Le Japon est en compétition pour « l’ère des puces optiques »

Résumé :

La prochaine concurrence en matière de capacité de calcul pour l'IA s'étend des GPU aux puces photoniques au silicium. La fonderie de plaquettes Tower Semiconductor étend de manière agressive sa capacité de production de photonique sur silicium au Japon. Le PDG de Tower, Russell Ellwanger, a récemment déclaré que les centres de données d'IA sont à l'origine de la croissance rapide de la demande de puces photoniques au silicium et que l'entreprise doit augmenter sa capacité de production dès que possible. Le Japon deviendra l’une des bases de production de semi-conducteurs de communication optique les plus importantes au monde.

Selon le plan annoncé précédemment par Tower, la société investira plus de 600 milliards de yens, soit environ 4 milliards de dollars américains, au Japon, en se concentrant sur l'expansion de ses capacités photoniques au silicium de 300 mm, du silicium-germanium et de ses capacités de conditionnement optique avancées. Parmi eux, le gouvernement japonais prévoit de fournir jusqu'à environ 160 milliards de yens et environ 1 milliard de dollars de soutien.

Pour Tower, il ne s'agit pas seulement d'un cycle ordinaire d'expansion d'une usine, mais aussi d'un pari à long terme à l'ère des centres de données IA, des modules optiques 800G/1,6T, des NPO et des CPO.

1. L'IA pousse la photonique sur silicium dans un cycle d'expansion de la production

Pourquoi Tower doit-elle augmenter sa production maintenant ?

Il n'y a qu'une seule raison essentielle : de plus en plus de données doivent être transmises entre les serveurs d'IA.

Lorsque le cluster IA passe de milliers de GPU à des dizaines de milliers, voire des centaines de milliers de GPU, ce qui limite réellement l'échelle de puissance de calcul n'est plus seulement le GPU lui-même, mais aussi la manière d'échanger des données à grande vitesse entre les GPU. Les interconnexions traditionnelles en cuivre sont confrontées à une pression croissante en termes de distance, de bande passante, d'intégrité du signal et de consommation d'énergie, et les interconnexions optiques commencent donc à se rapprocher des serveurs et des puces.

L'intérêt de la technologie photonique sur silicium réside dans l'utilisation de processus de silicium matures pour fabriquer des dispositifs photoniques tels que des modulateurs, des photodétecteurs et des guides d'ondes, et dans la collaboration avec des puces électroniques pour permettre la transmission de données à plus grande vitesse via des signaux optiques.

C'est pourquoi, après le 800G, les modules optiques 1,6T, la photonique sur silicium, le NPO et le CPO deviennent les mots clés clés de la chaîne industrielle des centres de données IA.

Le PDG de Tower, Ellwanger, a déclaré que la demande actuelle du marché pour les puces photoniques au silicium est très élevée et que l'entreprise doit augmenter sa capacité de production dès que possible.

△Russell Ellwanger, PDG de Tower Semiconductor

Les informations divulguées par Tower montrent que son activité photonique sur silicium est entrée dans une phase de croissance rapide. L’entreprise ne se contente pas de verrouiller les commandes futures, mais commence également à planifier à l’avance sa capacité de production en 2027 et même en 2028.

En d’autres termes, ce pour quoi Tower est désormais en compétition, ce ne sont pas les commandes de modules optiques d’aujourd’hui, mais l’entrée de la fabrication dans l’infrastructure d’interconnexion optique de l’IA dans les prochaines années.

2. Pourquoi Tower parie-t-il sur la lumière au silicium ?

La tour est différente de TSMC, Samsung et Intel. Il ne se concentre pas sur les processus logiques CPU et GPU les plus avancés comme champ de bataille principal, mais se concentre à long terme sur la fonderie de plaquettes à processus spécialisés.

Le paysage technologique de Tower couvre la photonique sur silicium, le silicium germanium SiGe, les radiofréquences RF, la gestion de l'énergie, les capteurs d'image et d'autres domaines. À l'ère de l'IA, cela ne semble pas suivre la voie « 2 nm, 1,4 nm », mais a gagné de nouvelles opportunités de croissance.

En plus des GPU, les serveurs IA nécessitent également un grand nombre de puces réseau haut débit, de modules optiques, de puces optoélectroniques et de dispositifs analogiques haut débit.

En particulier dans le domaine de la photonique sur silicium, Tower a formé une profonde accumulation de processus.

Le PH18DA de Tower et d'autres plates-formes sont destinés aux applications de communication optique à haut débit et peuvent intégrer des lasers, des amplificateurs optiques, des modulateurs, des photodétecteurs et d'autres dispositifs, fournissant une base de fabrication pour les interconnexions optiques 800G, 1,6T et haute vitesse de nouvelle génération.

Cela confère à Tower un rôle très particulier dans la chaîne industrielle des communications optiques de l'IA : elle ne produit pas de GPU, mais elle peut fabriquer des puces photoniques en silicium clés nécessaires pour connecter un grand nombre de GPU.

