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Sur l'évolution du secteur des semi-conducteurs et ses liens avec les micro et nanotechnologies

 

B. DE LA DÉCOUVERTE À L'APPLICATION QUOTIDIENNE

En première partie de cette étude, nous avons souligné combien les semi-conducteurs irriguent notre vie quotidienne et ont modifié nos comportements sociaux.

Les évolutions qui se préparent sont d'une ampleur encore plus grande

Dans un rapport préparé par le Conseil national du renseignement américain et intitulé la « révolution technologique globale », la Rand Corporation s'est efforcée d'étudier les conséquences de la projection et les effets de synergie de trois grands domaines de recherche et de développement technologique (les nouveaux matériaux, les nanotechnologies et la biologie) à l'horizon 2015.

Par certains de ses aspects ce rapport déborde assez largement du sujet du présent rapport, notamment pour ce qui concerne les applications biotechnologiques. Il contient des éléments de réflexion au prophétisme quelquefois excessif, mais aussi des éléments intéressants, dont deux semblent devoir être soulignés :

- la montée des transversalités scientifiques et technologiques,

- la place centrale des micro et des futurs nanosystèmes dans les applications industrielles des quinze prochaines années.

Mais on doit opérer une distinction entre les microsystèmes déjà présents dans le tissu industriel et les nanosystèmes dont les perspectives d'application ne sont pas immédiates et qui posent, notamment, de réels problèmes de cheminement industriel.

1. L'essor des microsystèmes 

Rappelons qu'il s'agit de technologies visant à développer des dispositifs à l'échelle du micron (et en fait de 10 à 100 aujourd'hui).

En général, ces microsystèmes associent un microprocesseur traitant l'information et des dispositifs liés à l'environnement (thermique, de pression, chimique, magnétique, etc.) afin d'accomplir des fonctions complexes.

Leur domaine d'applications technologiques recouvre maintenant des disciplines de plus en plus nombreuses (mécanique, optique, fluidique, chimie, biologie, espace, etc.).

Les microsystèmes sont en plein développement industriel et représentent un marché mondial de plusieurs dizaines de milliards d'euros, appelé à s'accroître rapidement.

L'automobile est un de leurs domaines d'élection, du fait de l'ancienneté de leur introduction (dès le début des années 1990, les premiers microaccéléromètres - capteurs inertiels simples - ont été dédiés à l'installation des « airbags ») et parce que ce secteur constitue un marché de masse bien adapté à la « pervasion » des microsystèmes.

La part de l'électronique, qui atteint 20 à 25 % du coût d'une voiture de base, peut très rapidement monter à 40 % du coût d'une berline de luxe :

- capteurs de pression des pneus, des gaz de moteur, ou de l'huile,

- capteurs de flux d'air ou d'oxygène,

- capteurs de vitesse permettant de régler l'injection du véhicule,

- capteurs d'autocollision,

- microgyroscopes de contrôle dynamique du véhicule pour des applications de suspension active ou d'ABS, etc.

Tous ces systèmes sont liés à des transpondeurs permettant de transmettre l'information, ou à des systèmes permettant de rectifier les dysfonctionnements détectés.

Mais de plus en plus de secteurs sont également concernés :

- l'espace, où des systèmes à l'étude de micropyrotechnie ouvrent des voies au guidage de microsatellites d'une vingtaine de kilos,

- les télécommunications, où les microsystèmes d'hyperfréquence trouveront une application aussi bien en téléphonie mobile qu'en liaisons satellitaires. De même, dans ce secteur, les microsystèmes optiques sont de plus en plus engagés dans la conversion optoélectronique,

- l'industrie agroalimentaire, où le mûrissement des fruits est déjà suivi grâce à des microcapteurs chimiques,

- la médecine (capteurs de pression, notamment cardiaque) et la biologie (laboratoires sur puces pour effectuer des tests à moindre coût),

- l'aéronautique, où l'on étudie le remplacement des volets sur les ailes des avions par un maillage de microvolets afin d'augmenter la sûreté de fonctionnement et de fournir des économies d'énergie,

Même les activités sportives sont concernées. Une semelle dotée de 64 microcapteurs a ainsi permis de fabriquer des chaussures sur mesure pour les footballeurs d'un club espagnol.

