STMicroelectronics Technodays : MEMS, gravure 20 nm, ST-Ericsson...

Le par Christian D.  |  0 commentaire(s)
ST Technodays logo pro

STMicroelectronics n'est pas forcément très connu du grand public mais c'est pourtant un fabricant de semiconducteurs fortement implanté en France et en Europe dont les composants sont présents dans de très nombreux gadgets. Leader de la production de capteurs MEMS pour les usages consumer, avec des accéléromètres, des gyroscopes, des capteurs de pression, des microphones, etc, présents dans les smarpthones, la société détient aussi 50% du fondeur fabless ST-Ericsson, créateur de plates-formes mobiles. L'événement annuel Technodays était l'occasion d'en savoir plus sur les différentes facettes de cette " industrie des industries ".

ST au coeur de l'industrie des industries

STMicroelectronicsLe fondeur STMicroelectronics a profité d'un événement Technodays pour évoquer ses potentialités et ses perspectives. Le nom même de ST n'est pas forcément très connu du grand public mais ses composants sont présents dans de très nombreux produits électroniques, à commencer par les divers capteurs MEMS des téléphones portables, la société étant le leader mondial sur ce créneau.

Microcontrôleurs, capteurs MEMS, imagerie CMOS...ST utilise son savoir-faire pour profiter de la croissance rapide des semiconducteurs dont les composants sont embarqués chaque jour dans de nouvelles applications. Selon Didier Lamouche, directeur des opérations depuis quelques mois, les semiconducteurs représentent " l'industrie des industries " et donc un maillon à la fois durable et sur lequel il faut pouvoir compter.

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Tirer de la croissance de la convergence
ST est avant tout un industriel au service d'autres industriels, ce qui le rend peu visible aux yeux du public, malgré la présence de sites de premier ordre installés en France, notamment à Crolles ( Grenoble ) et à Rousset ( Sud-Est ). Le succès des capteurs MEMS dans des produits électroniques destinés au grand public lui a ouvert de nouvelles portes et l'incite à communiquer plus largement que dans l'espace B2B ( Business to Business ).

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Si le calcul informatique ( data processing ) reste sa première source de revenus, les communications mobiles constituent une activité en forte croissance, de même que la branche consumer ( capteurs MEMS ), qui s'annonce florissante à court terme.

Tout en sachant traiter les problématiques d'informatique pour ordinateurs et serveurs, ST possède historiquement un savoir-faire tourné vers le mobile, avec ses contraintes d'équilibrage entre performances et consommation d'énergie. Or ces deux mondes sont en train de se rejoindre avec l'essor des tablettes tactiles et des produits nomades qui suivront.


Des applications industrielles aux applications grand public

ST voit ici plusieurs opportunités, qui ouvrent des perspectives dans de nouveaux secteurs comme la télémédecine ou le smart grid :

  • convergence multimédia
  • optimisation de la consommation d'énergie
  • interface man to machine à l'aide des MEMS ( accéléromètres, gyroscopes, capteurs d'humidité, pression, température... )


Avec 10 milliards de dollars de chiffre d'affaires en 2010 ( 60% réalisé en Asie, 25% en Europe et 18% aux Etats-Unis ), 52 000 salariés dont une matière grise de 13 000 ingénieurs, plus de 20 000 brevets, une quarantaine de sites de design et 15 sites de production, STMicroelectronics possède de sérieux atouts pour remplir son objectif : croître plus vite que son marché et maintenir ses leaderships.


Des clients parmi les plus grands de l'industrie
La société est le troisième fournisseur mondial d'électronique pour l'automobile ( et le premier en Chine ), le premier fournisseur mondial de capteurs MEMS (un marché de 345 millions de dollars en 2010, qui devrait doubler en 2011 ) pour les applications grand public, numéro un sur les EEPROM et en croissance rapide sur les contrôleurs 32 bits ( STM32 et SPEAr ).

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Tout en possédant un énorme site de production à Singapour, ST a fait le choix de conserver une forte présence en Europe, et notamment en France ( Crolles, Rousset et Tours, principalement ), où 4 milliards d'euros ont été investis depuis cinq ans. Chaque site, tout en possédant des interconnexions avec les autres structures, fonctionne comme une unité fonctionnelle à part entière, avec ses capacités de R&D, de test et de production.



