performance. Aux yeux de certains analystes du secteur, ce contrat témoigne de l'impact de Samsung sur la domination de TSMC sur le marché et pourrait même redéfinir le paysage concurrentiel. Cependant, le principal problème de Samsung réside dans le rendement. En février dernier, les médias coréens ont même rapporté que le rendement de sa technologie 3 nm était nul. Sur le marché mondial de la fonderie de puces, au premier trimestre de cette année, la part de marché de Samsung stagne à 13 %, bien loin des 62 % de TSMC. SMIC occupe la troisième place avec 6 %. Il est difficile d'imaginer que le Japon, longtemps à la traîne dans la fabrication de puces de pointe, souhaite également rattraper son retard à l'ère du 2 nm. Il y a un peu plus de quinze jours, Rapidus, entreprise japonaise soutenue par l'État, a annoncé que son usine pilote de gravure 2 nm démarrerait en avril 2025. Rapidus a également reçu le soutien du Centre de recherche en microélectronique belge (imec) et d'IBM (États-Unis) afin de réduire son écart avec TSMC. Bien que les géants du secteur se soient lancés dans une course à la technologie 2 nm, y voyant un enjeu stratégique, leur principal défi reste de trouver des clients pour ces puces onéreuses. Fin 2018, l'institut de recherche sur les semi-conducteurs IBS a publié un rapport indiquant que le coût de fabrication des puces 2 nm augmenterait jusqu'à 50 % par rapport aux puces 3 nm, portant le prix des plaquettes 2 nm à 30 000 dollars l'unité. Le coût des plaquettes 3 nm a quant à lui doublé par rapport aux puces 7 nm. L'institut estime qu'il faudrait environ 28 milliards de dollars pour construire une usine d'une capacité mensuelle de 50 000 plaquettes 2 nm et 20 milliards de dollars pour les plaquettes 3 nm.

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Dans le contexte du ralentissement de la loi de Moore, les gains de performance apportés par la miniaturisation des procédés de fabrication ne sont plus considérables, et qui est prêt à en supporter les coûts élevés ? De plus, ce procédé devient de plus en plus le « nano-mensonge » des géants des semi-conducteurs. Il y a deux ans, le cabinet d'études de marché TechInsights révélait que Samsung et TSMC laissaient leurs clients affirmer utiliser la technologie 4 nm alors qu'ils utilisaient encore la technologie 5 nm. Des géants comme Apple, Qualcomm et MediaTek étaient impliqués et, selon TechInsights, s'étaient associés pour créer ces « nanolimes » autour des puces. « Pourquoi supporter le surcoût de la technologie 4 nm quand on peut simplement renommer un procédé plus ancien ? » Renommer ouvertement un procédé 5 nm en procédé 4 nm vide de tout sens la numérotation des nœuds. Ainsi, lorsqu'une fonderie affirme avoir franchi une nouvelle étape, il ne faut pas la croire tant que la machine n'a pas été démontée et que cela n'a pas été vérifié. TechInsights est catégorique. Selon les prévisions actuelles, Qualcomm lancera son nouveau processeur haut de gamme pour smartphones, le Snapdragon 8 Gen 4, au second semestre de cette année. Ce processeur devrait utiliser la version améliorée du procédé 3 nm « N3E » de TSMC. Des blogueurs spécialisés étrangers ont révélé que la puce serait 25 à 30 % plus performante que la génération précédente et devrait être vendue entre 220 et 240 dollars (environ 1 600 à 1 800 yuans). Le premier processeur haut de gamme 3 nm de MediaTek devrait être lancé simultanément.

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TSMC et Samsung produisent en masse depuis longtemps des puces 3 nm. Qualcomm et MediaTek, deux grands fabricants de téléphones mobiles, n'ont commencé à les utiliser qu'au second semestre de cette année, ce qui indique que la technologie 3 nm n'est pas encore pleinement exploitée. On s'attend donc à ce que le marché des smartphones Android haut de gamme reste dominé par les processeurs 3 nm l'année prochaine. Cela signifie également que même si TSMC lance la production en masse de puces 2 nm l'année prochaine, Apple restera probablement le seul client majeur. Au premier trimestre de cette année, la technologie 3 nm, pourtant produite en masse depuis un an et demi, n'a contribué qu'à hauteur de 9 % au chiffre d'affaires de TSMC, contre 37 % pour la technologie 5 nm et 19 % pour la technologie 7 nm. Pan Gongyu, chercheur à l'Observer Network Mental Observation Institute, a déclaré qu'Apple est depuis longtemps le plus gros client de TSMC, représentant près d'un quart de son chiffre d'affaires l'année dernière, devant Nvidia, son deuxième client (environ 11 %). L'iPhone Pro, fleuron annuel d'Apple, est devenu l'application la plus avancée du procédé de fabrication de TSMC et son meilleur atout marketing. Le marché a établi un modèle « iPhone Pro et X nano » pour illustrer le rythme d'évolution des procédés de TSMC. Auparavant, le procédé 3 nm de TSMC avait retardé le lancement de l'iPhone Pro en raison des coûts engendrés par le nombre de couches exposées, ce qui avait suscité des moqueries. Cette fois-ci, TSMC affirme que la production pilote du procédé 2 nm est plus rapide que prévu. Il s'agit là encore d'un argument marketing, mais l'entreprise a certainement tiré les leçons du 3 nm et du 2 nm avec l'architecture Nanosheet. L'amélioration de la densité des transistors, des performances et de la consommation d'énergie par rapport au procédé 3 nm reste à confirmer par différents organismes d'évaluation. Il est certain que, face au ralentissement de la loi de Moore, les géants des semi-conducteurs vont investir davantage dans la promotion des procédés avancés, quitte à créer toujours plus de nanotechnologies. La réaction du marché dépendra de la décision des consommateurs.