Réaffirmer le leadership américain en microélectronique
MIT Les chercheurs du MIT exposent une stratégie pour que les universités aident les États-Unis à retrouver leur place de superpuissance dans le domaine des semi-conducteurs.
Le site pénurie mondiale de semi-conducteurs a fait la une des journaux et provoqué une cascade de goulets d’étranglement dans la production qui ont fait grimper les prix de toutes sortes de biens de consommation, des réfrigérateurs aux SUV. La pénurie de puces a mis en évidence le rôle critique de l’industrie des semi-conducteurs. semi-conducteurs jouent dans de nombreux aspects de la vie quotidienne.
Mais des années avant que la pénurie induite par la pandémie ne s’installe, les États-Unis étaient déjà confrontés à une crise croissante des puces. Leur domination de longue date en matière d’innovation et de fabrication microélectronique s’est érodée au cours des dernières décennies face à une concurrence internationale accrue. Aujourd’hui, réaffirmer le leadership américain en microélectronique est devenu une priorité pour l’industrie et le gouvernement, non seulement pour des raisons économiques mais aussi pour des raisons de sécurité nationale.
Dans un nouveau livre blanc, un groupe de chercheurs du MIT affirme que la stratégie du pays pour réaffirmer sa place de superpuissance des semi-conducteurs doit impliquer fortement les universités, qui sont particulièrement bien placées pour lancer de nouvelles technologies et former une main-d’œuvre hautement qualifiée. Leur rapport, “Réaffirmer le leadership américain en microélectronique “.présente une série de recommandations sur la manière dont les universités peuvent jouer un rôle de premier plan dans l’effort national visant à retrouver la prééminence mondiale dans la recherche et la fabrication de semi-conducteurs.
Cette image montre la puce CMOS THz-ID. Cette puce est le fruit d’une collaboration entre les Profs. Ruonan Han et Anantha P. Chandrakasan. Crédit : courtoisie des chercheurs, édité par MIT News.
“Dans cette quête nationale pour retrouver le leadership dans la fabrication de la microélectronique, il était clair pour nous que les universités devaient jouer un rôle majeur. Nous avons voulu réfléchir, en partant de zéro, à la manière dont les universités peuvent contribuer au mieux à cet effort important”, explique Jesús del Alamo, professeur Donner au département d’ingénierie électrique et d’informatique (EECS) du MIT et principal auteur du livre blanc. “Notre objectif est que, lorsque ces programmes nationaux seront construits, ils le soient de manière équilibrée, en tirant parti des ressources et des talents considérables que les universités américaines peuvent mettre à profit.”
Les autres coauteurs sont Dimitri Antoniadis, titulaire de la chaire Ray et Maria Stata d’ingénierie électrique ; Robert Atkins, directeur de la division des technologies avancées du Lincoln Laboratory ; Marc Baldo, titulaire de la chaire Dugald C. Jackson d’ingénierie électrique et directeur du laboratoire de recherche en électronique ; Vladimir Bulovic, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh sur les technologies émergentes et directeur de MIT. nano ; Mark Gouker, chef adjoint de la division des technologies avancées du Lincoln Laboratory ; Craig Keast, chef associé de la division des technologies avancées et directeur des opérations du laboratoire de microélectronique du Lincoln Laboratory ; Hae-Seung Lee, professeur d’ingénierie électrique en télévision avancée et traitement du signal et directeur des laboratoires de technologie des microsystèmes ; William Oliver, professeur d’EECS, directeur du Center for Quantum Engineering et directeur associé du Research Laboratory of Electronics ; Tomás Palacios, professeur d’EECS ; Max Shulaker, professeur associé d’EECS ; et Carl Thompson, professeur de science et d’ingénierie des matériaux Stavros Salapatas et directeur du Materials Research Laboratory.
Perdre le leadership
L’invention de la technologie des semi-conducteurs par des scientifiques américains a conduit à la naissance de la Silicon Valley dans les années 1950, ce qui a aidé les États-Unis à devenir la force dominante dans la recherche et la fabrication de semi-conducteurs, mais cette domination a glissé depuis des décennies. Aujourd’hui, seuls 12 % des puces à semi-conducteurs sont produites aux États-Unis, contre 37 % en 1990, selon la Semiconductor Industry Association.