3. 4 milliards de dollars pariés sur le Japon

L'ampleur du plan d'expansion de la production japonaise de Tower dépasse 600 milliards de yens, soit environ 4 milliards de dollars américains, et est principalement promu selon deux axes.

La première voie consiste à utiliser Tower pour étendre rapidement la capacité de production de photonique sur silicium dans les usines de fabrication de plaquettes existantes au Japon.

Tower prévoit de transformer son usine d'Arai à Myoko City, dans la préfecture de Niigata, et d'utiliser les ressources de fabrication associées pour la photonique sur silicium de 300 mm et la production liée à l'optique avancée ; dans le même temps, la société augmentera encore la capacité de fabrication de plaquettes de 300 mm d'Uozu Fab 7 dans la préfecture de Toyama.

Fab 7 dispose actuellement d'une base de fabrication liée au silicium-germanium et à la photonique sur silicium. Par conséquent, Tower peut finaliser l’introduction des équipements, la vérification des processus et la montée en puissance de la production de masse plus rapidement que la construction d’une nouvelle usine de plaquettes à partir de zéro.

Tower prédit que cette nouvelle capacité atteindra la capacité de production de masse au quatrième trimestre 2027.

La deuxième voie est plus radicale.

Tower prévoit de continuer à construire de nouvelles installations de fabrication de 300 mm à proximité de Fab 7 afin d'étendre davantage sa capacité de production de silicium photonique et de silicium-germanium. La nouvelle capacité de production devrait apporter une contribution substantielle au chiffre d'affaires de l'entreprise à partir de 2029 environ.

Selon le plan de Tower, après l'achèvement des projets concernés, sa capacité de production japonaise équivalente de tranches de 300 mm devrait atteindre environ 45 000 tranches par mois.

Cela signifie que le Japon deviendra l'une des bases de fabrication les plus importantes pour le prochain cycle d'expansion de la photonique sur silicium de Tower. (Comme le montre l'image - 2028)

4. Pourquoi le Japon a-t-il donné à Tower 1 milliard de dollars ?

Derrière l'investissement à grande échelle de Tower au Japon se cache la stratégie du gouvernement japonais visant à promouvoir la reconstruction de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs.

Le ministère japonais de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie prévoit d'apporter un soutien pouvant atteindre environ 160 milliards de yens, soit environ 1 milliard de dollars américains, au projet Tower, en se concentrant sur le soutien aux capacités de fabrication de semi-conducteurs de communication de nouvelle génération, tels que la photonique sur silicium et le silicium-germanium.

Le gouvernement japonais a soutenu l'usine TSMC de Kumamoto, le projet de logique avancée Rapidus et un certain nombre de projets de matériaux, d'équipements et d'emballage semi-conducteurs ces dernières années. Les capacités de fabrication de photonique sur silicium représentées par Tower ont complété l'interconnexion optique à haut débit de l'IA.

Selon les accords pertinents, Tower doit assumer des responsabilités de production et d'approvisionnement à long terme. En cas de pénurie de semi-conducteurs, le marché japonais bénéficiera également de garanties d'approvisionnement correspondantes.

Par conséquent, cette subvention ne vise pas seulement à « inviter Tower à construire une usine au Japon ».

Ce que le Japon espère vraiment obtenir, c'est un nœud de fabrication clé qui pourra servir les futurs secteurs des centres de données d'IA, des communications optiques et de l'intégration optoélectronique.

5. L'aménagement de Tower Japan présente également un autre avantage : les personnes laissées pour compte par Panasonic

Tower a choisi le Japon pour une autre raison souvent négligée : le talent.

Tower est entré au Japon dès 2014 en créant TPSCo avec Panasonic et a repris les ressources de fabrication de semi-conducteurs de Panasonic dans la région de Hokuriku.

Bien que Panasonic ait ensuite progressivement abandonné une partie de son activité de fabrication de semi-conducteurs, un grand nombre d'ingénieurs, d'artisans et de fondations industrielles possédant une expérience dans la fabrication de plaquettes ont été retenus.

Pour la fabrication de semi-conducteurs, cela est très important.

Une usine de fabrication ne peut pas produire simplement en achetant du matériel. L'intégration des processus, la maintenance des équipements, l'amélioration du rendement, le contrôle des défauts et l'expérience en production de masse nécessitent une accumulation à long terme.

Par conséquent, Tower peut utiliser directement les usines, les infrastructures, les équipes d'ingénierie et les systèmes de chaîne d'approvisionnement existants pour développer la production au Japon, plutôt que de construire une nouvelle base de fabrication à partir de zéro.

C'est également une raison importante pour laquelle Tower choisit de continuer à se concentrer fortement sur le Japon.

6. La vraie prochaine bataille : CPO

Cependant, la concurrence à laquelle la Tower est confrontée s'intensifie également.

