Des techniciens poussent un chariot dans la salle blanche de Fab7 dans l'usine de fabrication de semi-conducteurs de Globalfoundries Inc.

Une salle blanche dans une usine de fabrication de puces électroniques à Singapour.Crédit : Lauryn Ishak/Bloomberg/Getty

L’une des nombreuses conséquences de la pandémie de COVID-19 est une pénurie mondiale de puces électroniques essentielles aux appareils électroniques. Les usines qui fabriquent ces puces ont dû fermer pendant une partie de la pandémie et ont du mal à faire face à une augmentation de la demande. Certains produits peuvent être retardés de plusieurs mois.

Il est trop tôt pour savoir comment la pénurie affectera l’industrie à long terme, mais la pandémie a attiré l’attention sur certaines questions de recherche clés, notamment comment rendre le processus de fabrication plus résistant aux chocs et aux urgences.

Un problème bien connu est que les puces électroniques ne sont conçues que dans une poignée d’entreprises, dont Samsung en Corée du Sud et Intel, NVIDIA et Qualcomm en Californie. Mais toutes ces entreprises ne fabriquent pas les puces. Certains le font; d’autres sous-traitent le travail à des tiers. Et environ 80% des puces sont fabriquées en Asie (Électron de la nature. 4, 317; 2021). Le plus grand fabricant est la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) à Hsinchu, qui est responsable de 28 % de la capacité mondiale en utilisant les méthodes de fabrication actuelles. Si cette concentration a sans aucun doute été très bénéfique pour la région, elle a également contribué à la restriction actuelle des approvisionnements.

Des signes de changement commencent à apparaître. La Chine, les États-Unis et certains pays européens augmentent leurs investissements dans la recherche et le développement de puces électroniques. Amazon, Google, Microsoft et d’autres grandes entreprises technologiques américaines font de même, avec des investissements estimés à des centaines de millions de dollars. La diffusion des capacités à travers plus d’entreprises – et à plus de pays à revenu faible et intermédiaire – contribuera à rendre l’industrie plus résiliente.

Gain de temps

Également utile est un rapport cette semaine que les chercheurs de Google ont réussi à réduire considérablement le temps nécessaire pour concevoir des puces (A. Mirhoseini et al. Nature 594, 207-212 ; 2021). Il s’agit d’une réalisation importante qui contribuera grandement à accélérer la chaîne d’approvisionnement, mais l’expertise technique doit être largement partagée pour garantir que « l’écosystème » des entreprises devienne véritablement mondial. Et l’industrie doit s’assurer que les techniques permettant de gagner du temps n’éloignent pas les personnes possédant les compétences de base nécessaires.

Les chercheurs et les ingénieurs continuent de concevoir et de fabriquer des puces électroniques avec toujours plus de puissance de traitement et de complexité. Conformément à la loi de Moore – le principe selon lequel le nombre de transistors par puce double environ tous les deux ans à mesure que les transistors deviennent plus petits (GE Moore Électronique 38, 114-117 ; 1965) — le nombre de transistors par micropuce est passé de quelques milliers au début des années 1970 à plusieurs dizaines de milliards aujourd’hui.

Bien que la fabrication des puces soit largement automatisée, la conception repose toujours sur des processus manuels. Les ingénieurs et les concepteurs utilisent des logiciels de conception assistée par ordinateur, mais cela peut encore leur prendre des semaines ou des mois pour trouver comment insérer tous les composants dans l’espace disponible. Les chercheurs de Google ont maintenant montré que le processus peut être complété en moins d’une journée en utilisant l’intelligence artificielle (IA).

Typiquement, la surface d’une micropuce est de l’ordre de quelques dizaines à des centaines de millimètres carrés. Cet espace doit accueillir des milliers de composants, tels que des unités de mémoire, de logique et de traitement, ainsi que de nombreux kilomètres de fil ultra-fin pour connecter ces composants entre eux. L’un des aspects les plus difficiles du processus de conception est la « planification d’étage à puce ». Cela implique de déterminer où placer au mieux ces composants, de la même manière qu’un architecte conçoit l’espace intérieur d’un bâtiment de sorte qu’il puisse accueillir tous les appareils et accessoires nécessaires.

Les chercheurs de Google ont utilisé 10 000 plans d’étage de puces pour former leur logiciel. Le logiciel a ensuite trouvé comment générer des plans d’étage qui n’utilisaient pas plus d’espace, de fils et d’énergie électrique que ceux conçus par les ingénieurs. La miniaturisation et la faible consommation sont particulièrement importantes pour les puces utilisées dans les smartphones.

La conception des puces générées par l’IA a pris moins de six heures, et la méthode a déjà été utilisée pour concevoir l’unité de traitement tensoriel de Google, ou TPU, qui est principalement utilisée dans les applications d’apprentissage automatique basées sur le cloud de l’entreprise. Davantage d’équipes doivent tester le logiciel de conception pour s’assurer qu’il est robuste et qu’il peut s’adapter à d’autres ensembles de données et types de puces. Si plus de groupes peuvent recréer son succès, cela cimentera sa place dans la boîte à outils de conception de puces.

Maintenant concentre toi

Des puces électroniques plus accessibles et plus efficaces alimenteront le développement de véhicules autonomes, de communications 5G et d’IA, des opportunités à ne pas manquer. Mais il est important de prendre en compte les implications plus larges de l’utilisation des technologies de conception automatisée, en particulier le besoin de personnes possédant les compétences et l’expertise pertinentes, et de perfectionner les compétences de ceux qui effectuent actuellement le processus manuellement.

La planification des puces, qu’elle soit manuelle ou automatisée, nécessite une expertise en informatique, en ingénierie électronique et en physique des appareils. Ces compétences prennent du temps à apprendre et sont indispensables dans une industrie qui fabrique de nombreux autres produits en plus des micropuces. Il est crucial que les entreprises impliquées comprennent cela et prennent les mesures appropriées pour répondre à leurs besoins en compétences à la fois localement et globalement. L’automatisation alimente souvent les inquiétudes quant à la réduction des emplois. En fait, pour maintenir l’élan dans l’industrie électronique, il faudra des personnes et des entreprises prévoyantes pour créer la prochaine génération de puces électroniques.

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