Introduction : les processeurs et leur rôle dans les technologies numériques
Les ordinateurs, comme tous les autres équipements numériques, sont un assemblage de plusieurs composants électroniques, notamment :
- La carte électronique qui relie les différents éléments, coordonne les tâches et alloue les ressources (Figure 1) ;
- Le processeur qui exécute les tâches (numéro 1) ;
- La mémoire vive (ou RAM) qui stocke temporairement les informations pour qu’elles soient rapidement accessibles pour le processeur (numéro 6) ;
- Le disque dur qui stocke de manière plus permanente toutes les données nécessaires au fonctionnement de l’ordinateur et les données utilisateurs (numéros 4 et 5) ;
- Le processeur graphique qui traite les données graphiques pour permettre leur affichage. Sa structure et sa composition sont relativement similaires au processeur (numéro 14).
Qu’est-ce qu’un processeur et comment fonctionne-t-il ?
Les processeurs, qui nous intéressent ici, sont composés d’unités plus petites appelées transistors. Ces transistors forment des circuits logiques, qui traitent les informations qui les traversent sous forme de courants électriques. La puissance de calcul d’un processeur est liée au nombre de transistors qu’il contient, chiffre qui augmente avec des technologies toujours plus pointues. Selon la loi de Moore (Figure 2), la densité de transistors sur une puce est supposée doubler tous les deux ans. Ce postulat s’est révélé relativement exact pendant quelques décennies, mais les progrès sont ralentis limités par des contraintes physiques et l’évolution de la puissance de calcul s’éloigne de la loi de Moore.
Les transistors : cœur des puces électroniques
Les deux types de puces : logique et mémoire
Les types de processeurs les plus communs sont les puces « logique » et les puces « mémoire » :
- Les premières correspondent aux « cerveaux » des appareils électroniques, qui traitent les informations pour accomplir une tâche. Elles sont essentielles à leur fonctionnement car elles fournissent la puissance de traitement nécessaire à tous les appareils numériques, du serveur au petit objet connecté.
- Les secondes remplissent la fonction de stockage de données. Il en existe deux types, la mémoire volatile qui est effacée lorsque l’appareil est éteint (puces DRAM) et la mémoire non volatile qui est conservée (puces NAND). Pour plus de détails, voir cet article de ASML
Notre article se concentre en particulier sur les impacts environnementaux de ces deux types de puces.
Procédés de fabrication des puces électroniques
Les étapes clés de la fabrication d’un wafer de silicium
L’étape de fabrication des semi-conducteurs est une des sources de pollution majeur dans le cycle de vie de ces composants. Il est donc important de connaître globalement les procédés utilisés pour comprendre l’origine des impacts environnementaux.
Comme montré en Figure 3, de manière très simplifiée (plus de détails ici, en anglais), les puces sont fabriquées à partir d’un socle en silicium pur et parfaitement poli, en forme de rondelle d’environ 200 nm de diamètre, aussi appelée wafer. Ensuite, des couches de matière, généralement des oxydes, sont déposées sur la plaque de silicium, suivies d’une couche de photorésine. Le wafer est ensuite exposé à un laser, autrement dit un rayon de lumière contrôlée et projetée à travers une lentille, de sorte à dessiner le circuit intégré désiré sur la résine.
Le rôle de la photorésine et du laser dans la gravure
Le circuit est ensuite gravé en enlevant une partie de la couche de photorésine et d’oxyde pour imprimer le motif souhaité. Une très faible quantité de particules chargées est ensuite posée sur la surface pour créer différentes zones de matériaux semi-conducteurs. Puis, les couches de photorésine indésirables sont décapées et des fils métalliques sont déposés sur le wafer pour connecter les transistors entre eux. Cette étape implique une dizaine de cycles photorésine-laser-gravure supplémentaires. Les puces sont construites ainsi couche par couche en répétant l’opération entre 40 et 100 fois afin d’obtenir un circuit intégré complexe. Une fois le cycle de traitement des plaquettes terminé, celles-ci sont découpées en puces individuelles, testées puis encapsulées dans des boîtiers protecteurs pour les protéger.
