Des puces 90 % moins chères venant des États-Unis ? La start-up Substrate défie les géants ASML (Pays-Bas) et TSMC (Taïwan).

Lithographie aux rayons X 2.0 : Du laboratoire à la production de masse – La lithographie aux rayons X est-elle à nouveau réaliste ?

Dans le monde des hautes technologies, où le progrès se mesure en nanomètres, l'industrie des semi-conducteurs ressemble à une forteresse aux remparts quasi infranchissables. Au sommet de cet ordre mondial trônent deux géants incontestés : le monopole néerlandais ASML, fournisseur exclusif des machines de lithographie EUV, extrêmement coûteuses, indispensables à la fabrication de puces de pointe, et le mastodonte taïwanais de la fonderie TSMC, qui domine le marché mondial de la sous-traitance. Cet écosystème ultra-concentré, fruit de décennies de recherche et de centaines de milliards d'investissements, semblait jusqu'ici imprenable.

Mais aujourd'hui, une start-up de San Francisco nommée Substrate fait sensation et pourrait bien bouleverser les fondements de ce secteur. Soutenue par plus de 100 millions de dollars d'investisseurs de renom tels que Peter Thiel et In-Q-Tel, la branche capital-risque de la CIA, Substrate est sur le point de redéfinir les règles du jeu. Sa promesse : une technologie de lithographie aux rayons X revisitée et repensée, non seulement plus performante que les systèmes EUV existants d'ASML, mais qui pourrait également réduire considérablement le coût par puce de 90 %.

Cette annonce dépasse largement le cadre d'une simple innovation technologique ; c'est une déclaration de guerre géopolitique et économique. Elle s'attaque au cœur même de la quête américaine de souveraineté technologique, remet en cause le modèle économique des machines les plus coûteuses au monde et promet de faire voler en éclats les barrières à l'entrée insurmontables dans la fabrication de puces. Mais le chemin qui mène d'une démonstration prometteuse en laboratoire à une production de masse fiable est jalonné d'échecs retentissants. Les obstacles techniques sont colossaux, le scepticisme de l'industrie est profond et l'histoire de la lithographie aux rayons X elle-même est marquée par des revers historiques. La question cruciale est donc la suivante : assistons-nous au début d'une véritable rupture qui redessinera le paysage mondial des semi-conducteurs, ou simplement à un déjà-vu, largement financé, d'un rêve technologique se brisant sur les dures réalités de la physique et de l'économie ?

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Un bouleversement mondial des pouvoirs est attendu grâce à la lithographie innovante aux rayons X.

La technologie de fabrication des puces et des semi-conducteurs, l'une des avancées industrielles majeures du XXIe siècle, connaît actuellement un tournant décisif. La start-up Substrate, basée à San Francisco, suscite un vif intérêt dans l'industrie mondiale des microprocesseurs avec l'annonce d'une nouvelle technologie de lithographie aux rayons X. Soutenue par des investisseurs de renom tels que Peter Thiel, l'entreprise a levé plus de cent millions de dollars et affirme avoir développé une alternative aux systèmes de lithographie extrêmement coûteux du monopole néerlandais ASML et aux capacités de production du géant taïwanais TSMC. L'impact potentiel de cette innovation sur l'ensemble de la chaîne de valeur des semi-conducteurs, les rapports de force géopolitiques et les équilibres économiques de ce secteur est fondamental et justifie une analyse économique approfondie.

L'économie de la lithographie des semi-conducteurs : quand les monopoles rencontrent des défis

L'histoire des innovations industrielles montre à maintes reprises que les bouleversements technologiques proviennent rarement du centre des structures de pouvoir établies, mais sont initiés par des acteurs extérieurs.

L'industrie des semi-conducteurs connaît actuellement un niveau de concentration exceptionnel. ASML, basée aux Pays-Bas, contrôle la quasi-totalité du marché des systèmes de lithographie de pointe, détenant une part de marché de 90 à 100 % dans le domaine de la lithographie ultraviolette extrême (EUV). Ces machines, dont le coût unitaire oscille entre 200 et 400 millions de dollars, sont indispensables à la fabrication de semi-conducteurs avancés de moins de sept nanomètres. La marge brute d'ASML dépasse constamment les 50 %, témoignant de l'immense pouvoir de fixation des prix d'un quasi-monopole. En 2024, l'entreprise a réalisé un chiffre d'affaires de 28,3 milliards d'euros et un bénéfice net de 7,6 milliards d'euros. Une croissance du chiffre d'affaires d'environ 15 % est prévue pour 2025, avec une marge brute avoisinant les 52 %.