Le nombre de domaines industriels concernés n'est pas exhaustif car le champ de ces nouvelles technologies est extensible à tous les domaines de la vie quotidienne.

*

* *

On estime que, d'ici dix ans, le nombre de microsystèmes fabriqués dans le monde croîtra d'un facteur 10 000.

Ces systèmes ont progressé, et progresseront encore rapidement pour deux raisons :

- ils ont su trouver des domaines d'applications de masse (comme l'automobile et les télécommunications), donc des zones de rentabilité à partir desquelles ils pourront essaimer vers d'autres applications industrielles,

- ils mettent en oeuvre une interdisciplinarité, restreinte dans un premier temps mais en croissance rapide, puisqu'elle couple les sciences de l'ingénierie et les disciplines concernées (électronique, physique, chimie, biologie, etc.). Cette interdisciplinarité nécessaire et féconde n'exclut pas qu'assez rapidement des problèmes d'intégration de systèmes se posent, comme c'est le cas dans la téléphonie mobile, faisant de plus en plus appel aux langages informatiques.

Au-delà des promesses aujourd'hui clairement perçues, la translation des micro aux nanosystèmes, d'un ordre de grandeur géométrique 10 à 100 fois plus petit, soumis à des interdisciplinarités plus larges et proposant des services sans usages sociaux encore établis pose des problèmes d'une autre ampleur.

2. Perspectives des nanosystèmes : espoirs et interrogations

a) Les différences entre micro et nanosystèmes 

La distinction entre les microsystèmes et les nanosystèmes pose en elle-même problème.

En effet, il n'est pas acquis qu'il y ait solution de continuité, à un terme d'une quinzaine d'années, entre les microsystèmes et les nanosystèmes, du fait notamment des progrès de la nanoélectronique.

On est là, pleinement dans la problématique de la rencontre entre le « top down » et le « bottom up ».

Mais, en l'état, il est nécessaire de relever les différences entre micro et futurs nanosystèmes :

l'horizon de temps n'est pas le même, les microsystèmes sont actuellement disponibles, les nanosystèmes ne seront pas sur le marché avant dix à quinze ans,

le changement d'échelle, de l'ordre d'un facteur 100, offre des possibilités d'applications économiques et sociales beaucoup plus importantes,

la convergence des disciplines sera beaucoup plus forte dans les nanosystèmes que dans les microsystèmes, où sont finalement associés une seule discipline et les soucis de l'ingénierie,

le propos initial n'est pas le même : d'un côté le couplage des acquis de la miniaturisation des microprocesseurs avec des interfaces de captage et de traitement de l'environnement, de l'autre l'utilisation de la façon dont la matière s'organise à l'échelle moléculaire,

enfin, et quoique cette différence soit appelée à se réduire, les nanosystèmes sont consubstantiels à une économie de réseaux beaucoup plus étendus (par exemple du malade au contrôle hospitalier à distance), que les microsystèmes qui sont, pour l'heure, plus dédiés à des réseaux restreints (comme par exemple ceux d'une automobile).

b) Des domaines d'application économiques et sociaux bien identifiés 

Au delà des incertitudes liées à des systèmes qui ne viendront pas à maturité avant dix-quinze ans, paradoxalement certains des domaines d'application des nanosystèmes sont dès à présent identifiés :

les systèmes dédiés à la santé 

Ceux-ci concernent des applications proprement médicales, des applications permettant de compenser les handicaps et des applications permettant de répondre au vieillissement de la population, et, en particulier :

- les techniques de diagnostic non intrusives,

- les techniques de diagnostic in vivo et les systèmes d'alerte liés,

- les organes artificiels,

- les thérapies anti-cancéreuses exactement ciblées,

- les délivrances localisées et in vivo de médicaments en fonction des réactions de l'organisme,

- les textiles médicaux servant au même objectif,

- la domotique reposant sur les commandes vocales pour les personnes âgées.

Cette énumération n'est naturellement pas limitative, un complément y sera apporté par l'étude dont a été saisi l'Office sur le thème « nanosciences et progrès médical ».

