La pénurie de circuits intégrés dans l'industrie automobile se poursuit

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Ingénierie des semi-conducteurs

20 mai 2021

La pénurie actuelle de semi-conducteurs pour l'industrie automobile n'est pas près de s'arrêter.

Lorsque la pandémie de COVID-19 a frappé au début de l'année 2020, elle a fait des ravages dans la chaîne d'approvisionnement mondiale, mais elle a surtout pris les constructeurs automobiles au dépourvu. Lorsque les équipementiers automobiles ont annulé leurs commandes de puces au cours d'une période d'environ huit semaines de fermeture d'usines, ils ont découvert par la suite que leurs stocks de circuits intégrés critiques s'étaient évaporés.

Pour que la tempête soit encore plus parfaite, la pandémie a été exacerbée par plusieurs autres événements, notamment l'énorme tempête de verglas de l'hiver texan qui a entraîné la fermeture des usines de fabrication de puces à Austin, un incendie majeur dans l'usine de fabrication de plaquettes de Renesas Electronics à Naka, au Japon, et une sécheresse persistante à Taïwan. Tous ces événements ont fortement réduit les stocks de circuits intégrés dans l'industrie automobile.

Les prévisions concernant la disponibilité des puces pour l'industrie automobile sont aujourd'hui très diverses. Les plus optimistes vont de la fin de cette année au début de l'année prochaine, en passant par le troisième trimestre. Mais la pénurie de circuits intégrés pour l'automobile se prolongera très probablement jusqu'en 2022, voire jusqu'en 2023, selon les analystes de l'industrie, lorsque les capacités de fonderie de circuits imprimés de TMSC, d'Intel et d'autres entreprises devraient être mises en service.

Le recul important des commandes de circuits intégrés par les principaux équipementiers automobiles s'est déjà avéré extrêmement coûteux pour cette industrie, en repoussant les commandes à la fin de la longue et complexe chaîne d'approvisionnement en semi-conducteurs, et en obligeant pratiquement tous les constructeurs automobiles du monde entier à fermer leurs usines. La pénurie de puces a touché presque tous les constructeurs automobiles, des Trois de Detroit (General Motors, Ford et Stellantis, anciennement Fiat Chrysler) à la plupart des grands constructeurs européens, japonais et coréens.

Presque tous les grands constructeurs automobiles ont annoncé des fermetures ou des ralentissements périodiques de leurs usines, certains prenant même des mesures extrêmes. Parmi les plus durement touchés, Ford a dû se résoudre à construire ses pick-up F-150 - le véhicule le plus populaire et de loin le plus rentable de l'entreprise - sans les puces nécessaires pour les vendre, en garant les camions dans des parcs jusqu'à ce que les circuits intégrés arrivent pour rendre les unités pleinement opérationnelles. Ford a annoncé précédemment que si la pénurie de semi-conducteurs se prolongeait jusqu'au premier semestre 2021, elle aurait un impact sur le bénéfice ajusté avant intérêts et impôts de Ford compris entre 1,0 et 2,5 milliards de dollars. Lors de la présentation des résultats de Ford pour le premier trimestre 2021, le 28 avril, l'entreprise a déclaré un bénéfice net de 3,3 milliards de dollars pour un chiffre d'affaires de 36,2 milliards de dollars, soulignant qu'elle était confrontée à une hausse des coûts de 2,5 milliards de dollars en glissement annuel en raison de la pénurie mondiale de semi-conducteurs et de l'augmentation des coûts des matières premières. Ford a également déclaré avoir perdu environ 200 000 unités au premier trimestre, soit 17 % de la production, et s'attendre à ce que la pénurie de semi-conducteurs ne soit pas entièrement résolue avant 2022.

Quelle est la cause de la pénurie ?
La pénurie de puces dans l'industrie automobile s'explique principalement par le fait que les équipementiers ont réduit leurs commandes de circuits intégrés pendant les quelque huit semaines qu'a duré la pandémie, au cours desquelles les usines ont été complètement fermées. L'explosion de la demande est venue de tous les coins du secteur de l'électronique, les travailleurs à domicile ayant soudainement libéré une demande imprévue de puces dans des appareils électroniques de tous types, y compris les PC, les ordinateurs portables, les tablettes, les routeurs et d'autres équipements de réseau. Cette demande a grignoté une partie des marchés auparavant réservés au secteur de l'automobile.