Le développement de cette technologie EUV a été un marathon s'étalant sur plus de trois décennies et coûtant au total plus de dix milliards de dollars. ASML n'a pu mener à bien ce projet colossal que grâce à des partenariats stratégiques avec Intel, Samsung et TSMC, qui ont investi conjointement 1,4 milliard d'euros dans l'entreprise en 2012, participant ainsi au projet dit « Mousquetaire ». Le premier système EUV commercial a été livré en 2010, mais la technologie n'a atteint le stade de la production de masse qu'en 2019. Ce lancement sur le marché, retardé de près de vingt ans par rapport aux plans initiaux, illustre les immenses obstacles techniques rencontrés.

Parallèlement, TSMC (Taïwan) domine le marché mondial de la fonderie avec une part de marché impressionnante de plus de 70 % au deuxième trimestre 2025. L'entreprise a généré un chiffre d'affaires de 30,24 milliards de dollars au troisième trimestre 2025 et prévoit des investissements compris entre 38 et 42 milliards de dollars pour l'année 2025. Une usine TSMC de nouvelle génération, à la pointe de la technologie, coûte entre 15 et 20 milliards de dollars. Ces chiffres illustrent les barrières à l'entrée considérables qui pèsent sur ce secteur.

La lithographie aux rayons X, qui propose désormais des substrats comme alternative, n'est en aucun cas une invention récente. Cette technologie faisait déjà l'objet de recherches dans les années 1970, et durant les années 1980 et 1990, IBM, Motorola et d'autres entreprises américaines ont investi massivement dans son développement. Cependant, les défis techniques se sont avérés insurmontables. Parmi les problèmes fondamentaux figuraient la nécessité de masques extrêmement stables, fabriqués à partir de matériaux coûteux comme l'or, la difficulté de produire des sources de rayons X homogènes et la complexité de la diffusion des électrons secondaires, qui limitait la résolution. Des facteurs économiques ont également joué un rôle : l'industrie n'a pas réussi à s'entendre sur des normes communes, et les financements des différentes entreprises ont échoué en raison de divergences d'intérêts.

Perturbation technologique : révolution ou répétition des échecs historiques ?

Substrate affirme avoir résolu ces problèmes historiques. L'entreprise utilise un accélérateur de particules conçu sur mesure qui accélère les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces électrons traversent une série d'aimants qui les font osciller, générant ainsi des rayons X intenses d'une longueur d'onde inférieure à quatre nanomètres. Cette longueur d'onde est nettement plus courte que les 13,5 nanomètres de la technologie EUV d'ASML, permettant théoriquement une résolution supérieure. Substrate a présenté des résultats de laboratoire montrant des structures dont la dimension critique est de douze nanomètres et la distance entre les pointes de treize nanomètres, des performances comparables à celles des systèmes EUV modernes pour les technologies de gravure à deux nanomètres.

L'argument économique principal de Substrate est que le coût par plaquette pourrait passer d'environ cent mille dollars actuellement à environ dix mille dollars d'ici la fin de la décennie. Cette réduction de coût de 90 % transformerait radicalement l'économie de la fabrication des semi-conducteurs. L'entreprise affirme qu'en évitant le processus complexe de multi-motifage souvent requis en lithographie EUV, le nombre d'étapes de production peut être considérablement réduit.

Cependant, le scepticisme de l'industrie est justifié et repose sur des réalités techniques et économiques préoccupantes. La mise au point de structures en laboratoire est une entreprise bien différente de la production de masse avec des rendements constants. TSMC atteint des rendements d'environ 70 % avec des procédés de quatre nanomètres, tandis que Samsung peine à obtenir des rendements de seulement 35 % avec des technologies similaires. Ces chiffres illustrent l'importance cruciale de la stabilité des procédés et de la minimisation des défauts. Même les plus infimes écarts à l'échelle atomique peuvent entraîner des défaillances.

Un problème particulièrement critique en lithographie moderne réside dans les effets stochastiques, c'est-à-dire les variations aléatoires du processus d'exposition. En lithographie EUV, ces effets peuvent déjà représenter plus de la moitié du budget d'erreur total et devraient coûter à l'industrie plus de dix milliards de dollars de pertes de revenus par an d'ici 2030. Ces problèmes découlent de la physique fondamentale des structures de petite taille, où le nombre de photons, la distribution des molécules de résine et la diffusion des électrons sont intrinsèquement aléatoires. La question de savoir si les substrats peuvent mieux surmonter ces difficultés avec les rayons X qu'ASML avec l'EUV reste ouverte.

