La résilience de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs aux États-Unis

En février 2021, le président Biden a signé le décret (Executive Order) 14017 intitulé « America’s Supply Chains », demandant à sept agences exécutives d’évaluer la résilience et la sécurité des chaînes d’approvisionnement critiques du pays. Ainsi, le département de l’Énergie des États-Unis (DOE), via les laboratoires nationaux, a mené des évaluations des chaînes d’approvisionnement relevant de la base industrielle du secteur énergétique, avec un accent particulier sur les technologies nécessaires à la décarbonation des États-Unis d’ici 2050.

Voici un résumé du Deep Dive Report sur la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs aux États-Unis, l’un des 11 secteurs évalués, publié par le DOE en février 2022.

Introduction

Pour lutter contre la crise climatique et éviter les effets les plus graves du changement climatique, les États-Unis se sont engagés à réduire de 50 à 52 % les émissions nettes de gaz à effet de serre à l’échelle de l’économie d’ici 2030, à créer un secteur énergétique sans pollution par le carbone d’ici 2035, et à atteindre des émissions nettes nulles à l’échelle de l’économie au plus tard en 2050. 

La base industrielle du secteur énergétique américain devra subir des transformations radicales pour se décarboner d’ici 2050, et la croissance, l’efficacité énergétique et la sécurité de la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs sont des éléments clés de cette transformation. 

Les semi-conducteurs sont une technologie essentielle dans le secteur de l’énergie, car ils sont indispensables au fonctionnement de presque tous les véhicules électriques, bornes de recharge et éoliennes, ainsi que de l’ensemble du réseau électrique — tous critiques pour la décarbonation.  

Les semi-conducteurs sont également indispensables à l’économie américaine, contribuant à hauteur de plus de 246,4 milliards $ au produit intérieur brut (PIB) des États-Unis en 2020. Avec une valeur à l’export de 49 milliards $, ils ont constitué la quatrième exportation américaine en 2020, derrière l’aéronautique, les huiles raffinées et le pétrole brut. 

Le rapport s’intéresse tant aux semi-conducteurs de l’électronique de puissance conventionnels qu’aux semi-conducteurs à large bande interdite (WBG, wide bandgap), tous deux essentiels pour atteindre la neutralité carbone. 

La technologie 

Dans ce rapport, le terme « semi-conducteur » désigne les semi-conducteurs utilisés dans des applications contribuant à la décarbonation du secteur énergétique, à l’exception de ceux utilisés dans le photovoltaïque.

Ces applications comprennent :

• Les semi-conducteurs WBG (par ex. SiC et nitrure de gallium (GaN)), qui contrôlent, convertissent et conditionnent les flux d’énergie pour les véhicules électriques (VE), les technologies industrielles électrifiées (telles que les pompes à chaleur industrielles) et d’autres applications d’énergies renouvelables telles que les générateurs éoliens et solaires.
• Les semi-conducteurs conventionnels (par ex. à base de silicium) qui contrôlent les flux de données pour l’efficacité énergétique et les applications d’énergies renouvelables, y compris les VE, les systèmes de capteurs sans fil intégrés pour la fabrication éco-efficiente, l’efficacité énergétique des bâtiments et d’autres technologies d’énergies renouvelables.

La différence principale entre les applications dépend de la plage de fonctionnement des semi-conducteurs. Les deux types de semi-conducteurs fonctionnent efficacement entre 600 et 900 V, mais les dispositifs SiC opèrent aussi à des tensions bien supérieures. Un des domaines de chevauchement actuel entre GaN et SiC concerne le secteur des VE. 

Cartographie de la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs

Le marché et la chaîne d’approvisionnement des semi-conducteurs sont mondiaux et extrêmement complexes. La conception, la fabrication et l’assemblage d’un produit semi-conducteur peuvent prendre jusqu’à 100 jours, dont 12 jours de transport, et franchir les frontières internationales jusqu’à 70 fois.

La plupart des chaînes d’approvisionnement peuvent être structurées en cinq segments principaux : matières premières, matériaux transformés, sous-composants, produit fini, et recyclage/réutilisation en fin de vie (EOL). La complexité des semi-conducteurs exige cependant plusieurs segments additionnels dans la chaîne : conception, équipement de fabrication de semi-conducteurs (SME), assemblage, test et conditionnement (ATP), y compris le conditionnement avancé, ainsi que la recherche et développement (R&D), comme illustré à la Figure 9. 