La finesse de gravure : enjeux technologiques et environnementaux
C’est la résolution du laser, déterminée par la longueur d’onde de la source lumineuse, qui détermine la taille des nœuds de semi-conducteurs (technology node en anglais). Cette unité de mesure (en nanomètres), qui faisait à l’origine référence à la longueur de la grille du transistor, ne correspond plus à une mesure physique mais sert à désigner une certaine génération de technologie de gravure d’une puce et les performances associées.
La finesse de gravure du laser influence la densité de transistors et donc la quantité d’informations pouvant être traitées pour une certaine surface de circuit intégré. Un nœud plus petit indique que le processeur est plus puissant et énergétiquement plus efficient.
Impacts environnementaux des puces : émissions de CO₂ et consommation d’eau
Nous avons vu que la fabrication des puces repose sur des procédés particulièrement complexes. Les impacts environnementaux associés aux différentes étapes de fabrication sont de plus en plus étudiés et pris en compte par l’industrie de la microélectronique. Différents groupes de chercheurs et d’industriels, s’attaquent ainsi à la question des impacts environnementaux des puces. En Europe, Imec (Interuniversity Microelectronics Centre), est le plus grand centre indépendant de recherche et d’innovation en matière de nanoélectronique et de technologies numériques. Fondé en 1984 et basé en Belgique, l’organisation a pour objectif de rendre les semiconducteurs énergétiquement plus efficients mais aussi plus responsables. Ils mettent notamment à disposition un outil, en partie public, pour estimer les impacts environnementaux de la fabrication des puces selon les nœuds (imec.netzero).
Émissions de CO₂ par technologie et par scope (figure 4)
L’impact croissant des nœuds les plus fins
La Figure 4 est tirée de la version publique de l’outil netzero.imec. Elle montre les émissions de gaz à effet de serres (GES) en kg équivalent-CO2 de 12 types de nœuds (du plus ancien en haut au plus récent en bas), selon la technologie utilisée (finesse de gravure) et les scopes définis par la méthodologie BGES. On remarque une augmentation des émissions avec la finesse de gravure, principalement due à l’augmentation du nombre d’étapse de fabrication sur les nœuds les plus petits. On peut également constater que pour toutes les puces, c’est le scope 2 qui représente la majorité des impacts. Cela s’explique par des machines et procédés très énergivores. De plus, l’industrie des semi-conducteurs se trouve en majorité dans une région où l’électricité est très carbonée (Asie du Sud et de l’Est).
La consommation d’eau et les tensions sur les ressources à Taïwan
La fabrication des puces génère également d’autres types d’impacts sur l’environnement. Par exemple, les étapes de nettoyage nécessitent de grandes quantités d’eau très pure, une ressource déjà relativement rare à Taiwan. Ainsi, lors d’une sècheresse particulièrement intense en 2021, l’irrigation d’un quart des champs de riz du pays a été suspendue au profit des usines de fabrication de puces (Reporterre). De la même manière, le silicium utilisé pour les wafers doit être extrêmement pur (99,99999999%), ce qui implique des étapes de purification complexes, coûteuses en énergie et en ressources.
Comment limiter ces impacts ? Solutions et bonnes pratiques
Transition vers une électricité moins carbonée : défis et opportunités
Du côté des fabricants, le passage à une électricité moins carbonée permettrait de réduire les émissions de GES associées aux puces, via l’utilisation d’énergies renouvelables par exemple. Mais la mise en pratique reste complexe, Taiwan étant le principal fournisseur de puces dans le monde. Il faudrait que le pays accélère grandement sa transition vers les énergies renouvelables pour en produire suffisamment et respecter ses objectifs climatiques. Le sujet est traité en détails dans cet article scientifique (en anglais).
L’abattement des gaz à effet de serre dans les usines
Dans les processus même, certaines pratiques permettent également de limiter les émissions de GES, comme l’abattement. En effet, les gaz utilisés ne sont jamais totalement consommés, et peuvent être toxiques, inflammables ou avoir un fort potentiel de réchauffement climatique. Les réglementations sur la pollution de l’air de chaque pays exigent donc le traitement des gaz dangereux avant qu’ils ne soient relâchés, en les piégeant, les brûlant ou par des réactions chimiques (par exemple TSMC). Étendre cette pratique à tous les gaz susceptibles d’avoir un impact prépondérant sur le climat permettrait ainsi de limiter les impacts de cette industrie.
