Photo: C2MI/Éric Lajeunesse
Les puces électroniques sont à la fois omniprésentes, essentielles et invisibles. Zoom sur ces minuscules composants sans lesquels rien ne fonctionnerait.
Ce sont des objets que vous utilisez des dizaines de fois par jour. Leur conception donne lieu à des tensions géopolitiques mondiales, et leur influence se ressent dans tous les secteurs de l’économie. On en trouve même sur Mars ! Pourtant, vous n’en avez peut-être jamais entendu parler – et c’est bien normal.
Il s’agit des puces électroniques, ou circuits intégrés, des composants minuscules qui se cachent par exemple dans les cartes de crédit, mais aussi dans à peu près tous les appareils qui possèdent un bouton de mise en marche, depuis l’ordinateur, bien sûr, jusqu’à la voiture, en passant par l’électroménager, ainsi que les équipements médicaux, industriels et militaires.
Concrètement, une puce est un ensemble de circuits électroniques disposés sur un matériau semi-conducteur, comme du silicium. En pratique, c’est le centre de commande, de stockage et de calcul de tout appareil électronique.
Une puce de quelques millimètres carrés contient ainsi des milliards de « câbles », de composants microélectroniques et surtout de transistors, organisés selon un motif complexe. Ces derniers agissent comme des interrupteurs miniatures, et permettent d’effectuer des commandes logiques sous forme de 0 (le courant ne passe pas) et de 1 (il passe). Bref, de faire marcher vos appareils électroniques, et ceux de toutes les industries, y compris les plus essentielles.
Sans surprise, les puces sont donc un trésor au cœur de nombreuses tensions géopolitiques, notamment entre la Chine et les États-Unis (et Taïwan). Car l’entreprise Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), plus importante « fonderie » (ou fab) de puces au monde, détenait presque les deux tiers des parts de marché de ce produit en 2024. C’est là que les plus grands noms du monde de la technologie font produire ce composant de base de leurs produits, Apple en tête de liste. Bref, c’est de cette île que proviennent les briques essentielles de nos objets quotidiens.
Mais la fabrication de ces mini-« cerveaux » électroniques requiert de nombreuses étapes. Les puces issues des grandes fonderies comme TSMC ne sont pas en elles-mêmes des produits finis ; pour les intégrer à un appareil, il faudra notamment les « emballer », c’est-à-dire les mettre dans un boîtier – imaginez une sorte d’araignée noire aux pattes argentées – qui leur permettra de communiquer avec les autres composants.
C’est là que le Canada intervient, en développant des industries spécialisées répondant à des besoins précis, dont l’emballage [on parle plutôt d’assemblage avancé]. Selon le ministère de l’Innovation, des Sciences et de l’Industrie, 80 % des puces développées aux États-Unis transitent déjà par chez nous pour la dernière étape de production. On parle désormais de « corridor des puces électroniques », un axe économique et industriel de production de puces allant d’Albany, dans l’État de New York, à Bromont, en Estrie.
Schéma adapté de ASML
Marcher sur des œufs géopolitiques
Vous aurez sans doute remarqué la place qu’occupe Taïwan dans les nouvelles internationales. La relation que cette île entretient avec la Chine est en effet des plus complexes, cette dernière refusant d’en reconnaître l’indépendance, que Taïwan réclame depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale.
Cette instabilité politique inquiète les puissances mondiales qui dépendent de la fonderie Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Sans compter que la pandémie de COVID-19 a mis en lumière le danger pour l’économie mondiale de placer tous ses œufs dans le même panier. En raison de la crise sanitaire et des variations dans la demande, certaines industries se sont retrouvées le bec dans l’eau quand le moment est venu de commander ces précieuses puces, notamment les fabricants de voitures. Pour cette raison, on a même déploré un retard dans la livraison d’ambulances assemblées au Québec en 2021.
Toutes ces pressions ont mené à un constat : « Il faut déglobaliser », explique Odile Liboiron-Ladouceur, professeure au Département de génie électrique et informatique à l’Université McGill. C’est carrément la sécurité nationale de nombreux pays qui en dépend. « Par le passé, quand l’armée voulait des puces pour ses missiles, elle les fabriquait dans ses propres fonderies. Aujourd’hui, elle utilise les mêmes puces que celles qui sont dans les iPhone », dit-elle.