Un autre problème fondamental réside dans la disponibilité des matériaux adéquats. La lithographie EUV a nécessité le développement de résines photosensibles entièrement nouvelles, spécifiquement optimisées pour la longueur d'onde de 13,5 nanomètres. Des entreprises japonaises telles que JSR, Tokyo Ohka Kogyo, Shin-Etsu Chemical et Fujifilm contrôlent plus de 90 % du marché des résines photosensibles EUV. Ces matériaux sont à base de composés métalliques contenant des éléments comme l'étain, l'hafnium ou le zirconium, qui présentent une absorption plus élevée aux longueurs d'onde EUV. Substrate devrait non seulement développer ses propres résines photosensibles compatibles avec les rayons X, mais aussi mettre en place une production de masse de ces matériaux. De même, les masques de haute précision pour les rayons X et les systèmes optiques spécialisés devraient être disponibles en grande quantité – une chaîne d'approvisionnement qui n'existe pas actuellement.

Les implications économiques : qui gagne, qui perd ?

L'impact potentiel d'une technologie de lithographie aux rayons X performante sur l'industrie des semi-conducteurs serait considérable et remodèlerait l'ensemble de la chaîne de valeur.

ASML est au cœur de cette potentielle révolution. L'entreprise a investi plus de quarante ans dans le développement de son leadership technologique. Le développement de la lithographie EUV à lui seul a nécessité des décennies d'investissement et des milliards de dollars. Un concurrent opérationnel menacerait non seulement le pouvoir de fixation des prix d'ASML, mais pourrait également l'amener à repenser l'ensemble de sa stratégie d'investissement. L'entreprise investit actuellement massivement dans des systèmes EUV à haute ouverture numérique (NA), qui coûtent 380 millions de dollars l'unité et promettent des résolutions encore plus élevées. Si Substrate parvenait à obtenir des résultats comparables, voire meilleurs, pour un dixième du coût, cela remettrait fondamentalement en question la stratégie d'ASML en matière de haute NA. Les actionnaires, qui valorisent ASML à plus de 300 milliards de dollars, pourraient être amenés à revoir radicalement leur position.

Pour TSMC, les conséquences seraient mitigées. D'une part, une technologie de lithographie moins coûteuse pourrait réduire les investissements dans les nouvelles usines. TSMC dépense actuellement entre 38 et 42 milliards de dollars par an en investissements, dont une part importante est allouée aux systèmes EUV. Une machine EUV à faible ouverture numérique coûte environ 235 millions de dollars, et TSMC en a besoin de plus en plus chaque année. Des alternatives moins onéreuses pourraient améliorer ses marges. D'autre part, Substrate n'envisage pas de vendre ses systèmes mais entend exploiter ses propres usines. Cela ferait de Substrate un concurrent direct de TSMC. L'histoire montre que les modèles verticalement intégrés réussissent rarement dans l'industrie des semi-conducteurs. La spécialisation entre les sociétés de conception sans usine et les fonderies s'est avérée supérieure. Substrate devrait non seulement relever le défi du développement technologique, mais aussi celui, totalement différent, de l'exploitation des fonderies, des relations clients et de la fabrication sous contrat. Les quarante années d'expérience de TSMC en matière d'optimisation des processus, de contrôle qualité et de service client constituent un avantage concurrentiel considérable et difficilement imitable.

Pour les concepteurs de puces sans usine comme Nvidia, AMD, Qualcomm et Broadcom, une technologie de substrat performante pourrait ouvrir de nouvelles perspectives. Ces entreprises sont actuellement presque entièrement dépendantes de TSMC et, dans une moindre mesure, de Samsung. Nvidia a généré à elle seule 124,4 milliards de dollars de revenus en 2024, principalement grâce aux processeurs d'IA. Toute diversification des capacités de production réduirait les risques liés à la chaîne d'approvisionnement et renforcerait potentiellement sa position de négociation auprès des fonderies. Cependant, ces entreprises ne se tourneraient pas vers un fournisseur non éprouvé tant que celui-ci n'aura pas démontré une qualité et des rendements constants sur plusieurs années. Changer de conception de puce entre différentes fonderies est complexe et coûteux, car chaque fabricant utilise des kits de conception de processus différents.

Intel et Samsung, qui conçoivent et fabriquent des puces et proposent de plus en plus de services de fonderie, se trouvent dans une situation délicate. Intel est confrontée à des difficultés avec sa division fonderie, qui a enregistré une perte de sept milliards de dollars sur un chiffre d'affaires de 18,9 milliards de dollars en 2023. La technologie de gravure 18A d'Intel est censée lui conférer des avantages concurrentiels, mais les retards et les problèmes techniques sont notoires. Samsung rencontre des difficultés similaires liées aux problèmes de rendement des nœuds technologiques avancés. Une nouvelle technologie de lithographie moins coûteuse pourrait théoriquement aider les deux entreprises, mais ces dernières ont investi massivement dans les procédés EUV et ne changeraient pas de technologie à la légère.