"Pour mieux comprendre les défis liés au déséquilibre entre l'surfre et la demande, il est important de prendre du recul et d'examiner comment nous en sommes arrivés là, ce qui a pris 15 ans depuis la sortie des premiers smartphones", a déclaré Kamal Khouri, vice-président et directeur général de la branche automobile de GlobalFoundries. "Les minuscules puces centrées sur l'informatique ont emprunté une voie, tandis que les puces riches en fonctionnalités - qui améliorent l'expérience des utilisateurs de dispositifs tels que l'écran tactile, la détection des angles morts, la communication et le paiement intelligent - en ont emprunté une autre. La R&D et les investissements se sont concentrés sur les petites puces, tandis que les puces riches en fonctionnalités sont devenues discrètement des moteurs de la croissance technologique et économique."

La demande sans précédent de semi-conducteurs que nous connaissons aujourd'hui est due à la confluence de l'accélération de la transformation numérique, de l'essor du travail à domicile et de l'apprentissage à domicile, du lancement du super cycle 5G et de l'impact du commerce mondial. Au cours des premiers mois de la pandémie de grippe aviaire, les ventes d'automobiles ont diminué et les effets se sont répercutés sur la chaîne d'approvisionnement.

"Simultanément, d'autres clients - principalement ceux des chaînes d'approvisionnement en ordinateurs portables, tablettes, WIFI et streaming - ont connu une forte augmentation de la demande à l'époque, en raison de la transition mondiale vers le travail et les études à domicile", a déclaré M. Khouri. "Quelques mois plus tard, de manière inattendue, l'industrie automobile a connu un rebond et une croissance de la demande. Lorsque les constructeurs automobiles ont tenté de réengager leurs chaînes d'approvisionnement, une grande partie de la capacité de fabrication de semi-conducteurs était déjà réservée par d'autres clients".

Avant la pandémie, il n'y avait pas de pénurie de puces. En fait, les ventes de semi-conducteurs ont légèrement diminué en raison de la faiblesse des prix sur le marché des DRAM. "En 2019, il n'y a pas vraiment eu de pénurie de puces. L'ensemble de l'industrie des semi-conducteurs a en fait baissé de 7 % en termes d'unités", note Jim Feldhan, président de Semico Research. "Il s'agissait en quelque sorte d'une année de correction. Bien sûr, l'automobile utilise de la mémoire. Ce n'est pas aussi important que dans d'autres secteurs, comme les serveurs, mais nous avons assisté à des augmentations de prix considérables. En 2019, il y a eu un léger ralentissement et c'était une année de correction, et les prix ont vraiment baissé pour les mémoires, mais les unités ont diminué."

Lorsque la pandémie a frappé, les entreprises automobiles ont réduit leur production. "Elles ont été fermées pendant plusieurs semaines et le PIB a chuté d'environ 30 %", explique M. Feldhan. "La situation était plutôt sombre et l'industrie automobile s'est fortement repliée. Il y avait une tonne de voitures qui allaient être immobilisées et financées. Ce que l'on n'a pas réalisé, c'est à quel point le marché de l'automobile allait être fort".

Pendant ce temps, les nouveaux utilisateurs à domicile achetaient toutes sortes de matériel électronique - ordinateurs portables, tablettes, écrans plus grands, ordinateurs de bureau plus rapides et routeurs - pour travailler plus efficacement à temps plein à la maison pendant que la pandémie fermait tout. "Cela fait des années que nous disons que les gens tardent à mettre à jour et à améliorer leurs ordinateurs, y compris dans les entreprises", a déclaré M. Feldhan. "Mais personne ne pensait que la pandémie en serait la cause.