L’un des facteurs de ce déclin national est l’investissement massif dans les infrastructures que des pays comme la Corée du Sud, Taïwan et la Chine ont réalisé au cours des dernières années. Ces investissements ont stimulé leurs entreprises nationales de microprocesseurs et ont même incité certaines entreprises américaines à ouvrir des usines de fabrication à l’étranger, explique M. del Alamo.
Cette micrographie électronique à balayage montre la cellule de mémoire en boucle à nanofils supraconducteurs NbN. Elle comprend un cryotron à nanofils chauffants et un cryotron à nanofils à accumulation de courant du laboratoire du professeur Karl Berggren au MIT. Crédit :avec l’aimable autorisation de Qing-Yuan Zhao
Une usine de fabrication de puces, également appelée fab, peut coûter jusqu’à 10 milliards de dollars. Les entreprises font donc un gros pari économique lorsqu’elles décident de construire une nouvelle installation. Toutes les incitations économiques que les gouvernements peuvent offrir, sous la forme d’avantages fiscaux, de terrains bon marché et même de subventions directes, jouent un rôle dans la décision d’une entreprise quant au lieu d’implantation d’une fab.
A 2020 rapport de la Semiconductor Industry Association affirme que, si l’on tient compte des incitations économiques, les fabricants sont désavantagés de 30 % en termes de coûts lorsqu’ils produisent des micropuces aux États-Unis par rapport à l’Asie.
Les décideurs américains s’efforcent de combler cet écart, en partie grâce à l’initiative de l’Union européenne. Loi CHIPSune loi qui prévoit 52 milliards de dollars d’investissements fédéraux pour la recherche, la conception et la fabrication de semi-conducteurs dans le pays. Le Congrès étudie également un autre texte de loi, la loi CHIPS.Loi FABSqui établirait un crédit d’impôt pour l’investissement dans les semi-conducteurs.
Accroître la main-d’œuvre
Comme les auteurs le soulignent dans le livre blanc, les incitations économiques ne sont qu’une partie du tableau.
La réaffirmation du leadership dans la fabrication des semi-conducteurs nécessitera également des milliers de nouveaux travailleurs hautement qualifiés, et les universités fournissent une part importante de la main-d’œuvre de l’industrie. L’augmentation de la taille et de la diversité de cette main-d’œuvre sera essentielle, mais les établissements d’enseignement sont confrontés à une bataille difficile, car de plus en plus d’étudiants abandonnent la “hard tech” pour des domaines comme l’informatique. Pour attirer davantage d’étudiants, il faudra des cours pratiques passionnants en laboratoire, des expériences de recherche stimulantes, des stages bien conçus et le soutien de mentors de l’industrie, ainsi que des bourses à tous les niveaux, parmi de nombreuses autres initiatives.
Cette photo montre un étudiant dans la salle blanche du MIT.nano. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
” Nous sommes déjà dans une situation où nous ne produisons pas assez d’ingénieurs à tous les niveaux pour l’industrie des semi-conducteurs, et nous parlons d’une expansion majeure. Donc, ça ne colle pas”, dit M. del Alamo. “Si nous voulons fournir la main-d’œuvre nécessaire à cette expansion majeure, nous devons engager davantage d’étudiants. La seule façon, à court terme, de fournir beaucoup plus de diplômés pour cette industrie est d’étendre les programmes existants et d’engager des institutions qui n’ont pas été impliquées dans le passé.”
Favoriser l’innovation
Les universités ont également joué un rôle historique majeur en contribuant à la recherche fondamentale, et la nation devra compter sur les laboratoires universitaires pour générer de nouvelles innovations.
Mais de nombreuses universités disposent d’une infrastructure vieillissante qui se rapproche rapidement de l’obsolescence, si elle n’est pas déjà dépassée. Les auteurs du livre blanc affirment que les États-Unis doivent investir dans les infrastructures universitaires – à la fois dans les biens d’équipement et dans le personnel chargé de les faire fonctionner et de soutenir les activités de recherche et d’enseignement. Une mise à niveau majeure des installations de recherche est essentielle pour que les universités restent adaptées à l’industrie et à ses outils de pointe. Le bâtiment de 400 millions de dollars, d’une superficie de 214 000 pieds carrés, est le premier à avoir été construit. MIT.nano facility, qui a ouvert en 2018, est un exemple de la façon dont une installation partagée de pointe peut accueillir des outils pertinents pour l’industrie ainsi que des programmes de recherche et d’éducation pour faire avancer l’industrie des semi-conducteurs, dit del Alamo.
