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Semi-conducteurs - Tome II


Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques


- Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques
La Mission d'information a nommé M. Claude Saunier rapporteur le 4 avril 2003
Rapport sur l'évolution du secteur des semi-conducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies - Tome II : Actes du colloque organisé le 23 janvier 2003 : Microélectronique et nanotechnologies : une chance à saisir. n° 769 déposé le 4 avril 2003 par M. Claude Saunier


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Résumé



Résumé du rapport et des propositions « l'évolution du secteur des semi-conducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies »

La microélectronique : une révolution tranquille mais décisive
Depuis 1960, la taille des composants a été réduite d'un facteur dix mille1(*) et leur prix s'est effondré (le prix d'un gigabits de mémoire était de 75 000 € en 1970, il est aujourd'hui de 5 centimes d'euro)2(*).
Cette avancée scientifique et technologique a été à la source d'une révolution tranquille mais décisive qui a porté une grande part de la croissance de l'économie mondiale.
La microélectronique est devenue un secteur central de l'économie :
- elle est omniprésente dans notre vie quotidienne, ce dont témoigne la multiplicité de produits qui ont créé autant d'usages nouveaux (ordinateurs, radios-réveils, téléphones portables, magnétoscopes, lecteurs DVD, etc.) ;
- elle contribue fortement au développement durable dans le domaine vital des économies d'énergie grâce à l'électronique de puissance dont les progrès ont permis de répondre à la croissance de la consommation alors que celle de la production est inférieure de moitié à celle-ci ;
- son poids est croissant dans le PNB mondial : en 2000, 200 milliards d'euros de chiffre d'affaires de la microélectronique ont généré 1 000 milliards d'euros de chiffre d'affaires dans les industries électriques et 5 000 milliards d'euros de chiffre d'affaires dans les services (sur un PNB mondial de 28 000 milliards d'euros).
La place de cette industrie est encore appelée à s'accroître :
- du fait de la « pervasion croissante du silicium » qui conduit les objets quotidiens à incorporer de plus en plus de microélectronique (il y a vingt ans, la valeur d'un ordinateur n'incorporait que 15 % de semi-conducteurs, aujourd'hui 40 % ; actuellement, ce pourcentage atteint près de 40 % dans les automobiles de luxe),
- grâce aux microsystèmes, c'est-à-dire au couplage de la microélectronique avec des capteurs (thermiques, magnétiques, biologiques, chimiques, etc) et des transpondeurs,
- en raison de la montée progressive des nanotechnologies qui irrigueront notre quotidien d'ici dix à quinze ans.
La microélectronique et les nanotechnologies constitueront donc un secteur vital pour l'avenir économique de notre pays, et donc une chance à saisir.
Mais cette industrie est soumise à un double défi, technologique et économique.

Un double défi technologique et économique : les perspectives scientifiques des quinze prochaines années : vertige et réalité

La miniaturisation des composants se poursuivra au rythme prévu par la loi de Moore3(*)
Cette miniaturisation est-elle toujours aussi utile ?
Est-il nécessaire de fabriquer des composants de plus en plus petits et de plus en plus puissants ?
Les spécialistes considèrent que la tendance à la miniaturisation est inéluctable.
Les traitements numériques de l'image et du son exigent de plus en plus de puissance de calcul et les futurs processeurs permettront le dialogue homme-machine et machine-machine, modifiant radicalement notre environnement et nos usages.
La miniaturisation est-elle possible ?
L'objectif est, d'ici dix à quinze ans, de produire industriellement des transistors de 20 nm de section (10 milliards sur une puce, soit l'équivalent d'un cheveu sur un terrain de football) pour atteindre une vitesse d'horloge de 100 GHz, contre 2 GHz actuellement (c'est-à-dire capables de traiter 100 milliards d'opérations par seconde).
Mais, en-deçà de 50 nm, on se heurte à des phénomènes quantiques - qui ne sont pas encore contrôlés scientifiquement et encore moins industriellement.
Les difficultés identifiées sont aujourd'hui insurmontables :
- à partir de 50 nm, la couche d'isolant sur le silicium ne contient plus que 3 à 4 atomes, ce qui est insuffisant pour assurer la conduction du courant ;
- plus la taille des interconnexions qui relient les transistors entre eux diminue, plus leur vitesse et leur fiabilité de transmission décroissent ;
- plus la vitesse d'horloge augmente, plus la chaleur augmente. Sur une puce commutant plusieurs dizaines de milliards de fois par seconde, cet effet thermique volatilisera le silicium ;
- les difficultés de la conception assistée par ordinateur (la prémodélisation des composants qui consiste à prévoir l'architecture des voiries et des fluides de microprocesseurs 10 000 000 de fois plus petits que la ville de Paris) s'accroissent plus que proportionnellement à la taille des transistors.
Les efforts scientifiques et technologiques actuellement développés permettront progressivement de surmonter l'ensemble de ces obstacles, en particulier avec l'utilisation progressive des nanotechnologies.
Microsystèmes et nanotechnologies : une nouvelle révolution numérique
Au-delà des usages actuels, les progrès technologiques ouvrent de nouvelles perspectives et de nouveaux marchés.
Les microsystèmes
Dérivés de la microélectronique, les microsystèmes sont en plein développement et représentent dès à présent un marché mondial de plusieurs dizaines de milliards d'euros. Ils sont très présents dans plusieurs industries (automobile, espace, télécommunications, aéronautique, médecine, agroalimentaire).
Les nanotechnologies
En complément de la miniaturisation de la microélectronique, les nanotechnologies regroupent des procédés fondés sur l'auto-organisation de la matière à l'échelle atomique.
Mais les futurs nanosystèmes seront très différents des microsystèmes :
l'horizon de temps n'est pas le même : les microsystèmes sont actuellement disponibles, les nanosystèmes ne seront pas sur le marché avant dix à quinze ans, le changement d'échelle, de l'ordre d'un facteur 100, offre des possibilités d'applications économiques et sociales beaucoup plus importantes.
On peut, sans crainte, affirmer que les nanosystèmes vont irriguer le tissu industriel. Certains de leurs domaines d'application sont, dès à présent, connus :
- les nanosystèmes dédiés à la santé et à la compensation des handicaps liés au vieillissement de la population (techniques de diagnostic in vivo et systèmes d'alertes liés, thérapies cellulaires ciblées, domotique reposant sur des annonces vocales pour les personnes âgées) ;
- les nanosystèmes dédiés au développement durable :
Ils permettront la mise au point des processus industriels beaucoup plus économes (pour caricaturer, éviter d'abattre un arbre pour fabriquer un cure-dent).
Mais des applications plus spécifiques sont envisageables :
· les télévisions à laser, qui permettront d'économiser 5 % de la consommation électrique d'un pays ;
· l'amélioration de 30 à 40 % de l'efficacité des piles photovoltaïques est envisageable;
- les nanosystèmes dédiés à la sécurité, comme par exemple les réseaux de nanocapteurs pour la sécurité des aéroports ou des zones militaires ou encore les systèmes de détection du gaz par des nanotubes de carbone.


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