ST-Ericsson, en quête de débouchés

ST Ericsson logoC'est Marc Cetto, responsable de la branche smartphones et tablettes de ST-Ericsson, qui est venu présenter les grandes lignes de la stratégie de la société dans une période relativement difficile.

ST-Ericsson n'existe que depuis 2009 et constitue l'aboutissement du rapprochement des activités wireless de STMicroelectronics et NXP Semiconductor dans un premier temps, sur lequel s'est greffée par la suite l'activité plates-formes mobiles d' Ericsson, formant une coentreprise entre ST et Ericsson à 50 / 50.

Ce rapprochement d'activités communes a obligé à réorganiser en profondeur les branches apportées par chaque entreprise, pour éliminer les doublons et restructurer les départements pour qu'ils puissent avancer dans la même direction.


Des composants séparés aux plates-formes complètes

Quelle est cette direction ? Il s'agit du passage de la fabrication de composants discrets à l'élaboration de plates-formes complètes intégrant les différents éléments et permettant aux fabricants OEM de gagner du temps dans la commercialisation de leurs produits.

Technodays ST-Ericsson strategie 02

Cette phase de refonte, déjà délicate en temps normal, a été malmenée par la crise économique mondiale de 2008-2009, freinant le retour à la rentabilité de l'ensemble. Si l'on ajoute le revirement brutal de Nokia, client très important pour le fondeur, envers Windows Phone, ce qui permet à son concurrent Qualcomm de proposer ses processeurs SnapDragon tandis que ST-Ericsson a dû relancer une phase préparatoire pour sa propre plate-forme U8500, les deux dernières années n'ont pas été de tout repos pour l'établissement du fondeur européen, qui a longtemps pu se reposer sur ses gammes de composants mais se tourne maintenant résolument vers les produits innovants.

ST-Ericsson est aussi né d'une volonté de créer un fondeur puissant en Europe, capable de résister aux poids nord-américains tels que Qualcomm, Texas Instruments ou Broadcom et de proposer des plates-formes mobiles issues d'un savoir-faire européen.

La société compte 6700 employés dans le monde ( avec une présence dans une vingtaine de pays ), avec une concentration de moyens dans deux pays principaux : la France et la Suède ( chacun comptant environ 1500 ingénieurs ), et une présence significative en Chine et en Inde pour profiter des opportunités des nouveaux marchés et d'un savoir-faire en matière de technologie 3G chinoise TD-SCDMA.


Fabless et porté sur le mobile
ST-Ericsson est donc très portée sur les communications mobiles et les différentes agrégations d'activités lui permettent de proposer une savoir-faire dans les processeurs d'applications, les modems et les composants de communication sans fil ( WiFi, Bluetooth, GPS et autres GNSS, NFC... ) pouvant être combinés au sein de plates-formes comme U8500, son produit phare.

C'est aussi un fondeur fabless, c'est à dire qui conçoit ses composants mais ne les fabrique pas. Cependant, ses relations étroites avec STMicroelectronics lui confèrent certains avantages par rapport à ses concurrents dans l'optimisation et la mise en production de ses chipsets.

Technodays ST-Ericsson strategie

Après les communications entre lieux ( "  je voudrais le 22 à Asnières "  ), après les communications entre personnes ( téléphonie fixe personnelle puis téléphonie mobile ), l'heure est à la communication entre les objets ( Internet des objets ) avec la promesse de 50 milliards d'appareils connectés d'ici quelques années, et alors que les communications voix deviennent de moins en moins attractives pour les opérateurs par rapport aux communications data.


Les modems, un point fort
Pour faire communiquer tous ces objets, il faut des modems, qui seront donc bientôt un peu partout. ST-Ericsson, en venant à bout de sa refonte, amorce aussi une stratégie qui la fait passer de fabricant de composants à fournisseur de plates-formes, plus complexes à mettre au point mais qui oblige aussi à disposer d'une expertise que peu de sociétés peuvent acquérir.