En 2019 et 2020, le marché de l'automobile a connu des pénuries ponctuelles, en particulier pour les véhicules électriques de Tesla et de quelques autres constructeurs automobiles, a déclaré M. Feldhan. "Tesla a été le premier à adopter les MOSFET encarbure de silicium , et il y a eu une pénurie", a-t-il déclaré. "Il y avait deux fabricants (Tesla et Toyota) sur le marché, et ils en ont consommé la majeure partie. En fait, Toyota envisageait d'utiliser des MOSFET en carbure de silicium plutôt que des MOSFET en silicium standard parce que le carbure est beaucoup plus efficace, mais ils ont eu peur de la pénurie. Ils ont choisi de ne pas utiliser cette technologie dans leurs véhicules hybrides et rechargeables parce qu'ils étaient tellement préoccupés par l'surfre limitée. Ce qui a été mal calculé ou n'a pas été réalisé, c'est l'impact d'une pandémie sur les achats d'électronique, et tous les constructeurs automobiles ont donc réduit leurs achats. Ils se sont probablement dit : "Nous pouvons le faire quand nous le voulons". Mais une grande partie de la capacité a été absorbée par d'autres choses".

Certaines de ces pièces sont interchangeables. DRAM, par exemple, peut être utilisé dans un large éventail d'applications. En revanche, les puces automobiles nécessitent des processus spéciaux et une plage de températures plus large, et leur défaillance sur le terrain est coûteuse. Les équipementiers automobiles recherchent des durées de vie longues dans des conditions extrêmes, avec une défectuosité extrêmement faible.

Qu'est-ce qui manque et qui fabrique quoi ?
La majorité des circuits intégrés automobiles en pénurie sont desmicrocontrôleurs (MCU), qui sont généralement produits sur des nœuds de processus plus matures dans des usines plus anciennes de 200 mm et 300 mm. La plupart des estimations prévoient des délais d'approvisionnement en CI automobiles de 26 semaines, voire beaucoup plus, en fonction du type de MCU concerné et des nœuds de traitement des semi-conducteurs impliqués dans la fabrication des puces.

L'équipe Supply Chain and Technology d'IHS Markit, qui suit la pénurie de puces depuis avril 2020, a récemment publié unlivre blanc sur le sujet. "La cause de ces contraintes étant le résultat d'une demande croissante des équipementiers et d'une surfre limitée de semi-conducteurs, elle ne sera pas résolue tant que les deux forces ne seront pas alignées", écrit Phil Amsrud, analyste principal pour les ADAS, les semi-conducteurs et les composants chez IHS Markit. "Si la cause était une catastrophe naturelle, la chaîne d'approvisionnement réagirait en mettant en place des plans de reprise appropriés, et même si cela prendrait des mois ou des trimestres à mettre en œuvre, des plans existent déjà. Il s'agit d'équilibrer l'surfre et la demande, et comme les délais de livraison des microcontrôleurs sont de 26 semaines ou plus, les contraintes de la chaîne d'approvisionnement persisteront probablement au moins jusqu'au troisième trimestre de cette année.

Ce qui rend cette situation particulièrement problématique, c'est la quantité croissante de semi-conducteurs dans les véhicules. Pratiquement tous les nouveaux véhicules d'aujourd'hui sont équipés d'électronique automobile, même les modèles qui ne sont pas dotés des options les plus sophistiquées. Bien que cette tendance se poursuive depuis une vingtaine d'années, ce n'est que relativement récemment - sous l'impulsion de l'avènement des systèmes avancés d'aide à la conduite(ADAS), de l'accent mis sur les véhicules électriques et hybrides et de l'augmentation des fonctions de connectivité dans les véhicules traditionnels - que lesfonderies de ont fait de l'automobile une priorité absolue.

Dans l'industrie automobile, les circuits intégrés relèvent de l'un des cinq domaines suivants : carrosserie, connectivité, fusion/sécurité, infodivertissement et groupe motopropulseur. Les pénuries actuelles touchent chacun de ces domaines.

