Guerre technologique : 10 points sur les semi-conducteurs

1 — Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?

Les semi-conducteurs (aussi désignés sous les termes de circuits intégrés (CI) ou micropuces) représentent la base technologique indispensable de la microélectronique. Ils se répartissent en deux grandes catégories : les puces analogiques (il s’agit de produits plus simples tels que les capteurs, actionneurs, oscillateurs) et les puces numériques. Parmi ces dernières, on peut notamment distinguer les processeurs, qui permettent à un dispositif électronique de fonctionner, et la mémoire. Les semi-conducteurs se retrouvent dans de nombreux produits électroniques de notre quotidien tels que nos smartphones, ordinateurs ou voitures. Ils sont également présents dans bien des secteurs cruciaux pour la défense et la sécurité nationale, dont les systèmes d’armes ou bien la technologie aérospatiale.

Aujourd’hui, les principaux marchés de consommateurs de semi-conducteurs sont l’informatique (ordinateurs et serveurs) et les télécommunications (smartphones), qui représentent respectivement 225 milliards de dollars et 170 milliards de dollars en 2021 (soit près des ⅔ du marché mondial des semi-conducteurs). Les projections pour 2030 prédisent que ces deux marchés pèseront à eux-seuls 350 et 280 milliards de dollars respectivement. De même, les prédictions de la taille du marché mondial de semi-conducteurs anticipent une hausse de près de 60 % en 2030 par rapport à 2021.

2 — Pourquoi sont-ils importants ?

La production d’une puce électronique nécessite de passer par une série d’étapes définissant la chaîne de valeurs des semi-conducteurs, qui se concentre autour de six acteurs clés interdépendants : la Chine, la Corée du Sud, le Japon, les États-Unis, Taïwan et l’Europe.

Depuis les années 1970, le nombre de transistors dans les semi-conducteurs double tous les deux ans. On désigne ce phénomène de « loi de Moore », du nom de l’ingénieur qui fit cette prédiction — avérée empiriquement depuis — en 1965. Ces efforts continus pour maintenir cette tendance de développement technologique exponentiel et générer « plus de Moore » ont constitué le principal moteur de l’industrie microélectronique et de la croissance du marché des semi-conducteurs au cours des dernières années. Ils sont permis par la réduction de la distance entre deux transistors grâce à des procédés de gravure impliquant une technologie de type 13 micromètres dans les années 2000 (13.10^-6) à 20 nanomètres en 2012, et de 5 nanomètres (5.10^-9) aujourd’hui. La réduction de la taille de gravure au cours des 15 dernières années est quant à elle permise par la technologie de lithographie extrême ultraviolet.

La poursuite de la loi de Moore a conduit à une forte augmentation des coûts du design de puces afin de les rendre plus puissantes et efficaces. Plus encore, le coût des usines de semi-conducteurs (les fabs) a connu une très forte croissance avec chaque nouvelle génération de puces. Ce qui a conduit, à partir du début des années 1990, à une spécialisation croissante des acteurs. Si certaines sociétés effectuent encore en interne la conception des puces, leur production et leur commercialisation (les Integrated Device Manufacturers comme Intel ou Samsung), d’autres se sont spécialisées dans les activités de conception intensives en R&D (les fabless tels que Nvidia ou Qualcomm) et sous-traitent la production à des fonderies (dont la plus importante est TSMC), avant d’assurer la commercialisation des puces.

3 — La chaîne de valeur et l’interdépendance des acteurs clés

La chaîne de valeur des semi-conducteurs se caractérise par la coexistence d’effets d’interdépendance et de technologies dites de « goulet d’étranglement » (choke point technologies). Ceux qui contrôlent ces technologies bénéficient d’un avantage stratégique majeur. En plus des États-Unis et de la Chine, les autres acteurs majeurs de cette industrie sont l’Europe, le Japon, la Corée du Sud et Taïwan.

Ceux qui contrôlent ces technologies dites de « goulet d’étranglement » bénéficient d’un avantage stratégique majeur.