Les fournisseurs de la chaîne de valeur des semi-conducteurs seraient également touchés. Zeiss, le fabricant allemand de miroirs ultra-précis pour les systèmes ASML, Trumpf, fournisseur de lasers haute puissance, ainsi qu'Applied Materials, KLA et Lam Research, fournisseurs d'autres équipements de production, ont tous investi massivement dans le soutien de l'écosystème EUV. Une nouvelle technologie nécessiterait de nouvelles chaînes d'approvisionnement. Les fabricants japonais de résine photosensible devraient soit développer des matériaux compatibles avec les rayons X, soit perdre des parts de marché.

La dimension géopolitique : souveraineté technologique et sécurité économique

L'industrie des semi-conducteurs est profondément ancrée dans les tensions géopolitiques, et l'annonce concernant le substrat intervient à un moment stratégique.

Ces dernières années, les États-Unis ont imposé des contrôles à l'exportation de plus en plus restrictifs à la Chine afin de limiter son accès aux technologies de pointe en matière de semi-conducteurs. ASML n'est plus autorisée à vendre ses systèmes EUV les plus avancés à la Chine. Cette politique vise à limiter la capacité de la Chine à développer des applications d'IA et militaires. Parallèlement, le gouvernement américain investit massivement dans la relocalisation de la production de semi-conducteurs aux États-Unis grâce au CHIPS Act, qui prévoit 39 milliards de dollars de subventions directes et un crédit d'impôt à l'investissement de 25 %.

Substrate s'inscrit parfaitement dans cette stratégie. Un système de lithographie développé et fabriqué aux États-Unis réduirait la dépendance vis-à-vis des technologies néerlandaises et taïwanaises. L'implication de Peter Thiel n'est pas fortuite. Thiel a maintes fois insisté sur la nécessité d'une autonomie technologique américaine. In-Q-Tel, la branche capital-risque de la CIA, est également investisseur dans Substrate, ce qui souligne l'enjeu de sécurité nationale.

L'histoire de la lithographie aux rayons X montre cependant que les champions nationaux ne sont pas forcément synonymes de succès. Les États-Unis ont tenté de reconquérir le leadership du secteur des semi-conducteurs dans les années 1980 et 1990 grâce aux collaborations de SEMATECH, mais sans succès. ASML a réalisé sa percée non pas grâce à une politique industrielle nationale, mais grâce à un développement technologique patient, une intégration efficace de la chaîne d'approvisionnement et des partenariats judicieux avec ses clients. La question est de savoir si le soutien gouvernemental peut porter ses fruits sans ces facteurs.

La Chine, en réponse aux restrictions occidentales à l'exportation, investit massivement dans sa propre technologie des semi-conducteurs. L'initiative « Made in China 2025 » privilégie l'autosuffisance. Si le projet Substrate s'avère concluant, la Chine cherchera à accéder à cette technologie ou à développer ses propres alternatives. SMIC, le plus grand fondeur chinois, a réalisé des progrès dans les procédés sept nanomètres sans lithographie EUV, malgré les restrictions, même si cela se traduit par des rendements plus faibles et des coûts plus élevés.

L'Europe se trouve dans une situation complexe. ASML est une entreprise européenne, or le gouvernement néerlandais subit des pressions américaines pour limiter ses exportations. L'European Chips Act prévoit 43 milliards d'euros de subventions afin de doubler la part de marché mondiale de la fabrication européenne de semi-conducteurs, la faisant passer de 10 à 20 %. Une alternative en lithographie dominée par les États-Unis pourrait fragiliser davantage l'autonomie stratégique de l'Europe.

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Les obstacles technologiques : ce qui sépare le laboratoire de la production de masse

Le passage de résultats impressionnants en laboratoire à la production de masse commerciale est notoirement difficile et semé d'embûches dans l'industrie des semi-conducteurs.

Le principal défi de la lithographie par substrat réside dans la mise à l'échelle. La démonstration en laboratoire présentée prouve qu'en principe, il est possible de produire des structures de la taille requise. Cependant, la lithographie industrielle exige bien plus. Une machine ASML expose environ 130 à 170 plaquettes par heure. La précision de superposition, c'est-à-dire l'alignement précis des multiples couches, doit être inférieure à un nanomètre. L'uniformité sur l'ensemble de la plaquette doit être extrêmement élevée. La densité de défauts doit être inférieure à un défaut par centimètre carré. Répondre simultanément à toutes ces exigences, tout en assurant un fonctionnement stable du système pendant des mois, constitue un véritable exploit d'ingénierie.