"Certains m'ont dit que le problème que nous rencontrons actuellement est en quelque sorte le résultat de toutes les nouvelles applications de semi-conducteurs qui se trouvent sur les véhicules", a déclaré M. Amsrud. "Mais la plupart des contraintes que nous constatons actuellement concernent les MCU, et il s'agit en grande partie d'équipements automobiles hérités du passé. Il s'agit des commandes du moteur, de la transmission, de la direction, des airbags, des radios. Il y a aussi les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) : radars, caméras frontales. Mais la raison pour laquelle nous rencontrons ce problème est que les MCU sont littéralement partout dans la voiture. Ce n'est pas comme si j'allais commander une voiture et retirer certaines des caractéristiques les plus modernes, et que j'allais pouvoir l'acheter. Non, si vous voulez que la voiture fonctionne, elle doit être équipée de plusieurs microcontrôleurs. Ce n'est donc pas l'ADAS qui est à l'origine de ce phénomène. C'est plutôt la tendance à mettre plus d'électronique dans les voitures".

Les MCU automobiles sont principalement fabriqués sur des nœuds de processus de 45 nm et plus, a déclaré M. Amsrud. "Il peut y avoir quelques exceptions dans la gamme des 28 nm, mais ce sera principalement dans la gamme des 45, 90, 100, 130 nm. C'est en quelque sorte le pire des scénarios, car il n'y a pas eu beaucoup d'expansion dans ces domaines."

Cette situation est aggravée par une pénurie d'équipements 8 pouces d'occasion peu coûteux. Les fabricants doivent désormais investir presque autant dans un nouvel équipement de 8 pouces que dans un nouvel équipement de 12 pouces. "L'économie suggère de mettre en place l'équipement de 12 pouces, et vous aurez tendance à l'utiliser pour vos processus de pointe, par opposition à vos processus traditionnels", a déclaré M. Amsrud. "Vous obtenez environ 50 % de plus d'une plaquette de 12 pouces que d'une plaquette de 8 pouces.

Compte tenu du grand nombre de circuits intégrés utilisés dans les applications automobiles, l'absence d'un seul composant peut effectivement bloquer une chaîne de montage. "Nous avons déjà vu cela dans l'automobile, où quelque chose d'aussi simple qu'une diode ou un condensateur ou un dispositif à deux bornes arrête les lignes de fabrication", note M. Amsrud. "Il n'y a pas toujours de solution de remplacement facile, et c'est le cas lorsque vous n'avez pas de logiciel impliqué. Avec les MCU, tous les fournisseurs de semi-conducteurs sont concernés de la même manière. Et même si vous pouviez dire : 'Je ne peux pas obtenir un MCU du fournisseur A, mais je peux l'obtenir du fournisseur B', le problème est que le logiciel ne sera pas compatible entre les deux. Qu'il s'agisse d'une pièce d'un dollar ou d'un centime, nous estimons qu'il y a environ 1 200 semi-conducteurs qui entrent dans la composition d'une voiture moyenne. Cela va d'une diode à un dispositif de mémoire, en passant par le SoC le plus puissant qui entre dans une voiture. Il y a donc 1 200 possibilités sur chaque véhicule où si quelque chose n'est pas là, la voiture ne peut pas être construite".

Aucun équipementier automobile n'est épargné
Cela s'est traduit par des pénuries à l'échelle mondiale. Presque tous les équipementiers, à un degré ou à un autre. "La situation est vraiment généralisée. Même la Corée a fermé des usines", a déclaré M. Feldhan de Semico. "Ford construit des F-150 partiels. Ils les retirent de la chaîne de production et les laissent en attente jusqu'à ce qu'ils obtiennent la puce, puis ils les remettent en production. Pour Ford, le véhicule le plus rentable est le F-150. Mais le contrôleur de moteur est probablement le même, qu'il s'agisse d'un F-150 ou d'une de leurs autres voitures équipées d'un moteur V-8".

General Motors a réduit sa production. Il en va de même pour Honda et Nissan, qui ont déclaré collectivement qu'ils construiraient 250 000 véhicules de moins.

"Volkswagen a déclaré que la pénurie de puces informatiques entravait également ses activités, en particulier aux États-Unis, et Toyota a annoncé qu'il allait y avoir des réductions intermittentes dans ses équipes de production", a déclaré M. Feldhan. "Il semble donc que personne n'ait été épargné par la douleur.