Technodays ST-Ericsson concurrence

Marc Cetto a notamment rappelé dans une diapositive les efforts des différents fondeurs fabless pour acquérir les briques qui peuvent leur manquer et les stratégies suivies, plusieurs fondeurs préférant délibérément sous-traiter une partie des composants.

A noter que dans cette vision, il manque un élément qui est pourtant en train de prendre de l'ampleur : la partie processeur graphique, qui est là aussi généralement sous-traitée, à l'exception de Nvidia, qui utilise des processeurs GeForce, et Qualcomm, qui propose ses propres composants Adreno. Pour les autres, il s'agit souvent d'un processeur PowerVR d' Imagination ou d'une architecture Mali dont ARM propose des licences.


Processeurs d'applications Nova
Du côté des processeurs d'applications, la gamme se nomme Nova chez ST-Ericsson. On trouve ainsi le processeur Nova A9500, gravé en 45 nm et utilisant une architecture ARM Cortex-A9 dual core cadencée à 1,2 GHz, déjà disponible et présenté comme deux fois plus puissant que le processeur Apple A4 de l' iPhone 4.

Au-delà, la roadmap prévoit l'arrivée du processeur Nova A9540, toujours sous ARM Cortex-A9 dual core mais avec des cœurs cadencés à 1,85 GHz et avec une gravure en 32 nm, avec des capacités graphiques trois fois supérieures à celles de la plate-forme ST-Ericsson U8500 ( ARM Cortex-A9 monocoeur ) et une consommation d'énergie optimisée via une architecture innovante. Les processeurs Nova 9540 seront proposés sous forme d'échantillons au cours de l'année 2011.

Technodays ST-Ericsson Nova proc

A plus longue échéance, ST-Ericsson proposera un processeur Nova A9600  gravé en 28 nm, doté d'une archtecture ARM Cortex-A15 dual core cadencée à 2,5 GHz et capable d'une puissance de calcul de 20 000 DMIPS. Cette plate-forme, qui commencera à être échantillonnée en fin d'année 2011, devrait être 30 fois plus performante que le processeur Apple A4 de l' iPhone 4. Elle embarquera la future famille de processeurs PowerVR Series 6 d' Imagination, nom de code Rogue, annoncée début 2011.

A noter que ST-Ericsson n'a pas vraiment de projets directs pour des processeurs d'applications quadricores ( ou du moins la société ne communique pas du tout dessus ). L'optique du fondeur étant essentiellement mobile, à savoir surtout smartphones et tablettes, le quadcore offre moins d'intérêt pour ce profil, alors qu'il peut être intéressant pour élargir l'horizon d'autres fondeurs vers des produits plus nomades ( smartbooks, netbooks ), voire des ordinateurs portables ou, plus tard, des serveurs.

ST-Ericsson reste donc sur des structures dual core mais s'attache à les optimiser pour les rendre plus performantes ( sur les capacités de calcul mais aussi sur la consommation d'énergie ) que les produits de même gamme d'autres fondeurs. Sur ce point, la proximité avec STMicroelectronics pour mettre au point des architectures optimisées fait la différence par rapport à d'autres fondeurs obligés d'utiliser des procédés de fabrication standard.


Modems Thor, cap sur LTE

Pour la partie modem, ST-Ericsson développe des modems GSM / GPRS pour le M2M ( Machine to Machine ) et une gamme Thor tournée vers les usages modem HSPA+ ( avec la course au débit descendant qui se joue entre opérateurs : 21 Mbps, 42 Mbps... ) et LTE dont les perspectives de croissance sont très importantes.

Technodays ST-Ericsson Thor LTE

On trouve les plates-formes Thor M700 et M720, déjà disponibles et capables de gérer du multimode HSPA+ / LTE, et le futur M7400, capable de gérer les variations FDD et TDD ( cette dernière, en Chine surtout ) de LTE et la VoLTE ( Voice over LTE ).