La source d'accélérateur de particules utilisée par Substrate doit fonctionner avec une stabilité exceptionnelle. Toute fluctuation de l'intensité ou de la position du faisceau compromettrait la qualité. ASML a consacré des années à la stabilisation de sa source d'étain laser-plasma pour l'EUV. Cette source projette 50 000 minuscules gouttelettes d'étain par seconde dans une enceinte sous vide, où elles sont percutées deux fois par un laser CO₂ de 30 kilowatts pour générer le plasma qui émet la lumière EUV. La complexité de cette solution est le fruit d'années d'itérations. Substrate affirme disposer d'une solution plus compacte et plus économique, mais sans plusieurs années d'essais sur le terrain, cela reste hypothétique.

L'optique des rayons X est fondamentalement différente de celle des rayons EUV ou DUV. Les rayons X ne peuvent être focalisés par des lentilles car ils sont absorbés par la plupart des matériaux. Il est donc nécessaire d'utiliser des miroirs spéciaux à incidence rasante. Ces miroirs doivent être fabriqués avec une précision extrême. Zeiss produit des miroirs pour ASML où, à l'échelle de l'Allemagne, les écarts maximums par rapport à la forme idéale ne dépasseraient pas un dixième de millimètre. On ignore si une telle précision existe ou peut être atteinte pour l'optique des rayons X.

Les résines photosensibles pour la lithographie aux rayons X ne sont pas disponibles en quantités commerciales. Le développement de nouveaux systèmes de résine prend généralement des années et exige une étroite collaboration entre chimistes, spécialistes des matériaux et ingénieurs de procédés. Ces résines doivent offrir une haute résolution tout en présentant une résistance à la gravure suffisante pour servir de masque lors des étapes de traitement ultérieures. Elles doivent présenter une faible rugosité des bords et ne pas induire de réactions secondaires indésirables. Les leaders japonais du marché dans ce domaine ne collaboreraient pas spontanément avec un nouveau concurrent.

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Le modèle économique : L’intégration verticale, Segen ou un inconvénient ?

Substrate adopte une stratégie radicale qui rompt avec les pratiques établies du secteur. Au lieu de vendre des systèmes de lithographie aux fonderies existantes, l'entreprise prévoit de construire et d'exploiter ses propres usines de fabrication de semi-conducteurs.

Cette intégration verticale contredit le modèle économique dominant des quarante dernières années. Depuis la création de TSMC par Morris Chang en 1987 et l'instauration du modèle de fonderie pure, l'industrie s'est spécialisée de plus en plus. Les sociétés de conception sans usine se concentrent sur l'architecture et la conception des puces, les fonderies sur leur fabrication, et les fournisseurs d'équipements comme ASML sur des technologies spécifiques. Cette spécialisation permet à chaque acteur d'atteindre l'excellence mondiale dans son domaine.

Substrate soutient que l'intégration verticale réduit les coûts de coordination et accélère l'innovation. Tesla et SpaceX sont souvent cités en exemple de réussite en matière d'intégration verticale. Mais l'industrie des semi-conducteurs est différente. L'intensité capitalistique y est extrême. Une usine moderne coûte entre quinze et vingt milliards de dollars. TSMC dépense plus de quarante milliards de dollars par an en investissements. Substrate a levé cent millions de dollars à ce jour et est valorisée à plus d'un milliard de dollars. Pour devenir compétitive, l'entreprise devrait investir cent fois ce montant.

De plus, l'exploitation d'une fonderie requiert des compétences totalement différentes de celles nécessaires au développement de la technologie de lithographie. TSMC emploie plus de 70 000 personnes, dont de nombreux ingénieurs de procédés hautement spécialisés. L'entreprise bénéficie de plus de 40 ans d'expérience dans l'optimisation du rendement, l'analyse des défauts et la gestion de la relation client. Chaque nouvelle étape de fabrication exige des milliers d'expérimentations et d'itérations. L'apprentissage est complexe et coûteux.

La question est également de savoir qui seraient les clients de Substrate. Les grandes entreprises sans usine de fabrication, telles que Nvidia, AMD et Qualcomm, entretiennent des relations étroites et de longue date avec TSMC. Ces partenariats reposent sur des années de collaboration, des kits de conception de procédés développés conjointement et une confiance mutuelle. Une nouvelle fonderie devrait offrir des avantages exceptionnels pour rompre ces relations. La simple réduction des coûts ne suffit pas lorsque les risques liés au rendement, à la fiabilité et aux délais de livraison sont incertains.