États-Unis

Les États-Unis jouent un rôle ultra-dominant dans les étapes amont de la chaîne de valeur (R&D, conception, production de logiciel de design) et dans la commercialisation (47 % des puces vendues en 2020 l’ont été par des sociétés américaines), ce qui leur permet de produire 38 % de la valeur ajoutée mondiale du secteur. Mais le territoire américain n’est plus le lieu que de 13 % de la production mondiale de puces, contre 37 % en 1990. Cela s’explique par le fait que de nombreuses sociétés américaines du secteur se sont spécialisées sur la conception et la commercialisation de puces, tandis qu’elles sous-traitent la production à des fonderies étrangères, alors même que les IDM et fonderies américaines ont redéployé leur production en Asie de l’Est.

De nombreuses grandes entreprises américaines sont donc désormais très dépendantes de TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, principale fonderie de semi-conducteurs au monde). Les puces conçues par Apple pour équiper iPhones, iPads et divers appareils électroménagers sont ainsi produites par le Taïwanais. Ce rôle essentiel de TSMC dans l’approvisionnement des États-Unis a été mis en évidence lors du voyage de Nancy Pelosi d’août dernier ; au cours d’une visite de 19 heures à Taïwan, la speaker de la Chambre des représentants a pris le temps de rencontrer des cadres supérieurs de TSMC.

Les États-Unis sont donc un acteur clé dans la chaîne de valeur des puces, bien qu’en perte de vitesse sur l’importante étape de la production. Or si l’on se tourne vers la consommation finale de puces par les États-Unis, il apparaît qu’ils constituent encore le premier marché mondial, juste devant la Chine.

Chine

La Chine a quant à elle réalisé d’impressionnants progrès au cours des deux dernières décennies en se hissant parmi les six premiers acteurs mondiaux de l’industrie des semi-conducteurs. Ce succès repose sur l’interdépendance mondiale qui caractérisait la chaîne de valeurs jusqu’à l’intensification des mesures de contrôle sur les transferts de technologie.

Compte tenu de la taille immense de son industrie électronique, la Chine est le premier importateur de semi-conducteurs du monde. En 2021, le pays a acheté pour plus de 430 milliards de dollars de semi-conducteurs, dont 36 % en provenance de Taïwan, tandis que 15,7 % seulement de sa demande a été produite sur sol chinois. En 2020, la balance commerciale de la Chine était déficitaire de 233,4 milliards de dollars dans le domaine des semi-conducteurs — soit plus que le pétrole et l’ensemble des importations de son principal partenaire commercial, l’Union européenne.

Il est toutefois à noter qu’une part importante de ces semi-conducteurs sont utilisés comme intrants pour des produits électroniques destinés à l’exportation. Ils sont donc réexportés au sein d’ordinateurs, de smartphones, etc. C’est ce qui permet d’expliquer pourquoi la Chine ne représente que 24 % de la demande finale de puces (cf. schéma ci-dessus).

L’industrie des semi-conducteurs a toutefois connu une certaine croissance en Chine, d’abord grâce à des investissements étrangers. Les ventes des entreprises chinoises de semi-conducteurs, qui ne s’élevaient qu’à 13 milliards de dollars en 2015 (3,8 % du marché mondial), s’élèvent à 39,8 milliards de dollars en 2020, soit un taux de croissance annuel sans précédent de 30,6 % (9 % du marché mondial) ¹. Cela est dû au développement d’un écosystème de fabless spécialisé sur la conception (la filiale de Huawei, HiSilicon, mais également ZTE ou Omnivision) mais également de fonderies (en premier lieu SMIC).

Union européenne

La spécialisation de l’industrie européenne des semi-conducteurs est intimement liée aux spécificités de l’industrie européenne. Les producteurs intégrés européens, STMicroelectronics, NXP et Infineon sont d’importants producteurs de puces analogiques, qui répondent aux besoins des industries européennes (automobiles, senseurs pour machines-outils, etc.). En l’absence d’industrie des équipements informatiques (ordinateurs, serveurs, smartphones), la demande de processeurs ou de puces mémoires reste limitée. Ainsi, la proportion des investissements européens dans le secteur de la robotique (28 %), de l’automobile (30 %), et de l’aérospatial (14 %) est bien plus importante que dans le reste du monde. À l’inverse, l’Union se retrouve derrière en termes d’investissements dans les télécommunications (4,8 %) et les ordinateurs (7 %).