Snowball, plate-forme de développement matérielle
Enfin, ST-Ericsson est sur le point de commercialiser une plate-forme de développement matérielle Snowball qui est en soi une sorte de smartphone dont les composants sont éclatés sur une plaque de silicium, avec un processeur d'applications Nova A9500 dual core ARM Cortex-A9 1 GHz avec partie graphique ARM Mali 400,  de la mémoire ( 1 Go de RAM, 4 à 8 Go de Flash eMMC ), des composants de connectivité sans fil ( WiFi, Bluetooth, GPS, de la connectique ( SDmicro, HDMI, sorties diverses ) mais aussi l'ensemble des capteurs MEMS de ST ( accéléromètre, gyroscope, magnétomètre, capteur de pression... )

La plate-forme Snowball peut ainsi servir à expérimenter ou à développer rapidement de nouveaux produits et applications sur Android, MeeGo ou Ubuntu, en ayant tous les éléments et la documentation à disposition.

ST Ericsson Snowball

 



ST au premier plan

STMicroelectronics HQ logo proDans les technologies de gravure des semiconducteurs, la course est engagée chez les fondeurs pour atteindre une finesse de 20 nm, alors que l'heure est au 32 et 28 nm.

Tout en conservant des sites de production faisant appel à des noeuds de gravure plus élevés ( tous les appareils électroniques n'ont pas besoin d'une finesse extrême, les équipements sont en cours d'amortissement ou déjà amortis et ces sites peuvent faire du volume à bas coût ), le fondeur STMicroelectronics travaille aussi sur les technologies de gravure les plus avancées, au sein de l' ISDA ( International Semiconductor Development Alliance ), un groupement d'industriels ( dont fait aussi partie IBM ) mettant en commun leurs ressources pour préparer les technologies de gravure les plus avancées, en concurrence avec d'autres grands fondeurs comme Intel.

En choisissant de ne pas devenir un fondeur fabless ( c'est à dire qui conçoit ses produits mais sous-traite leur production ), et donc en disposant de ses propres sites de production, ST participe activement à l'émergence des technologies de gravure de demain.


En route vers le 20 nm

En préparant la gravure en 20 nm, l'idée est à la fois de tenter de préserver la loi de Moore et de pouvoir répondre à la demande de nouveaux marchés. Avec ce nouveau noeud de gravure, il sera possible de doubler le nombre de composants par rapport à du 28 nm LP, pour miniaturiser encore un peu plus les futurs composants et réduire leur consommation d'énergie sans pénaliser leurs performances. Le 20 nm apportera ainsi un gain de 30% en performances par rapport au 28 nm LP.

ST Technodays VLSI 02
Les trois grandes plates-formes de fonderie

Des processeurs gravés en 20 nm pourront trouver place dans les téléphones portables et autres appareils mobiles / nomades, avec la possibilité de créer des processeurs ARM cadencés à 2,5 à 3 GHz, mais les applications pourront aussi concerner les serveurs, dont la consommation d'énergie est un élément critique.

Le développement des technologies de gravure se déroule en trois phases :

  • phase d'innovation : créer les architectures et les procédures, au sein du CEA-LETI et de l' University at Albany ( Etat de New York ) ; la gravure en 14 nm y est actuellement à l'étude

 

  • phase opérationnelle : établissement des protocoles de fabrication au sein de l'ISDA ; la gravure en 20 nm en est à ce stade

 

  • phase industrielle : pré-production puis déploiement sur les sites concernés


Concernant la technologie de fabrication proprement dite, le noeud 20 nm ajoute de nouvelles difficultés. Si la lithographie fonctionnait bien au-dessus du noeud 45 nm, il a fallu passer à la lithographie en immersion à partir de ce seuil. En 28 nm, cette technologie reste utilisable mais atteint ses limites.


Des astuces pour ne pas avoir à tout renouveler
Pour le 20 nm, on peut conserver la même technologie mais sa complexité augmente : il faudra passer à de la double lithographie ( dual patterning ) et des règles de dessin des circuits plus strictes pour éviter certains écueils ( notamment lorsque les connexions sur la plaque de silicium font des " coudes " pas toujours correctement retranscrits à ce niveau de finesse ).