Intel tente depuis des années de développer son activité de fonderie, mais rencontre des difficultés considérables. Intel Foundry Services n'a généré que huit millions de dollars de revenus externes au troisième trimestre 2024. Les pertes sont colossales. Cela illustre la difficulté, même pour un géant des semi-conducteurs déjà bien établi, de pénétrer le marché de la fonderie. Substrate devrait repartir de zéro.

L'horizon temporel : 2028 et au-delà

Substrate prévoit de lancer la production en série en 2028. Ce calendrier est exceptionnellement ambitieux. Passer de la démonstration en laboratoire à la production commerciale en trois ans environ nécessiterait un déroulement sans faille.

À titre de comparaison : ASML a commencé avec les premiers prototypes alpha pour l’EUV en 2006, a livré son premier système de préproduction en 2010 et n’a atteint la production en grande série qu’en 2019. Cela représente treize ans entre la première démonstration et la production de masse, et ce, pour une entreprise déjà bien établie qui possédait une vaste expérience en lithographie.

Substrate devrait non seulement rendre sa technologie de lithographie opérationnelle pour la production en trois ans, mais aussi construire une usine, mettre en place des chaînes d'approvisionnement pour tous les matériaux et équipements nécessaires, développer et optimiser les procédés, acquérir des clients et obtenir les autorisations requises. Même si la technologie fonctionne, ce calendrier est irréaliste.

Un délai plus réaliste serait de huit à douze ans avant une production commerciale significative. Cela signifie que l'impact sur l'industrie ne se ferait pas sentir avant le milieu des années 2030 au plus tôt. D'ici là, ASML aura mis au point ses systèmes EUV à haute ouverture numérique, TSMC travaillera probablement sur des procédés à un nanomètre, voire moins, et l'ensemble du secteur aura pu évoluer dans une direction rendant l'approche de Substrate obsolète.

Scénarios futurs alternatifs : que pourrait-il vraiment se passer ?

L'annonce de Substrate soulève d'importantes questions, mais les scénarios probables vont de l'échec total à des succès partiels qui influencent subtilement le secteur sans le révolutionner.

Le scénario le plus pessimiste est que Substrate ne parvienne pas à surmonter les obstacles techniques. La physique de la lithographie aux rayons X pourrait s'avérer trop problématique, les effets stochastiques incontrôlables, ou encore les coûts d'investissement prohibitifs. L'entreprise risquerait alors de faire faillite ou de se cantonner à un rôle de niche pour des applications spécialisées. Historiquement, la plupart des concurrents des technologies établies ont échoué. Nikon et Canon ont tous deux tenté de rivaliser avec ASML dans la course à l'EUV et ont renoncé.

Une solution intermédiaire consisterait à ce que Substrate rende la technologie partiellement fonctionnelle, mais pas au coût promis ni avec la fiabilité requise. L'entreprise pourrait alors concéder une licence d'exploitation de sa technologie à un acteur établi. ASML pourrait elle-même être intéressée par l'évaluation de la lithographie aux rayons X comme technologie de nouvelle génération potentielle après l'EUV à haute ouverture numérique. Par ailleurs, un grand fabricant de semi-conducteurs comme Intel ou Samsung pourrait acquérir cette technologie afin de différencier ses propres capacités de production.

Dans un scénario optimiste, Substrate développerait effectivement une solution de lithographie fonctionnelle et plus économique, mais abandonnerait la fonderie pour se concentrer sur la vente de systèmes aux fabricants établis. Cela abaisserait les barrières à l'entrée et pourrait stimuler la concurrence sur le marché des équipements de lithographie. ASML serait alors incitée à baisser ses prix et à innover plus rapidement. L'ensemble du secteur pourrait en bénéficier.

Le scénario de transformation où Substrate maîtriserait la technologie, exploiterait avec succès ses propres usines et deviendrait un concurrent majeur dans le secteur de la fonderie semble le moins probable. Conjuguer innovation technologique et innovation de modèle économique dans l'un des secteurs les plus complexes et à forte intensité capitalistique au monde représente un défi extraordinaire.

Les implications plus larges : la loi de Moore, les limites de la miniaturisation et les voies alternatives

L'affaire Substrate soulève également des questions fondamentales sur l'avenir de l'industrie des semi-conducteurs. La loi de Moore, qui stipule que le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans, a dicté le rythme de cette évolution depuis les années 1960. Mais de plus en plus de voix s'élèvent pour prédire la fin de cette tendance.