C’est ainsi que les États-Unis ont adopté en 2022 le CHIPS and Science Act, allouant 52,7 milliards de dollars américains (USD) à la mission de « rajeunir l’industrie des semi-conducteurs », entre autres. L’année suivante, le Parlement européen annonçait un investissement de 43 milliards d’euros (47,2 milliards USD) afin d’augmenter d’ici 2030 la part de production européenne de puces à 20 %. L’Inde (15 milliards USD) et le Royaume-Uni (1,3 milliard USD) sont aussi entrés dans la danse. Les sommes sont immenses, et les ambitions aussi.
Et le Canada dans tout ça ? Il a autrefois été leader dans le domaine, mais la faillite de la compagnie Nortel en 2009 et la délocalisation d’une poignée d’autres entreprises ont mis nos ambitions en veilleuse. Les moyens investis sont bien plus modestes comparativement à ceux de notre voisin du Sud, même en tenant compte de la différence de taille de population. En 2024, les investissements se comptaient plutôt en centaines de millions.
Le corridor des puces
Direction Bromont, donc, où se joue une partie de l’avenir géopolitique du Canada. Là, IBM procède à l’emballage des puces fabriquées aux États-Unis. Son voisin, Teledyne DALSA, s’intéresse, lui, à l’assemblage de systèmes microélectromécaniques (MEMS, selon l’acronyme anglais) – des capteurs intégrés aux puces et capables de détecter des changements thermiques, mécaniques et magnétiques. Lorsque vous tournez votre cellulaire sur le côté et que l’écran suit le mouvement, par exemple, c’est grâce à un MEMS.
Mais, pour plonger dans le monde des micropuces, Québec Science a choisi un centre de recherche localisé juste à côté : le Centre de Collaboration MiQro Innovation – le C2MI, un type d’installation unique en Amérique du Nord.
Pour s’y rendre, il faut suivre les panneaux indiquant le « Technoparc Bromont », dépasser les bâtiments en brique brune d’IBM et les champs en friche. Un chantier de construction nous accueille : un agrandissement des infrastructures est en cours pour ajouter la fabrication de puces quantiques aux services offerts par le centre.
Né en 2009 d’une collaboration entre les gouvernements fédéraux et provinciaux, l’Université de Sherbrooke et deux partenaires industriels – IBM et Teledyne DALSA –, le C2MI a pour mission d’« accélérer le développement et la commercialisation de composants essentiels aux technologies numériques et quantiques ». On peut le voir comme un fablab de technologie de pointe dans lequel les prochaines innovations relatives aux puces électroniques sont développées.
Une puce de la taille d’un ongle peut intégrer de 50 à 100 milliards de transistors.
Combler la vallée de la mort
Notre journaliste, Gabrielle Anctil, équipée pour entrer dans la salle blanche. Photo: Gabrielle Anctil
« Le C2MI a été conçu pour régler le problème de la “vallée de la mort électronique” », indique Serge Ecoffey, professeur au Département de génie électrique et de génie informatique à l’Université de Sherbrooke.
En effet, dans ce domaine, un obstacle majeur freine la transmission de la recherche depuis les laboratoires universitaires jusqu’aux usines : on trouve peu d’entreprises désireuses de produire des prototypes de puces. Si les scientifiques ont accès à de l’équipement de pointe dans les universités de la province, les jeunes pousses nées de leurs innovations peinent à intéresser les grandes fonderies asiatiques, qui lèvent le nez sur la production à petite échelle.
De plus, les entreprises comme IBM et Teledyne DALSA « ne peuvent pas arrêter leurs lignes de production pour faire des tests [de prototypes ] », explique Marie-Josée Turgeon, présidente-directrice générale du C2MI.
C’est là que le C2MI entre en jeu, comme maillon essentiel entre la recherche appliquée et la production à l’échelle commerciale. On y trouve des machines permettant de faire la même chose que les grosses compagnies : emballage, production de MEMS, mais aussi des équipements permettant de tester des produits, ou encore de développer des techniques prometteuses, comme l’impression des circuits sur du plastique flexible. Les jeunes pousses peuvent y raffiner leurs prototypes avant de voler de leurs propres ailes, et les grandes compagnies y tester de nouveaux produits.
Sur place, je suis accueillie par Annie Dallaire, directrice du développement des affaires du C2MI. Elle m’escorte à travers des corridors immaculés, bordés de fenêtres donnant sur des laboratoires peuplés de machines au look futuriste. Ici, on imprime des circuits grâce à une imprimante à jet de cuivre. Là, on fait subir un vieillissement accéléré aux puces pour tester leur résistance aux avaries.