En revanche, on retrouve les portes HKMG utilisées dans la gravure 28 nm, avec une optimisation en Gate Last pour assurer une meilleure stabilité. La complexification du procédé rendra inévitablement les processeurs gravés en 20 nm plus onéreux que leurs prédécesseurs.

Les détails de la technique de gravure en 20 nm font encore l'objet de discussions entre membres de l' ISDA et au sein du DTCO pour affiner le design et proposer de nouvelles solutions. Les premiers prototypes de processeurs en 20 nm devraient être disponibles d'ici 2013.


L'après 20 nm
Et ensuite ? ST et les membres de l'ISDA travaillent dès à présent sur le prochain noeud de gravure, à 14 nm. Il faudra cette fois passer à une nouvelle technique, la lithographie EUV ( Extreme UV ), dont les équipements ne seront pas disponibles avant 2014. Il faudra également travailler sur des solutions en film mince et envisager une intégration 3D des transistors, comme le propose Intel avec ses transistors 3D Tri-Gate, annoncés il y a peu pour ses processeurs gravés en 22 nm.

Du côté de l' ISDA, les discussions restent ouvertes : maintenir une structure 2D de type FD-SOI, plus facile à intégrer car proche des structures existantes, ou passer à un modèle FinFET ( structure 3D ) en aileron. Les deux options sont en cours d'évaluation et un consensus devrait émerger dans les mois qui viennent. A noter que l'intégration 3D est à l'étude à Crolles ( Grenoble ). Le site français travaille ainsi à la pointe des technologies de gravure.



Leadership dans les capteurs MEMS

STMicro MEMS logo proNous l'avons évoqué à plusieurs reprises dans nos colonnes : les capteurs MEMS ( Micro ElectroMechanical Systems ) ont participé à la révolution des interfaces tactiles sur les smartphones et autres produits mobiles et STMicroelectronics a été parmi les premiers à profiter de cette opportunité en produisant en masse les différents capteurs désormais couramment présents dans les téléphones portables et appelés à jouer des rôles variés dans l'ensemble des gadgets électroniques.

Les MEMS sont de minuscules composants combinant une partie mécanique, souvent constituée de deux éléments glissant l'un sur l'autre et dont les variations de capacitance produites par ce mouvement sont analysées par un composant numérique, qui envoie directement les informations à un microcontrôleur, sans intermédiaires.

Chez ST, la partie mécanique des MEMS est produite en Europe, à Milan, tandis que le composant numérique provient de Crolles ( Grenoble ). L'assemblage des éléments et les tests se font sur un site à Malte, après quoi les MEMS doivent passer par une phase de calibrage.


Plusieurs grandes familles
Ce sont des éléments relativement simples à l'origine, fiables et peu gourmands en énergie mais que l'on peut complexifier en ajoutant, sur les nouvelles générations de capteurs, des fonctionnalités supplémentaires comme la reconnaissance de mouvement, grâce à des " patterns " de mouvements ( des enchaînements qui caractérisent un type de mouvement comme une chute, un déplacement latéral, etc ) que des éditeurs tiers peuvent fournir via des librairies de reconnaissance de mouvement.

Les capteurs MEMS les plus fréquents peuvent aller de l'accéléromètre ( mesure de mouvement linéaire ) au gyroscope ( mesure de mouvement angulaire ), avec différents niveaux de sensibilité et la possibilité de combiner les signaux des deux types.

On peut également trouver des boussoles électroniques, qui sont en fait des combinaisons d'accéléromètre et de magnétomètre, avec un système de compensation pour éviter les interférences de champs magnétiques autres que le champ magnétique terrestre.

Les capteurs de pression sont aussi des capteurs MEMS et sont constitués d'une membrane de 1 µm d'épaisseur surmontant une cavité faite dans le silicium, de 10 µm de profondeur. Un élément piezoélectrique mesure la variation de pression sur la membrane avec une sensibilité de 0,065 bar ( soit une différence d'altitude de 80 cm ), en attendant la prochaine génération ( d'ici cet été ), capable de distinguer une variation de pression équivalant à une hauteur de 25 cm.