Les limitations physiques deviennent de plus en plus évidentes. Les transistors atteignent des dimensions proches de l'échelle atomique. Dans les structures inférieures à trois nanomètres, des effets quantiques tels que l'effet tunnel se produisent : les électrons franchissent alors des barrières de manière incontrôlée. La génération de chaleur devient problématique et les courants de fuite d'électrons augmentent. Certains experts affirment que la loi de Moore a déjà pris fin en 2016, lorsqu'Intel a mis cinq ans pour passer de dix à sept nanomètres, au lieu des deux années habituelles.

Les contraintes économiques sont tout aussi importantes. La loi de Rock stipule que le coût de construction d'une usine de semi-conducteurs double environ tous les quatre ans. Une usine dédiée à la technologie 2 nanomètres coûte vingt milliards de dollars, voire plus. Le nombre d'entreprises capables de réaliser de tels investissements diminue. Seuls TSMC, Samsung et Intel restent en lice pour les technologies de pointe. Tous les autres se sont retirés et se concentrent sur des technologies plus matures et plus rentables.

Dans ce contexte, la promesse de Substrate de réduire drastiquement les coûts est particulièrement séduisante. En cas de succès, davantage d'acteurs pourraient intégrer le secteur de pointe de la fabrication de semi-conducteurs, stimulant ainsi la concurrence. Toutefois, même avec une lithographie moins coûteuse, le coût global d'une usine de fabrication reste considérable, la lithographie ne représentant qu'environ 20 % du coût total des équipements.

Des approches alternatives pour prolonger la loi de Moore font l'objet de recherches intensives. De nouvelles architectures de transistors, comme les transistors à effet de champ à grille enveloppante (GAFM), que Samsung et TSMC introduisent avec des procédés de gravure de trois nanomètres, améliorent le contrôle du flux d'électrons. L'empilement tridimensionnel de puces grâce à des technologies d'encapsulation avancées telles que CoWoS de TSMC permet d'intégrer davantage de fonctionnalités dans des volumes réduits. De nouveaux matériaux, comme le nitrure de gallium ou les nanotubes de carbone, pourraient compléter ou remplacer le silicium. Les architectures de calcul neuromorphique et les ordinateurs quantiques promettent des paradigmes de calcul fondamentalement différents.

L'auto-assemblage dirigé de copolymères à blocs et la lithographie par nano-impression sont d'autres approches lithographiques alternatives actuellement explorées. Ces technologies pourraient présenter des avantages pour certaines applications, mais n'ont pas encore franchi le cap de la production de masse. L'industrie des semi-conducteurs se montre prudente face aux changements de procédés, car les risques sont trop élevés.

Un défi fascinant à l'issue incertaine.

L'annonce de Substrate est incontestablement enthousiasmante et soulève d'importantes questions quant à l'avenir de la fabrication des semi-conducteurs. Son impact potentiel sur les monopoles établis, les rapports de force géopolitiques et les équilibres économiques de ce secteur crucial est considérable.

Toutefois, un réalisme mesuré s'impose. L'histoire de l'industrie des semi-conducteurs est jalonnée de technologies prometteuses qui ont échoué et d'annonces qui se sont révélées exagérées. La lithographie aux rayons X était déjà présentée comme l'avenir dans les années 1980 et 1990, avant de connaître le même sort. Les défis techniques, économiques et organisationnels que Substrate doit relever sont colossaux.

ASML et TSMC n'ont pas atteint leur position dominante par hasard, mais grâce à des décennies de travail acharné, d'investissements massifs, de partenariats judicieux et d'excellence technique. Ces entreprises ne resteront pas passives face à l'arrivée d'un nouveau venu sur leurs marchés. Elles accéléreront leur propre innovation, ajusteront leurs prix et s'efforceront de fidéliser leurs clients potentiels.

Pour les investisseurs de Substrate, dont Peter Thiel et In-Q-Tel, il s'agit d'une entreprise à haut risque, potentiellement très lucrative, mais comportant également un risque bien réel de perte totale. Pour l'ensemble du secteur des semi-conducteurs, cette initiative est un signal positif : l'innovation est loin d'être terminée et de nouvelles pistes sont explorées. Même en cas d'échec de Substrate, les enseignements tirés pourront éclairer les projets futurs.

Les années à venir diront si Substrate peut véritablement révolutionner l'industrie des semi-conducteurs ou si elle ne sera qu'un épisode de plus dans la longue lutte pour repousser les limites de la miniaturisation. Les dimensions économiques, technologiques et géopolitiques de cette histoire en font une étude de cas fascinante sur l'innovation, la rupture et les limites du possible dans l'un des secteurs les plus complexes de l'économie moderne.