Nous voilà enfin arrivées à la pièce de résistance : la salle blanche, ainsi nommée pour sa propreté extrême. Ce n’est pas anodin : la qualité des produits qui y sont assemblés en dépend. « Un microsystème comme un MEMS contient des composants pouvant être aussi petits que 0,3 micron, explique ma guide. En comparaison, un cheveu fait 100 microns. » Si une poussière se déposait sur la plaque où s’alignent des dizaines de MEMS, elle aurait l’effet de King Kong dans les gratte-ciel de New York.
Pour entrer dans la salle blanche, il faut traverser trois sas. Dans le premier, je suis accueillie par un tapis collant qui évoque les rubans attrape-mouches – il sert à capturer les poussières traînées par les semelles. Dans le deuxième sas, les choses se corsent : le calepin étant proscrit (le papier peut dégager de minuscules poussières), Annie Dallaire me propose un papier à la texture cirée et un stylo adapté. Il faut aussi que je me contorsionne pour entrer dans la combinaison protectrice blanche sans qu’elle touche le sol. Je suis désormais couverte de la tête aux pieds, gants et masque inclus.
Au C2MI, des équipements de pointe permettent de produire des puces et de vérifier leur qualité. Photo: C2MI/Éric Lajeunesse
Après le troisième sas, enfin, la salle blanche. Comme son nom ne l’indique pas, la salle baigne dans une lumière orangée, tamisée afin d’éviter d’exposer les puces à des longueurs d’onde qui endommageraient les résines photosensibles recouvrant les plaques de silicium. Sous mes pieds, le sol est grillagé. « L’air de la pièce est recyclé à travers des filtres à haute efficacité six fois par minute », m’indique Annie Dallaire. Entre les machines, qui valent chacune plusieurs milliers de dollars, s’activent des formes humaines, habillées comme moi tout en blanc. Le spectacle est d’ailleurs similaire de nuit, car le C2MI roule 24 heures sur 24.
Sur des écrans, on aperçoit les processus en cours. D’un côté, des bras robotisés manipulent les tranches – une seule de ces plaquettes de 300 millimètres de diamètre* peut recevoir jusqu’à 30 000 microphones ! De l’autre, un employé se penche sur un microscope pour vérifier la qualité du travail de la machine. Difficile de tout saisir en un coup d’œil, mais il est clair que ce qui se passe ici demande une précision extrême.
Il est temps de ressortir – tant mieux, car ma guide m’a confié tellement d’informations que je ne sais plus où donner de la tête. Je m’extirpe de la combinaison, avec une pensée pour le personnel qui doit répéter l’exercice à chaque pause.
Annie Dallaire me reconduit vers la sortie. Dehors, le soleil brille. Je sors mon cellulaire et y entre le trajet pour retourner chez moi. Mets la voiture en marche. Pour accomplir ces quelques gestes, j’ai encore une fois eu besoin de puces électroniques. Impossible aujourd’hui d’imaginer ma vie sans elles.
*Rectificatif janvier 2025: Les tranches manipulées au C2MI mesurent plutôt 200 mm de diamètre.
Cerveaux artificiels
L’intelligence artificielle (IA) a fait exploser la demande en semi-conducteurs. « Si on n’a pas de micropuces, l’intelligence artificielle c’est juste un gros fichier qui ne fait pas grand-chose », explique Frédéric Nabki, professeur au Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure. En effet, le « cerveau » de cette technologie, ce sont les centres de données, soit d’immenses salles dans lesquelles des centaines de serveurs tournent à pleine puissance pour permettre aux modèles d’assimiler des montagnes de données. Or, les micropuces sont évidemment des composants essentiels des serveurs.
C’est pourquoi la grande gagnante de la récente course à l’IA n’est pas l’une des compagnies qui développent ces technologies, mais plutôt l’américaine Nvidia, qui conçoit des processeurs graphiques – des unités de calcul… et donc des puces. Originellement conçus pour améliorer la qualité de l’image dans les jeux vidéo, ces processeurs ont été adoptés par des industries comme celle de l’IA ou de la cryptomonnaie. Résultat : au début de 2024, la valeur de l’action de la compagnie a connu la plus forte hausse de l’histoire en une journée.