Toutefois, elle dispose d’un actif ultra-stratégique : ASML. Cette société néerlandaise exerce un monopole sur la fabrication et la commercialisation de machines de lithographie extrême ultraviolet, nécessaires à la gravure des dernières générations de puces. Ces équipements complexes, qui coûtent plus de cent millions d’euros à l’unité, font notamment l’objet de toute l’attention des services de l’administration américaine en charge du contrôle des exports. Le gouvernement américain exerce une forte pression sur la société pour que celle-ci cesse complètement ses exportations vers la Chine — ce qu’elle a déjà commencé à faire pour ses produits les plus sophistiqués ².

Taïwan et Corée du Sud

Le poids de Taïwan dans le domaine des semi-conducteurs ainsi que la dépendance des États-Unis vis-à-vis de l’île pour les puces sont devenus synonymes de quatre lettres : TSMC — Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. L’entreprise taïwanaise est un poids lourd qui représente à elle seule 53 % du marché mondial de la fonderie de semi-conducteurs. de la production par des fonderies de semi-conducteurs en 2020 ³. Signe de sa domination du marché, TSMC a fourni 92 % des puces les plus avancées en 2019, selon un rapport du Boston Consulting Group ⁴.

Le poids de Taïwan dans le domaine des semi-conducteurs ainsi que la dépendance des États-Unis vis-à-vis de l’île pour les puces sont devenus synonymes de quatre lettres : TSMC — Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.

La Corée du sud, avec Samsung et SK Hynix, exerce un quasi-monopole sur le segment des puces mémoires. En effet, Samsung joue un rôle stratégique dans le domaine des semi-conducteurs puisqu’il s’agit du deuxième producteur mondial  : avec son compatriote et concurrent SK Hynix, elle exerce une position dominante sur le segment des cartes mémoires, la Corée ayant réalisé 62 % des ventes mondiales en 2018.

À ce jour, seuls TSMC (Taïwan) et Samsung (Corée du Sud) fabriquent des semi-conducteurs reposant sur une technologie inférieure à 7 nanomètres. Les smartphones haut de gamme nécessitent a minima un processus de fabrication de 7 nanomètres pour leurs microprocesseurs, ce qui signifie que l’économie numérique mondiale, y compris la Chine, dépend de Taïwan et de la Corée du Sud.

4 — Pourquoi Taïwan ?

Cet été, des navires militaires chinois s’entraînaient à la mise en place d’un blocus naval de Taïwan, simulant ainsi un scénario qui inquiète les dirigeants politiques du monde entier : non pas une guerre ouverte, mais un arrêt des chaînes d’approvisionnement électroniques ⁵.

Une personnalité en particulier a eu un rôle majeur en faisant de Taïwan un acteur fondamental de la chaîne de production des semi-conducteurs : l’entrepreneur Morris Chang. Présent au dîner avec Nancy Pelosi lors de la visite de la présidente de la Chambre, le fondateur de TSMC a une importance non négligeable dans l’essor de l’industrie à Taïwan au cours des trente dernières années.

En ayant pris conscience de la grande complexité de la chaîne d’approvisionnement de cette industrie et de sa configuration en choke points technologiques, Chang a fait du détroit de Formose un goulet d’étranglement fondamental de la production des semi-conducteurs ⁶.

5 — Pourquoi les semi-conducteurs sont-ils au cœur de la rivalité géopolitique globale ?

Récemment, l’administration Biden a émis une série de sanctions qui portent l’affrontement global dans ce domaine à un autre niveau, celles-ci empêchant les entreprises d’envoyer en Chine les processeurs de pointe nécessaires à l’exécution d’algorithmes d’intelligence artificielle complexes ⁷. Les sanctions ne s’appliquent pas qu’aux entreprises américaines, mais également à toutes celles qui utilisent des intrants américains dans leurs processus de production (propriété intellectuelle, logiciel de design, etc.). Cette décision fait suite à une série de décisions ayant déjà commencé à renforcer les contrôles des exportations de semi-conducteurs en direction de la Chine.