À court terme, la pénurie sera difficile à résorber, a déclaré M. Khouri de GlobalFoundries. "À moyen terme, nous résolvons l'inadéquation entre l'surfre et la demande et nous fournirons aux clients les puces dont ils ont besoin. Les perspectives à long terme sont très prometteuses. Les constructeurs automobiles ne vont pas laisser cette situation se reproduire. Nous sommes déjà en train de créer de nouveaux partenariats directs avec des fournisseurs automobiles de niveau 1 pour garantir la capacité, et nous cherchons à établir des partenariats plus étroits et plus stratégiques avec les fonderies."

Cette chaîne d'approvisionnement plus étroite ne fera que gagner en importance à mesure que le contenu en silicium des automobiles continuera d'augmenter, à la fois en raison du passage aux véhicules électriques et de l'amélioration des fonctions telles que l'infodivertissement, les radars et les systèmes d'aide à la conduite (ADAS). "L'informatique est devenue le cœur du véhicule - pour gérer la batterie, faire fonctionner les moteurs électriques, les freins, les feux et d'autres systèmes critiques", a déclaré M. Khouri. "Les puces sont présentes dans tous les recoins des véhicules d'aujourd'hui, depuis les microcontrôleurs qui vous permettent de monter et de descendre votre vitre, jusqu'aux dispositifs de sécurité tels que les radars et les systèmes d'aide à la conduite (ADAS), en passant par les fonctions sophistiquées du moteur. Les véhicules font désormais partie intégrante des appareils, et les fonctions que nous attendons ne peuvent exister sans l'omniprésence des puces."

Longs délais de livraison pour l'automobile, qualifications complexes
En fonction des circuits intégrés automobiles concernés, les délais de livraison des puces se sont considérablement allongés pendant la crise, passant de 16 à 18 semaines pour certains composants à des délais beaucoup plus longs. Cela s'explique en partie par la disponibilité des matériaux, et en partie par la pénurie d'équipements de fabrication de puces. La chaîne d'approvisionnement complexe de l'industrie pour les circuits intégrés automobiles implique généralement des puces achetées par l'intermédiaire des fournisseurs d'électronique automobile et des distributeurs de puces, plutôt que des commandes directes auprès des fabricants de puces.

"D'une manière générale, l'surfre globale de semi-conducteurs est actuellement très, très restreinte. D'une manière ou d'une autre, nous ne pouvons tout simplement pas répondre à la demande", a déclaré I-Wen Huang, vice-président des ventes pour l'Amérique chez Winbond Electronics, un fabricant taïwanais de mémoires spécialisées et de systèmes ADAS pour les applications automobiles. Avant la pandémie, le temps de cycle typique pour fabriquer un dispositif semi-conducteur, du début jusqu'aux produits finis et à la livraison au client, était de quatre mois, a déclaré M. Huang. Pour de nombreuses pièces, les délais sont passés à cinq ou six mois.

M. Huang estime que les pénuries dureront au moins jusqu'à la fin de l'année 2021, voire jusqu'en 2022. "Cela dépend vraiment de l'ampleur de la demande l'année prochaine", a-t-il déclaré. Cette année, si vous interrogez n'importe quel fabricant de semi-conducteurs, il vous répondra : "Je suis désolé, la capacité de cette année est déjà entièrement réservée par nos clients".

Les retards actuels sont en partie dus à des pénuries de substrats, a déclaré M. Huang. Winbond ne fabrique pas de plaquettes de silicium et a donc connu des retards dans la réception des substrats nécessaires à la fabrication de ses puces automobiles. Les pénuries d'équipements de semi-conducteurs sont d'autres facteurs qui influent sur les délais. Mais un autre obstacle majeur est la très longue qualification des circuits intégrés automobiles, dans laquelle la qualification d'un nouveau dispositif peut être un processus ardu, ainsi que le modèle commercial "juste à temps" (JIT) de l'industrie automobile, qui consiste à ne livrer les composants qu'au fur et à mesure de l'assemblage des voitures et des camions.