La protection de l'environnement et le développement durable 

Déjà, les microsystèmes sont capables de capter le degré de pollution de l'eau et de mettre en oeuvre des dispositifs d'alerte sur ce point. Ils sont aussi capables, comme nous l'avons relevé, de former des dispositifs dans les pots d'échappement des automobiles assurant une meilleure régulation des moteurs thermiques et, par voie de conséquence, une amélioration des rejets gazeux.

Mais les nanosystèmes intervenant à l'échelle moléculaire présenteront des avantages beaucoup plus décisifs pour la protection de l'environnement et le développement durable.

D'une façon générale, il s'agit d'apprendre comment la nature s'auto-organise afin de mettre au point de nouveaux processus industriels, plus économiques en énergie et en matières premières.

Pour caricaturer, il s'agit d'éviter, comme nous le faisons trop souvent, d'abattre un arbre pour fabriquer un cure-dent.

Il est vrai que, de la construction en laboratoire d'une brouette ou d'un moteur moléculaire avec un microscope à effet de tunnel à la mise en ligne industrielle, il s'écoulera probablement plus qu'une décennie.

Pourtant, dès maintenant, les nanosystèmes offrent des perspectives assez proches d'amélioration de la protection de l'environnement et de promotion du développement durable.

Nous en donnerons deux exemples :

- En matière de protection de l'environnement, les nanotubes de carbone immergés font apparaître des processus d'agrégation : certaines particules se collent et restent agrégées les unes aux autres. Cette propriété fait également l'objet d'études pour créer des structures permettant d'éliminer la dioxine. Une nouvelle approche des dispositifs de filtration de gaz et de liquides est ainsi envisageable.

- En matière de développement durable :

* les mêmes nanotubes pourraient être un support de stockage ultraléger de l'hydrogène pouvant être utilisé dans les futures piles à combustible ;

* les recherches menées actuellement sur la nanooptoélectronique sont très prometteuses sur plusieurs points ; en particulier :

- lorsque les recherches sur les lasers bleus et verts auront été menées à bien, les « télévisions à laser » pourraient permettre (sur la base de 4 heures d'utilisation quotidienne moyenne) d'économiser 5 % de la consommation électrique d'un pays ;

- les installations photovoltaïques sont encore peu utilisées pour la production électrique en raison de leur faible rendement actuel. Celui-ci pourrait être porté de 10 % à 30, voire 40 % de l'énergie solaire reçue. Une nouvelle approche de l'énergie domestique en résulterait.

- Diodes et dispositifs lumineux

Des dispositifs lumineux, en particulier les diodes de nouvelle génération pourraient, à moyen terme, modifier radicalement les instruments d'éclairage qui nous entourent et réduire considérablement la consommation électrique.

Les domaines de la sécurité 

Aux dires des personnes entendues, ces applications sont parmi les plus avancées, mais pour beaucoup d'entre elles, ne parviendront au stade du marché de masse que si le ministère de la défense américain donne son acquiescement à leur divulgation.

Il s'agit d'un secteur privilégié de recherche, en particulier aux États-Unis, en raison du contexte nouveau résultant du 11 septembre. Déjà des applications multiples sont envisagées et expérimentées. Elles concernent au premier chef le domaine militaire (systèmes personnels de protection des combattants, nanosystèmes de détection et de sécurité), mais ont également des applications civiles.

Outre les nanoréseaux de détection, déployés pour protéger ou sécuriser un secteur (qui peut être une base militaire, un aéroport ou une maison), des études sont, par exemple, menées sur les possibilités de détection de gaz par les nanotubes de carbone (même si, en l'état, celles-ci ne sont effectives qu'à température élevée).

L'irrigation des industries traditionnelles 

Celles-ci connaîtront également les effets de la nouvelle révolution numérique par l'introduction massive des micro et nanosystèmes dans les processus de fabrication et dans la conception même des produits.

Il est plus probable que l'introduction des nanosystèmes s'effectuera progressivement selon la séquence approfondissement-élargissement. Et, qu'à ce titre, ces systèmes n'irrigueront l'ensemble de l'industrie qu'après avoir trouvé des marchés de masse sur certains segments.

Mais certains secteurs, comme le textile, développent déjà des prototypes.