Dans le passé, les puces photoniques au silicium étaient principalement utilisées dans les modules optiques enfichables, mais à mesure que la bande passante des puces de commutation IA continue d'augmenter, les dispositifs optiques se rapprochent de plus en plus des ASIC de commutation et des puces informatiques.

L'industrie a donc commencé à passer des modules optiques enfichables traditionnels au NPO, puis au CPO.

CPO, Co-Packaged Optics, optique co-packagée.

L'idée principale est de rapprocher le moteur optique de la puce de commutation et de réduire la consommation d'énergie et la perte de signal en raccourcissant la distance de transmission des signaux électriques à grande vitesse.

Cela signifie que la future compétition en photonique sur silicium ne portera pas seulement sur "qui peut produire des puces photoniques sur silicium", mais inclura également qui peut intégrer la photonique sur silicium, le packaging avancé, les ASIC de commutation, les chipsets et les interconnexions à haut débit dans un système.

Les fonderies de plaquettes telles que TSMC, Tower et GlobalFoundries envisagent toutes d'aller dans cette direction.

Pour Tower, l'une des tâches importantes de l'expansion de la production au Japon est de préparer les capacités de fabrication à l'avance pour la prochaine étape de la concurrence CPO.

7. La tour pourrait former une synergie avec le japonais NTT

Le Japon possède également une importante carte photonique au silicium - NTT.

Groupe NTT ≈ Un mélange de China Telecom + China Mobile + China Information Technology + grands fournisseurs de services informatiques (similaire au gouvernement et aux entreprises Digital China/Huawei).

Si vous regardez uniquement le réseau fixe + la base de fibre optique, c'est le plus proche de

China Telecom

China Mobile

NTT promeut depuis longtemps le plan IOWN (Innovative Optical and Wireless Network), dans l'espoir d'utiliser la technologie d'intégration photoélectrique pour réduire la consommation d'énergie dans les centres de données et les réseaux de communication.

L'une des orientations importantes est de maintenir la « lumière » dans le système informatique.

Des connexions optiques entre les centres de données aux serveurs, en passant par les interconnexions optiques au niveau des cartes et même à proximité des puces, l'intégration optoélectronique est en train de devenir une voie technique importante pour l'industrie japonaise des communications de nouvelle génération.

Des sociétés telles que NTT Innovative Devices, Shin Kong Electric, Broadcom et Accton ont déjà coopéré sur les moteurs optiques, les substrats, les ASIC de commutation et l'intégration de systèmes.

Tower se trouve être en mesure de fournir l'un des liens clés : la photonique sur silicium et la fabrication de plaquettes de silicium-germanium.

Si les deux parties approfondissent davantage leur coopération à l'avenir, le Japon pourrait progressivement se former :

Fabrication de plaquettes photoniques en silicium → Moteur optique → Substrat avancé → CPO/NPO → Switch → Centre de données IA

Une chaîne industrielle tellement plus complète.

Ellwanger a déclaré qu'il existe une possibilité de coopération potentielle avec NTT, mais que les détails spécifiques de la coopération n'ont pas encore été annoncés.

8. Le Japon est en compétition pour « l'ère des puces optiques »

Le Japon était autrefois loin derrière TSMC et Samsung dans le domaine de la fabrication de logique avancée, mais l'ère de l'IA a donné au Japon une fenêtre pour réorganiser l'industrie des semi-conducteurs.

Cette fenêtre n'est pas nécessairement de 2 nm seulement.

La photonique sur silicium, le silicium-germanium, le packaging avancé, l'intégration optoélectronique, le CPO et les modules optiques à grande vitesse sont également susceptibles de devenir des axes de croissance importants pour l'industrie des semi-conducteurs au cours de la prochaine décennie.

Tower a investi 4 milliards de dollars pour accroître la production au Japon. Cela mérite donc d'être compris dans un contexte industriel plus large.

D'une part, Tower a besoin d'une grande capacité de production de photonique sur silicium pour répondre aux besoins des centres de données d'IA ; d’un autre côté, le Japon espère rétablir ses capacités clés de fabrication de semi-conducteurs. Tower a besoin des ingénieurs, des bases de fabrication et du soutien politique du Japon, tandis que le Japon a besoin de la technologie photonique sur silicium de Tower et de ses clients mondiaux.

Les intérêts des deux parties convergent à l’heure actuelle de l’interconnexion optique de l’IA.

À mesure que les GPU deviennent plus rapides et que les clusters d'IA deviennent plus grands, la manière dont les données circulent entre des centaines de milliers de puces deviendra un nouveau goulot d'étranglement.

L'une des questions les plus importantes de l'industrie des semi-conducteurs au cours des deux dernières décennies a été la suivante : qui peut fabriquer les transistors les plus avancés ?

Dans les dix prochaines années, un autre problème pourrait devenir de plus en plus important :

Qui peut connecter des centaines de milliers de puces IA avec une lumière plus rapide et à faible consommation d'énergie ?

Tower parie 4 milliards de dollars sur la réponse.