L'industrie automobile utilise un processus très strict et rigide qui prend beaucoup de temps pour qualifier les circuits intégrés, a expliqué M. Huang. "En général, vous ne pourrez pas qualifier un dispositif pour un usage automobile en moins d'un an", a-t-il déclaré, soulignant que ce contrôle rigoureux de l'électronique automobile garantit la sécurité. "Lorsqu'ils nous commandent un produit, nous devons mettre en place un processus de fabrication très contrôlé, de sorte que pour fournir un client automobile, il faut un délai encore plus long, et nous appliquons un processus de contrôle de la qualité plus poussé pendant la fabrication. Les clients du secteur automobile spécifient chaque étape détaillée. Vous ne pouvez pas utiliser un produit de remplacement parce que nous n'avons jamais qualifié le matériau de remplacement.

L'approvisionnement unique des constructeurs automobiles en circuits intégrés rend également impossible l'échange d'une puce conçue pour une application automobile contre un dispositif similaire fabriqué spécifiquement pour l'application d'un autre constructeur automobile. "Chaque constructeur automobile a sa propre conception, ses propres spécifications. Le dispositif ADAS de Renesas peut ne pas être le même, par exemple, que celui d'Intel", a déclaré M. Huang. "Vous ne pouvez donc pas le remplacer, car tout le matériel et le logiciel sont personnalisés."

Dans l'industrie automobile, les équipementiers utilisent des plates-formes communes au sein de chaque fabricant, mais il n'y a pas de points communs entre les différents équipementiers. "Un constructeur automobile, disons Ford, peut avoir une plate-forme commune pour différents modèles qui sont tous des voitures Ford", explique M. Huang. "Mais la plateforme qu'il conçoit et développe ne peut pas être utilisée sur une voiture de General Motors. Il n'y a donc pas d'éléments communs dans ce secteur. Tout est personnalisé, ce qui rend l'approvisionnement très compliqué.

Augmentation de la capacité des fonderies
Lorsque la pénurie de circuits intégrés automobiles a atteint un point critique au début de l'année, l'industrie s'est efforcée de trouver de nouvelles solutions. Intel a annoncé son intention de revenir sur le marché de la fonderie. TSMC, quant à elle, a déclaré qu'elle prévoyait de dépenser un total de 100 milliards de dollars au cours des trois prochaines années. Et le 28 avril, UMCa annoncé son intention d'augmenter sa capacité pour sa Fab 12A Phase 6 (P6) de 300 mm dans le parc scientifique de Tainan à Taïwan.

En outre, le gouvernement américain pourrait accroître son soutien à l'industrie des semi-conducteurs. L'administration Biden s'est engagée à rechercher le soutien du Congrès pour autoriser un nouveau financement de l'industrie lors du sommet mondial virtuel sur les puces électroniques qui s'est tenu le 12 avril et auquel ont participé de nombreux PDG de l'industrie automobile et des semi-conducteurs. Le plan Biden prévoit d'injecter quelque 50 milliards de dollars dans le rétablissement de l'industrie américaine des semi-conducteurs dans le cadre du plan d'infrastructure proposé par l'administration, dont le financement devra en fin de compte être approuvé par le Congrès.

Néanmoins, la reprise des capacités de production de circuits intégrés pour l'automobile pourrait prendre beaucoup plus de temps que prévu. Les nouvelles usines construites aujourd'hui ne seront probablement pas opérationnelles et ne produiront pas de rendements effectifs avant près de deux ans, mais TSMC dispose en fait de quelques usines à Taïwan qui seront opérationnelles cette année, a fait remarquer Adrienne Downey, directrice de la recherche chez Semico.

"Nous pensons que la pénurie va durer tout au long de cette année et jusqu'au début de l'année prochaine", a ajouté M. Feldhan. "Il est difficile de fixer une date exacte, mais elle pourrait se prolonger jusqu'au milieu de l'année prochaine. Le véritable enjeu est de savoir si les usines actuelles fonctionnent bien cette année, car il semble que chaque année, les processus et le rendement s'améliorent quelque peu, ce qui permet de produire davantage de puces. Mais si les pénuries font que les OEM ne peuvent pas fabriquer autant de produits que le marché le demande, alors la demande se déplacera. Plus cela se produira, plus la pénurie durera longtemps. En fin de compte, je dirais que la pénurie durera jusqu'en avril de l'année prochaine.