Si certains y voient un retour à des logiques de guerre froide, cette décision est emblématique de la centralité des semi-conducteurs dans la rivalité technologique globale. On a déjà vu comment les acteurs impliquées sont aussi des acteurs géopolitiques majeurs, mais une série de facteurs contribuent à souligner encore plus l’importance des semi-conducteurs : la transformation numérique mondiale en cours, la pandémie de covid avec ses effets disruptifs sur les chaînes d’approvisionnement et la guerre en Ukraine qui impacte les fournitures de matières premières.

Si certains y voient un retour à des logiques de guerre froide, cette décision est emblématique de la centralité des semi-conducteurs dans la rivalité technologique globale.

6 — Quelle est la position des États-Unis ?

La réduction très forte de la part des Etats-Unis dans la production totale de semi-conducteurs, passée de 37 % en 1990 à 12 % en 2020 est aujourd’hui identifiée comme un risque. La crise Covid et les problèmes de chaînes d’approvisionnement ont en effet eu des impacts forts sur les secteurs avals, en particulier dans l’automobile, en déstabilisant la production et contribuant à l’inflation. Les tensions autour de Taïwan viennent également renforcer la volonté américaine d’autosuffisance. 

Le Congrès américain a donc approuvé en juillet 2022, au sein du Chips and Science Act, le financement des programmes du CHIPS for America Act, visant à soutenir la souveraineté américaine en termes de fabrication de semi-conducteurs, sa compétitivité et enfin sa sécurité nationale. Les aides financières sont au cœur de ce programme, avec des fonds s’élevant à plus de 50 milliards de dollars, dont 39 milliards de subvention pour les investissements visant à construire, agrandir ou moderniser des installations et des équipements nationaux pour la fabrication, l’assemblage, le test et l’emballage avancé de puces. 13 milliards sont prévus pour soutenir la recherche et le développement. La loi prévoit également un nouveau crédit d’impôt dédié.

Pour garantir l’objectif du l’objectif du Congrès de promouvoir la compétitivité nationale, la loi installe des garanties pour s’assurer que les bénéficiaires de fonds fédéraux ne puissent pas produire de semi-conducteurs dans des pays qui présentent un risque de sécurité nationale, dont la Chine ou la Russie. L’un des objectifs principaux des États-Unis consiste ainsi à limiter l’implication globale des entreprises de télécommunication ayant des liens étroits avec le PCC, incluant de ce fait Huawei.

7 — Quelle est la position de l’Union européenne ?

Dans la constitution d’une chaîne d’approvisionnement toujours plus centrée sur le Pacifique, l’Union a vu son rôle décroitre lors des deux dernières décennies. Par rapport à son poids économique (près de 23 % du PIB mondial), la part de l’UE dans les recettes mondiales de semi-conducteurs est d’environ 10 %, et de 6 % seulement pour les segments de l’informatique et des communications. Des capacités de production limitées pour répondre à la demande future, des coûts d’entrée élevés, un accès inadéquat au financement et des réglementations différentes par rapport à d’autres régions menacent la capacité des entreprises européennes à rester compétitives sur ce marché. 

La stratégie européenne pour récupérer une certaine forme de leadership dans ce domaine passe par l’adoption du European Chips Act. Proposé en février, il est le premier instrument permettant à l’Union européenne d’entrer dans le grand jeu des semi-conducteurs — la Commission européenne a d’ailleurs déclaré que l’Union visait à atteindre 20 % de la production globale en 2030 ⁸.

Les objectifs principaux du Chips Act sont le soutien de l’innovation dans l’écosystème des semi-conducteurs européen et la sécurité de la chaîne d’approvisionnement. Le premier instrument du Chips Act est l’initiative « Chips for Europe », qui servira de ligne directrice aux entreprises et aux centres de recherche qui cherchent à obtenir des subventions européennes et nationales. La vraie nouveauté de cette initiative est la création d’un Chips Fund, destiné à rassembler plusieurs institutions et mécanismes européens existants en répondant à des demandes qui viennent du monde de l’industrie.