Principales vulnérabilités de la chaîne d’approvisionnement américaine des semi-conducteurs 

• Les efforts de décarbonation entraîneront une augmentation de la demande en énergies renouvelables et en infrastructures associées, y compris dans les chaînes d’approvisionnement électroniques conventionnelles et WBG. L’insuffisance actuelle des capacités de fabrication nationales et de l’accès aux matières premières sera aggravée. La production mondiale de silicium prévue ne pourra pas suivre ce rythme de croissance, et il est probable que d’autres chaînes logistiques seront également sous tension. Le secteur des VE pourrait être tout particulièrement impacté par la croissance de l’utilisation des semi-conducteurs dans les véhicules et dans les infrastructures de recharge nécessaires. 

• La consommation énergétique mondiale des produits contenant des semi-conducteurs a doublé tous les trois ans depuis 2010. Cette croissance exponentielle de la consommation d’énergie devrait encore s’accélérer sous l’effet de l’électrification accrue liée à la décarbonation et à la croissance exponentielle des applications informatiques à forte intensité énergétique.

• Avec l’explosion de l’adoption des technologies de semi-conducteurs dans tous les secteurs, et en particulier dans l’énergie, les performances et l’efficacité des semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance et l’efficacité technologique globale des autres secteurs. 
• Les algorithmes d’intelligence artificielle doublent leur puissance tous les deux mois, et la consommation électrique des semi-conducteurs pour le minage de Bitcoin dépasse celle de certains pays européens, avec un temps de doublement d’un an. 

• En 1995, 26 % des capacités mondiales de fabrication de semi-conducteurs étaient situées aux États-Unis ; cette part est tombée à 10 % en 2020 (European Semiconductor Industry Association). Le développement de technologies répondant aux besoins du secteur énergétique est particulièrement stratégique. Les États-Unis disposent déjà d’un atout significatif sur le marché des électroniques de puissance SiC et d’une position dans le marché HV. Cependant, ces technologies et infrastructures associées requièrent des investissements supplémentaires pour améliorer la qualité et les coûts. Sans investissement immédiat, cet avantage pourrait rapidement être transféré à l’étranger. 

• Il est quasi impossible d’introduire directement de nouveaux dispositifs dans des usines de fabrication de plusieurs milliards de dollars. Les outils utilisant les techniques de contrôle ultra-précises nécessaires à la production de ces dispositifs économes en énergie pourraient en revanche transiter par les fabricants d’équipements.

• Les États-Unis doivent également renforcer leur capacité dans le conditionnement avancé. Cette technologie prend rapidement de l’importance en matière de performance et d’efficacité, et cette dynamique ne fera que s’accélérer avec l’électrification croissante. Le conditionnement avancé est un domaine innovant en plein essor qui repose fortement sur les capacités de conception où les États-Unis excellent, mais l’industrie américaine doit construire des usines de fabrication sur son sol ou elle risque d’être distancée dans ce secteur vital. 

• La fabrication de semi-conducteurs nécessite d’importants volumes d’eau et présente une empreinte carbone élevée, liée à une forte demande énergétique et à l’utilisation de composés fluorés. Il est donc indispensable de traiter en amont les impacts environnementaux potentiels liés à une augmentation de la production. 

• La sécurisation d’une chaîne d’approvisionnement résiliente repose sur l’existence d’une main-d’œuvre solide et bien formée. Les besoins couvrent tous les profils, des métiers techniques aux diplômes avancés, et devront être pourvus autant par des citoyens américains que par des travailleurs étrangers. Il est crucial de garantir la coordination entre les programmes de formation, les politiques d’immigration et les infrastructures de soutien, tout en maintenant des normes sociales élevées et des rémunérations compétitives. 

Conclusions 

Les États-Unis occupent une position de leader dans l’industrie des semi-conducteurs, mais cette position s’érode, notamment en ce qui concerne la fabrication nationale et le conditionnement avancé. 

Bien que des technologies existent pour aider à réduire les émissions de carbone, elles reposent actuellement sur des matières premières commercialisées sur des marchés mondiaux opaques et volatils, souvent situés dans des zones géopolitiquement sensibles. 

De plus, les étapes intermédiaires de la chaîne d’approvisionnement — transformation des matériaux et fabrication des composants — sont concentrées dans des pays étrangers aux relations géopolitiques complexes avec les États-Unis.

Pour que les États-Unis conservent et développent leur leadership dans le secteur des semi-conducteurs, il leur faudra répondre à une explosion de la demande en électronique de puissance conventionnelle et WBG en augmentant la fabrication et l’utilisation des deux types de semi-conducteurs, tout en assurant le développement de semi-conducteurs innovants à haut rendement énergétique et faible impact environnemental.

Pour atteindre ces objectifs, les États-Unis doivent développer une main-d’œuvre nationale qualifiée pour les semi-conducteurs conventionnels comme pour l’électronique de puissance WBG.