Guerre des puces 2.0 : Pourquoi les États-Unis, la Chine et l’Europe font face à des risques très différents

La menace ne se limite en aucun cas à l'Europe, mais touche l'ensemble du secteur mondial des semi-conducteurs. Cependant, sa nature est fondamentalement différente pour les États-Unis et la Chine par rapport à l'Europe.

1. La menace qui pèse sur l'Europe (en particulier sur ASML)

Pour l'Europe, la menace est directe et existentielle.

ASML dans le collimateur : Substrate vise le cœur même du fleuron technologique européen, ASML. Si la lithographie aux rayons X s’avère concluante, elle mettrait fin au monopole d’ASML, qui dure depuis des décennies, sur les systèmes de lithographie de pointe.

Préjudice économique : Un concurrent performant menacerait le pouvoir de fixation des prix et les marges élevées d’ASML. Les investissements dans la prochaine génération (EUV à haute densité d’absorption), dont le coût se chiffre en centaines de millions par machine, pourraient s’avérer un mauvais placement.

Affaiblissement de l’écosystème : La menace s’étend à l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement européenne construite autour d’ASML, et plus particulièrement aux entreprises allemandes de haute technologie telles que Zeiss (optique) et Trumpf (lasers).

Perte géopolitique : l’Europe perd son principal levier géopolitique. Le contrôle d’ASML confère à l’UE (et aux Pays-Bas) une position de force unique dans les conflits technologiques mondiaux, une position déjà limitée par les pressions américaines. Une alternative américaine anéantirait presque totalement cette position.

2. La menace qui pèse sur la concurrence aux États-Unis

Pour les États-Unis, c'est une arme à double tranchant : une opportunité stratégique pour la nation, mais une menace perturbatrice pour les acteurs américains établis.

Menace pour Intel et Samsung : des entreprises comme Intel et Samsung, qui investissent massivement aux États-Unis (grâce au CHIPS Act), ont fondé l’intégralité de leurs stratégies futures sur la technologie EUV d’ASML. Elles ont investi des milliards dans des usines utilisant cette technologie. Une nouvelle technologie incompatible, développée par Substrate, dévaloriserait ces investissements et les obligerait à revoir entièrement leurs plans stratégiques.

Un nouveau concurrent émerge sur le marché intérieur : Substrate prévoit non seulement de vendre des machines, mais aussi d’exploiter sa propre fonderie. Cela en ferait un concurrent direct des ambitions d’Intel dans le secteur de la fonderie et des usines américaines de Samsung. L’arrivée d’un nouvel acteur, potentiellement plus compétitif en termes de coûts, intensifierait considérablement la pression concurrentielle sur le marché national.

Avantage pour les entreprises sans usine : Pour les concepteurs de puces comme Nvidia, AMD ou Qualcomm, cette évolution représente avant tout une opportunité. Actuellement dépendants de TSMC, un nouveau fondeur basé aux États-Unis renforcerait leur position de négociation et réduirait les risques liés à leur chaîne d'approvisionnement. Leur « menace » ne serait qu'indirecte si Substrate venait à échouer et à immobiliser des capitaux précieux qui auraient pu être investis ailleurs.

En résumé pour les États-Unis : il ne s’agit pas d’une menace pour la sécurité nationale ni pour l’économie (bien au contraire), mais d’une menace perturbatrice pour l’équilibre et les modèles commerciaux existants des fabricants de semi-conducteurs américains établis.

3. La menace qui pèse sur la Chine

Pour la Chine, la menace est purement géopolitique et stratégique – et potentiellement même plus importante que celle posée par ASML.

Renforcement du blocus technologique : les États-Unis empêchent déjà ASML de fournir à la Chine ses systèmes EUV les plus avancés. Si une technologie de lithographie de pointe est désormais développée directement par une entreprise américaine avec la complicité de la CIA, les contrôles à l’exportation seront encore plus stricts et impénétrables. L’emprise technologique américaine s’en trouvera renforcée.

L'écart se creuse : la Chine peine à rattraper son retard sur les technologies plus avancées (comme le procédé 7 nm de SMIC) en utilisant une technologie DUV plus ancienne. Une nouvelle technologie occidentale, bien moins coûteuse et plus performante, retarderait considérablement les efforts de la Chine et creuserait encore davantage l'écart technologique.

Pression accrue pour l'autosuffisance : cette évolution constitue la preuve ultime pour la Chine qu'elle ne pourra jamais dépendre de la technologie occidentale. Elle exercerait une pression considérable sur le gouvernement chinois pour qu'il investisse davantage de ressources dans le développement de sa propre technologie de lithographie nationale – une entreprise extrêmement coûteuse et de longue haleine.

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