Un autre objectif du Chips Act est de soutenir le développement d’usines européennes capables de produire en grand volume les semi-conducteurs les plus avancés. La loi sur les puces fournit à l’Union l’espace juridique nécessaire pour approuver des aides d’État à cette fin. En juillet dernier, Emmanuel Macron annonçait ainsi la construction d’une usine de semi-conducteurs en France dont le projet de fonderie s’insère dans le cadre du Chips Act européen. 

Toutefois, si les objectifs de la Commission sont ambitieux et que le Chips Act en est seulement le premier pas, la position de l’Union européenne reste bien moins ambitieuse par rapport à celles des autres acteurs. En effet, l’Europe a surtout aménagé des exceptions à son régime d’interdiction des aides d’Etat, mais elle n’a pas mobilisé de nouveaux fonds pour soutenir les industriels. Il reste aux Etats-membres à assumer le coût de telles subventions. 

Surtout, l’Europe reste fortement dépendante des États-Unis pour les outils de conception et de l’Asie pour la fabrication de puces avancées. De plus, par rapport aux États-Unis, la faiblesse européenne dans la production n’est pas compensée par une plus grande force dans les activités se situant en amont et en aval de la chaîne.

8 — Qu’est-ce qui est fait ou prévu pour contrecarrer la pénurie de semi-conducteurs ?

Les États-Unis et l’Union européenne n’ont pas été les seuls à planifier de puissants investissements pour contrecarrer les facteurs structurels et cycliques énoncés plus haut et pour encourager la recherche et la production de semi-conducteurs. Il s’agit d’investissements publics, tels que ceux prévus — et, dans certains cas, déjà déclenchés —, à hauteur de plusieurs centaines de milliards de dollars mis en place par la Chine, l’Inde, le Japon et Taïwan (entre 2014 et 2018, le gouvernement taïwanais a apporté un soutien budgétaire à TSMC a hauteur de 3 % des revenus du groupe).

Ces investissements sont aussi privés, tels que ceux prévus dans les plans industriels des principales entreprises du secteur : parmi celles-ci, Intel (qui prévoit d’investir 80 milliards sur une décennie rien qu’en Europe) et la société taïwanaise TSMC (qui prévoit d’investir entre 40 et 44 milliards de dollars sur les cinq prochaines années, en partie en Europe). En Extrême-Orient principalement — mais pas uniquement —, les investissements publics et privés ne se chevauchent pas et ne se font pas concurrence, mais tendent à la réalisation de programmes synergiques.

En Extrême-Orient principalement — mais pas uniquement —, les investissements publics et privés ne se chevauchent pas et ne se font pas concurrence, mais tendent à la réalisation de programmes synergiques.

Mais il existe aussi des raisons et des motivations, non moins importantes, liées aux impératifs de sécurité et de défense nationale, exacerbées par les fortes tensions qui traversent actuellement le contexte géopolitique. On peut parler à juste titre d’investissements stratégiques car ils contribuent à ce processus de restructuration des chaînes de valeur mondiales qui tend à assurer « l’autonomie stratégique ». Les acteurs concernés sont en premier lieu les États (et, en Europe, l’Union européenne), mais aussi les entreprises, et en particulier les Big Tech, comme en témoigne le choix d’Apple de designer en interne les puces dont elle a besoin.

9 — Quel impact ont eu les nouvelles restrictions américaines sur le marché global des semi-conducteurs ?

Les mesures récemment annoncées par le gouvernement américain vont avoir un impact dans la configuration mondiale du marché des semi-conducteurs. Ces nouvelles mesures de contrôle des exportations visent à restreindre les entreprises envoyant des puces et des équipements de fabrication des semi-conducteurs en Chine. Il s’agit ici des mesures les plus importantes que les États-Unis ont adoptées envers l’industrie chinoise des semi-conducteurs, alors que les mesures précédentes ciblaient plus souvent des entreprises individuelles et un ensemble plus restreint de technologies. Concrètement, les fournisseurs américains ont interrompu le support des équipements déjà installés à YMTC (Yangtze Memory Technologies, fabricant chinois de semi-conducteurs), ont arrêté l’installation de nouveaux outils et retiré le personnel américain basé chez YMTC.

La ligne directrice de cette manœuvre tend à entraver la capacité de la Chine à développer indépendamment les puces les plus avancées et à équiper son armée, et surtout éviter une escalade vers une nouvelle guerre froide.