“Il ne s’agit pas seulement de rendre les transistors plus petits. Les progrès futurs nécessitent de nouveaux matériaux, de nouveaux processus, des dispositifs repensés et de nouveaux systèmes intégrés”, déclare Vladimir Bulovic, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh de technologie émergente et directeur fondateur de MIT.nano. “Les technologies sur lesquelles nous nous appuierons dans une dizaine d’années pourraient ne plus ressembler à celles d’aujourd’hui. Les innovations universitaires ne manqueront pas de perturber les feuilles de route techniques actuelles et de faire bondir les performances des systèmes actuellement imaginés. Le maintien d’un lien étroit entre l’industrie et le monde universitaire d’aujourd’hui garantira que nos meilleures idées pourront améliorer l’industrie actuelle et lancer de nouvelles entreprises techniques.”
Les startups jouent également un rôle essentiel dans l’innovation, et les universités sont depuis longtemps un foyer d’activité entrepreneuriale.
Pour que cela continue, les auteurs affirment que les universités ont besoin de partenariats solides avec les installations de prototypage, les laboratoires nationaux et les fonderies commerciales pour aider les chercheurs entreprenants à transformer leurs innovations en start-ups technologiques qui deviendront les entreprises de classe mondiale de l’avenir.
Collaborations avec Lincoln Laboratoryun institut de recherche financé par le gouvernement fédéral et situé à Lexington, dans le Massachusetts, qui est géré par le MIT, a permis des innovations en matière de micropuces qui n’auraient pas été possibles autrement, affirme M. del Alamo.
“La combinaison du MIT d’un institut de recherche de classe mondialeLa combinaison d’un moteur d’innovation et d’une capacité de prototypage d’éléments microélectroniques complexes au Lincoln Laboratory est unique et puissante”, déclare Bob Atkins, chef de la division des technologies avancées au Lincoln Laboratory. “Cette combinaison favorise à la fois la découverte et la maturation de technologies microélectroniques perturbatrices, et permet de traduire les idées en réalisations pratiques. Elle a produit une longue histoire de développements ayant un impact, allant des imageurs spécialisés à la lithographie microélectronique utilisée dans le monde entier.”
L’exploitation du plein potentiel des universités nécessitera une stratégie qui favorise les réseaux régionaux où différents types d’institutions, y compris les collèges et les collèges communautaires, peuvent travailler ensemble pour créer des programmes de recherche et d’éducation conjoints qui impliquent également des partenariats avec l’industrie.
Pendant plus de 35 ans, le MIT a bénéficié de son expertise en matière de recherche et de développement. Groupe industriel des microsystèmesqui oriente les activités de recherche et d’éducation, encadre les étudiants et le corps enseignant et offre un soutien financier. Travailler en étroite collaboration avec l’industrie aide les professeurs à apprécier et à comprendre les problèmes intéressants, mais aussi pertinents, auxquels ils doivent s’attaquer dans leurs recherches. Ces types de partenariats transversaux deviendront encore plus importants à l’avenir, selon M. del Alamo.
“Je suis très reconnaissant pour le livre blanc publié par mes collègues. Je suis tout à fait d’accord avec la vision et la direction qui ont été indiquées ici, ce qui m’a également incité à voir, en tant que chercheur et enseignant, comment je peux apporter ma contribution dans ce domaine”, déclare Jing Kong, professeur d’ingénierie électrique et chercheur principal du laboratoire de recherche en électronique. “Les universités jouent un rôle essentiel dans la réaffirmation du leadership des États-Unis en matière de microélectronique. J’espère que le livre blanc pourra servir d’assistant et de guide pour les administrateurs et les décideurs, afin de faciliter et de tirer parti du potentiel offert par l’enseignement et la recherche universitaires dans une telle entreprise.”