Le domaine des textiles intelligents est actuellement très exploré (vêtements délivrant du parfum grâce à des microvalves, vêtements incorporant des capteurs pour les usages sportifs, comme un tensiomètre, vêtements incluant des systèmes d'information sur le textile, ou l'état de propreté, permettant d'autorégler les machines à laver, vêtements avec GPS pour donner l'alarme quand un enfant s'éloigne d'un certain périmètre ou vêtements intégrant un système de lecture de musique tout en restant normalement lavable).

Cela ne constitue qu'un exemple, parmi d'autres, de la façon dont les nanosystèmes vont peu à peu irriguer les industries traditionnelles, et de façon quelquefois imprévue.

Au total, c'est l'ensemble du secteur industriel traditionnel et la totalité des objets d'usage quotidien et des produits de consommation courante qui vont être bouleversés par l'irruption massive des nouvelles « puces » électroniques.

c) Un long cheminement

Les espoirs, tant économiques que sociaux, que l'on peut fonder sur l'essor des nanosystèmes, sont réels (on estime leur marché en 2015 à plusieurs centaines de milliards de $18(*)) mais pas acquis.

Leur réalisation suppose un cheminement divers, financier, puis industriel, politique enfin.

* Sur le plan financier 

La discipline en est encore à la recherche académique et aux premiers développements technologiques de base.

L'unité de temps, jusqu'aux applications de masse, est au moins la décennie.

Cela implique que pendant deux lustres au moins la puissance publique apporte un soutien financier récurrent (et de grande ampleur compte tenu des coûts expérimentaux) à l'essor de ces technologies.

Cela implique également que l'on mette en oeuvre une politique de formation de chercheurs et d'ingénieurs massive et adaptée aux contraintes d'interdisciplinarité de ces nouvelles disciplines.

Certains États, qui ont pris conscience du caractère stratégique du contrôle scientifique de ces technologies, ont engagé ces politiques ; d'autres suivent plus doucement (cf. infra - Chapitre III).

* Sur le plan industriel 

La conception d'une politique industrielle pour des applications qui viendraient à maturité dans une dizaine d'années n'est pas rendue plus aisée par cette latence.

Il est, dès maintenant, nécessaire d'associer beaucoup plus étroitement les industriels à une veille technologique à moyen terme et de leur permettre d'orienter, dans certains cas, les développements technologiques de base.

Sur ce point, il est nécessaire de souligner la façon dont les grands centres de recherche américains et allemands s'efforcent d'associer à leurs recherches, non seulement les grands fabricants de microprocesseurs, mais également les clients de ces fondeurs.

Si on accepte le postulat que d'ici quinze ans les nanosystèmes se diffuseront dans l'ensemble de l'industrie, il faut également se préparer à y associer les PME, qui forment en Europe 80 % du tissu industriel, et dont beaucoup ne font aucune recherche.

* Sur le plan politique 

L'irruption des microsystèmes et la diffusion annoncée des nanosystèmes vont être à la source d'une série d'interrogations sociales qui ne se résument pas à l'enveloppe de financement public qui doit être accordée à leur développement.

Par exemple :

- Comment concilier le respect de la vie privée avec des systèmes sécuritaires de plus en plus perfectionnés et dont les spécificités seront maîtrisées par le secteur privé ?

- Comment financer les effets indirects négatifs et positifs19(*) que l'on escompte des nanosystèmes dans le domaine de la santé ?

- Le droit de la propriété industrielle européen sera-t-il adapté à un domaine où les brevets portant sur les développements technologiques de base auront bientôt plus d'importance que ceux enregistrés sur la recherche appliquée ?

Ces questions non limitatives démontrent, en dépit du délai de maturation des nanotechnologies, qu'il serait utile que les gouvernements européens et l'Union européenne s'intéressent dès que possible aux conséquences de leur essor.

* 18 La NSF (Fondation nationale pour la science des États-Unis) estime même ce chiffre à 1 000 milliards de $.

* 19 par exemple, si quelqu'un peut être alerté plus tôt d'un problème cardiaque, une opération précoce peut générer des économies par rapport à une intervention lourde, mais également prolonger sa vie de quelques années, ce qui accroît le coût de sa retraite.