Cela aura un impact commercial évident pour les États-Unis. Applied Materials Inc, l’un des principaux fabricants d’équipements de fabrication de puces, a réduit mercredi ses prévisions pour le quatrième trimestre, avertissant que les nouvelles réglementations sur les exportations réduiraient les ventes d’environ 400 millions de dollars au cours de cette période. Cette entreprise a réalisé plus de 27 % de ses ventes en Chine au deuxième trimestre, soit près de 1,8 milliard de dollars. Du côté chinois, l’entreprise YMTC est confrontée à un gel du soutien de ses principaux fournisseurs.

La Chine consacre des milliards de dollars afin de développer une industrie nationale des semi-conducteurs moins dépendante du reste du monde, mais ces fabricants de puces doivent encore acheter des équipements hautement spécialisés auprès de fournisseurs aux États-Unis, en Europe et dans d’autres régions d’Asie. Les États-Unis sont conscients de cela et intensifient leur stratégie pour étouffer le développement d’une industrie indépendante des semi-conducteurs en Chine. 

10 — Que se passe-t-il en cas de pénurie de semi-conducteurs ?

Les semi-conducteurs sont au cœur de l’effort de guerre de la Russie. Les Occidentaux sont conscients que l’issue de la guerre dépendra en partie du fait que la Russie trouve ou non un moyen de retrouver l’accès à ces puces, et ils veulent s’assurer que ce ne soit pas le cas. La Russie est à la recherche de semi-conducteurs, de transformateurs, de connecteurs, de boîtiers, de transistors, d’isolateurs et d’autres composants dont le pays a besoin pour alimenter son effort de guerre. La plupart sont fabriqués par des géants électroniques américains (Marvell, Intel, Holt entre autres).

Sur la liste prioritaire de la Russie, on retrouve le réseau FGPA (Field-Programmable Gate Array) 10M04DCF256I7G, fabriqué par Intel, qui peut être obtenu pour 66 000 roubles, soit plus de 1 100 € l’unité. Avant la pénurie de puces, la pièce aurait coûté moins de 20 €.

Les fournisseurs russes de l’armée disposent de plusieurs moyens pour acquérir ces semi-conducteurs, allant de l’achat sur des marchés en ligne non régulés à l’utilisation de boîtes postales pour faire entrer clandestinement des composants technologiques dans le pays. La mise en place de canaux et d’intermédiaires avec l’Iran, la Corée du Nord ou encore la Chine n’est pas non plus à exclure. La stratégie de sanctions des occidentaux semble toutefois fonctionner pour le moment, car les approvisionnements russes continuent à diminuer.

Tout l’enjeu pour les Occidentaux est d’exploiter le déficit technologique de la Russie et son manque de semi-conducteurs, nécessaires pour faire fonctionner les systèmes de combat modernes ainsi que les appareils de surveillance ou bien d’imagerie satellite. En conséquence de ces mesures, la Russie recherche désormais désespérément les semi-conducteurs les plus sophistiqués pour subvenir aux besoins de son industrie d’armement. 

Dans une certaine mesure, le durcissement par les États-Unis des sanctions appliquées au secteur des semi-conducteurs vis-à-vis de la Chine — largement illustré récemment par la nouvelle salve de sanctions américaines imposées le 7 octobre dernier — vise un objectif similaire. En inscrivant sur la liste des produits contrôlés (foreign product direct rules) de nouveaux biens utiles à la fabrication de supercalculateurs, ces mesures visent principalement à empêcher l’importation comme le développement de puces avancées, notamment utiles pour les applications d’intelligence artificielle.
Dans un discours-clef prononcé le 16 septembre dernier à l’occasion de la parution du rapport du Spécial Competitive Studies Project, le conseiller à la sécurité nationale du président américain, Jake Sullivan, a intégré la place accordée à la compétition technologique entre Washington et Pékin à la doctrine chinoise de l’administration Biden, et plus largement à la politique étrangère des États-Unis. Dans celle-ci, la logique défensive laisse place à une volonté plus explicite de ralentir le progrès économique et technologique de certaines puissances étrangères jugées menaçantes — la Chine figurant au sommet de ces menaces.