Allonger la durée de vie des puces : reconditionnement et économie circulaire
Une fois que les puces sont fabriquées, le plus grand levier pour compenser leurs impacts environnementaux est l’allongement de leur durée de vie. Pour les smartphones et les ordinateurs, cela peut consister à reconditionner le matériel pour lui donner une seconde vie. Mais il peut également s’agir de séparer les composants de vieux équipements et réutiliser certaines pièces pour remonter un nouvel appareil qui répond à un besoin précis.
Le cas de Citronics et des micro-ordinateurs
Ce modèle circulaire commence à apparaître, avec des acteurs comme Citronics par exemple, qui récupère les processeurs des anciens téléphones pour faire des micro-ordinateurs, utilisés ensuite pour de l’automatisation ou dans le secteur de l’énergie.
Enjeux d’approvisionnement et dépendance des pays d’Asie
Domination de Taïwan et de la Corée du Sud dans la production mondiale
Comme mentionné plus haut, l’Asie du Sud-Est représente la majorité de la production des processeurs dans le monde avec près de 300 milliards de dollars sur les 525 milliards de marché en 2023. En nombre de sites de production, l’Asie de l’Est représente 66% des sites mondiaux, avec Taiwan produisant 60% des semi-conducteurs mondiaux et 90% des puces logiques les plus avancées. Et ce sont des entreprises coréennes qui détiennent une part dominante de 60 % du marché des puces mémoire. [RC1.1]
Pourquoi l’Europe et les États-Unis sont-ils en retard ?
L’Europe manque d’installations de pointe dans ce domaine. Même si elle accueille plusieurs sites relativement avancés (STMicroelectronics, GlobalFoundries), la majorité de sa production (presque 50%) représente des technologies relativement anciennes (gravure de 180 nm et plus large), destinées à des usages dans l’industrie et l’automobile. Les technologies plus avancées, destinées aux téléphones portables ou aux ordinateurs haut de gamme, par exemple, sont très peu produites en Europe. Les États-Unis, au contraire, possèdent une bonne capacité de production pour tous les types de technologies jusqu’à 10 nm de finesse de gravure. Seuls Taiwan et la Corée du Sud ont les infrastructures nécessaires à la production des dernières puces de pointe, d’une finesse de gravure inférieure à 10 nm (Figure 5).
Les risques géopolitiques et économiques de cette dépendance
Pour conclure, les semi-conducteurs sont au cœur des nouvelles technologies. Si les innovations dans les processus de fabrication depuis les années 70 ont permis de multiplier la finesse de gravure par un facteur de 10 000, les impacts environnementaux associés à ces composants sont également croissants. Que ce soit au regard du changement climatique ou de la tension sur l’eau, plus les technologies sont avancées, plus les impacts sont importants, et ce malgré l’optimisation des procédés. Il y a donc un double enjeu lié au fait que la production soit majoritairement localisée en Asie.
Quelles solutions pour relocaliser une partie de la production ?
D’abord, installer des sites de production dans une région où le mix électrique a un impact environnemental moindre permettrait de limiter la pollution engendrée par la fabrication de ces composants. De plus, l’implantation de sites de production de pointe en Europe permettrait de réduire la dépendance aux pays d’Asie du Sud-Est. Planifier l’installation de telles infrastructures en Europe, sur un site où une énergie peu carbonée et l’eau sont relativement abondantes serait une piste pour répondre à ces deux problématiques. Une réflexion sur ce sujet est d’autant plus nécessaire que de nouveaux usages apparaissent, demandant toujours plus de puissance de calcul. Ainsi, les dernières puces développées pour l’intelligence artificielle représentent des impacts environnementaux colossaux, par exemple, la fabrication du GPU HGX H100 de Nvidia représente un impact sur le dérèglement climatique de 1 312 kg éq.CO₂.