Le MEMS peut être microphone

On trouve également des microphones MEMS qui ont l'avantage par rapport à des systèmes classiques d'être très miniaturisés et de consommer très peu d'énergie, tout en offrant une excellente qualité sonore et la possibilité de déterminer l'origine directionnelle du son.

Cette dernière caractéristique, associée à une bonne sensibilité, permet de proposer des systèmes à deux micros utilisés pour l'annulation du bruit ambiant. Ces cinq types d'applications ( accéléromètre, gyroscope, capteur de pression, microphone et magnétomètre ) constituent le coeur de l'offre de ST pour conquérir le marché des MEMS destinés aux produits grand public, en plus du marché industriel où ils sont déjà déployés.

Les applications potentielles sont innombrables, aussi bien dans la mobilité et les gadgets que dans le sport, le fitness, les jeux, sans compter la santé et le bien-être. A noter que dès à présent, outre les efforts pour miniaturiser et réduire la consommation d'énergie de ces composants, tout en essayant d'augmenter leur " intelligence ", la tendance se porte vers des systèmes multi-capteurs capables de gérer simultanément plusieurs degrés de liberté, créant des interactions encore plus fines.



Le monde médical

ST Body GuardianSTMicroelectronics, fondeur produisant entre autres des capteurs MEMS et des microcontrôleurs, voit dans le monde médical un vaste champ de possibilités pour son savoir-faire. Dans le cadre de la télé-médecine, de la surveillance des patients à distance, leur permettant de rester chez eux et de réduire les coûts liés aux séjours hospitaliers, et d'outils / gadgets destinés à faciliter les examens, la société est présente sur de nombreux fronts.

Du côté des semiconducteurs, ce marché se chiffre à 4 ou 5 milliards de dollars et ne demande pas forcément des technologies extrêmement avancées, permettant de valoriser des capacités de production déjà disponibles. On peut ainsi retrouver des composants ST dans divers matériels : pacemakers, aide auditive, appareillages respiratoires, systèmes mesurant des valeurs physiologiques durant un temps déterminé avant de les envoyer vers une équipe médicale ou encore dispostifs pour vérifier la bonne observance de médicaments.


MEMS et micontrôleurs pour des appareils médicaux connectés

ST Body Guardian 02Certains préfigurent déjà le futur de cette branche de la médecine, à l'image du Body Guardian, un système collectant les données de fonctions vitales ( la partie blanche ) avant de les transmettre à distance. Il embarque plusieurs types de composants, comme un microcontrôleur, une connectivité sans fil Bluetooth et des capteurs de type accéléromètres ou capteurs de température.

ST sait aussi faire des capteurs photo CMOS, dont l'utilisation initiale dans les téléphones portables a dérivé vers le monde médical pour servir dans des appareils de type endoscopes jetables ou pilules avec caméra, moins invasives que l'endoscope, avec la possibilité d'obtenir des images nettes à 1 cm de distance.


Surveillance, observance, alerte d'urgence...
Technodays ST demo cardio ipadBien que le nom de ST apparaisse rarement dans les produits finis, ses composants sont utilisés dans de nombreuses applications : lecteurs de glycémie, tests de grossesse, pompes à insuline automatiques...Avec la multiplication des capteurs, il est possible d'imaginer d'autres types de services.

Les capteurs de mouvement pourront bientôt servir par exemple à détecter des formes précoces de la maladie de Parkinson ou à vérifier que des exercices de rééducation sont correctement réalisés, en comparant l'amplitude des mouvements. Bien sûr, les secteurs du fitness et du bien-être, en forte croissance, représentent aussi une énorme opportunité.

Certains équipements pourront être reliés à un smartphone ou une tablette pour transférer les données collectées ou en faire un suivi personnel

Et ensuite ? le couplage des capteurs miniaturisés et de l'électronique souple va permettre l'émergence de systèmes qui n'existaient pas jusque là, comme une lentille spéciale pour le test de dépistage du glaucome capable de réaliser des mesures dans la durée ( et non instantanées, comme actuellement ) ou des laboratoires portatifs pour la détection d' ADN ( pour identification de pathogènes, par exemple ).



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