Soutenance mémoire
Une croissance par l’innovation intensive ?
Historiquement, l’industrie des semi-conducteurs et son marché ont connu des taux de croissance très élevés sur une très longue période de temps, ce qui n’a jamais été connu dans aucune autre industrie. Entre 1985 et 1994, la valeur globale des entreprises de l’industrie a été multipliée par 10 avec un taux de croissance annuel de 15%. C’est un des éléments qui montre que l’industrie des équipements électroniques n’a pas fini de se développer, alors que l’audiovisuel est en passe de connaitre une révolution profonde avec le développement de nouveaux supports numériques (notamment avec l’avènement de la télévision 3D, ou les différentes consoles de jeu) ou l’automobile qui explore largement les possibilités offertes par ce type d’équipements (que ce soit pour la sécurité passive ou active, les équipements intérieurs, les divers capteurs de l’habitacle et, plus récemment, avec l’apparition de nouveaux programmes pour les véhicules électriques). Cette croissance globale sur le long terme, est à modérer par la présence de cycles où les périodes de croissance sont suivies de périodes de transitions qui sont dues aux surcapacités de production sur une technologie. Les périodes de crises sont caractérisées par des demandes plus faibles que ce qui avait pu être anticipé, ce qui s’est accompagné par une très forte transformation du paysage industriel avec l’apparition de nouveaux acteurs à distinguer des firmes traditionnelles.
Une modularisation du secteur industriel au cours des 40 dernières années
Depuis les années soixante-dix, la croissance économique de ce secteur industriel s’est accompagnée d’une transformation profonde de sa chaîne de valeur. En un mot, celle-ci a évolué d’un grand nombre de firmes verticalement intégrées vers une multitude de firmes aux rôles distincts et très spécialisés, c’est un phénomène lié à la modularisation de l’industrie que l’on retrouve aussi par exemple dans l’industrie des ordinateurs (Baldwin 2007). A partir des années 90, la complexité croissante des procédés utilisés pour réaliser des circuits intégrés a conduit à une augmentation très forte des investissements requis pour réaliser une usine de production. Cette tendance a conduit à la fragmentation de la chaîne de valeur industrielle et l’apparition de nouveaux acteurs à différencier des compagnies appelées IDM (Integrated Device Manufacturer) qui réalisent la fabrication de leurs circuits en interne.
Des partenariats de R&D étendus et de larges réseaux
Enfin, la R&D s’appuie sur le développement de coopérations dites ‘pré-compétitives’ entre acteurs. Que ce soit sous la forme de consortia temporaires, d’alliances sur des projets, ces partenariats ont pour principal objectif de partager des coûts de développement, des risques, de réaliser des économies d’échelles et de diminuer le « time-to-market » (temps de mise à disposition de produits sur le marché). Tout partenariat comporte des avantages stratégiques comme par exemple, la possibilité de construire des réseaux de recherche robustes rassemblant les meilleurs chercheurs de chaque discipline et permettent de procéder à des standardisations.
Le rôle des Roadmap et des consortia : exemple de l’ITRS
Créé en 1999, l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor) est le consortium qui regroupe l’ensemble des acteurs de la chaîne de valeur de l’industrie des semiconducteurs. Cette organisation est sponsorisée par différentes associations des principales régions géographiques de l’industrie (Etats-Unis, Europe, Asie) comme la SIA (Semiconductor Industry Association), l’ESIA (European Semiconductor Industry Association), le JEITA (Japan Electronics & Information Technology Industries Association), le KSIA (Korean Semiconductor Industry Association), le TSIA (Taiwan Semiconductor Industry Association). L’ITRS apporte un ensemble clair d’objectifs communs pour l’ensemble de l’industrie, ce qui facilite la coordination et les coopérations entre différents acteurs, consortia et organismes de recherche pour apporter des solutions aux nouveaux enjeux de cette industrie (Schaller 2004). Elle propose des feuilles de route (ou “roadmaps”) permettant une coordination entre les activités et les ressources dans des contextes incertains (Schaller 2001) pour les différentes technologies utilisées dans l’industrie (cf. Figure 1.7). Elles sont utilisées pour formaliser des stratégies technologiques, établir des plannings de réalisation, et définir la mise à disponibilité de moyens robustes et avancés de fabrication qui constituent un des moteurs de cette évolution.
Des efforts accrus de R&D pour maintenir la loi de Moore
La dynamique qui a permis à l’industrie des semi-conducteurs d’atteindre un taux de croissance soutenu et durable rencontre des défis à la fois technologiques et économiques. Ainsi, la miniaturisation géométrique des transistors à travers la lithographie exige de véritables prouesses techniques. En outre, au fur et à mesure que la taille des transistors se rapproche de l’échelle quantique, de nouvelles difficultés apparaissent qui limitent la performance des circuits intégrés. Les principaux obstacles techniques apparus sont liés à la dissipation thermique; à la sensibilité des transistors aux variations des procédés de fabrication ; à la perturbation des performances des transistors en raison de la complexité des architectures. Plus encore c’est l’évolution des investissements de R&D pour suivre le rythme de succession des différentes générations qui deviennent prohibitifs, où rentabiliser une usine de fabrication pour des nœuds avancés relève donc de l’exploit (en effet, la figure 1.8 montre qu’entre 2008 et 2015 les niveaux d’investissements auront doublé).
L’approche « More th an Moore » comme renouvellement de la dynamique ?
Nous avons précédemment décrit qu’un des éléments qui fait la base de l’efficacité économique de cette industrie est la loi de Moore. Cette loi connait des limites à la fois physiques et économiques qui ont amené différents acteurs de l’industrie à explorer de nouveaux espaces de valeur. Un de ces espaces est la diversification fonctionnelle — communément appelée « More than Moore » — qui comprend la conception et l’intégration de systèmes hétérogènes complexes sur puce. On y retrouve différents types d’application comme la récupération et le stockage d’énergie pour les objets « intelligents », les communications à faible puissance, ainsi que des nano-composants électromécaniques (MEMS et NEMS12). S’y ajoutent la photonique, l’optoélectronique et la micro-fluidique. Ainsi, l’ITRS adresse deux tendances qui caractérisent l’industrie des semi-conducteurs, même si d’autres dimensions font également l’objet de larges explorations et d’activités de recherche comme le « Beyond CMOS » (ou électronique du futur qui traite des dispositifs qui succèderont aux composants actuels CMOS), les technologies complémentaires (comme le photovoltaïque, l’électronique sur support souple, les nouveaux dispositifs d’affichage à base d’électronique organique) et la gestion des interfaces et interactions Hardware / Software (matériel – logiciel). Cependant, contrairement à l’approche « More Moore » – basée sur la réduction des dimensions des transistors –, il n’y a ni d’équivalent de loi de « Moore », ni d’ITRS qui permette d’organiser l’éco-système, ou de « Roadmap » qui structure l’exploration de cenouvel espace. On notera néanmoins que l’ITRS identifie le besoin de structurer ce nouvel espace « More than Moore » dès 2007 (International-Roadmap-Committee 2007) ce qui est signifié dans le document final « Executive Summary ». Les premiers travaux liés à ce domaine font l’objet d’un « White paper » qui, dans sa première édition fait mention de la nécessité de définir des méthodologies pour identifier les « figures de mérite » relatives à chacun des domaines de cette approche (Arden, Brillouët, Cogez et al. 2010).
La recherche avancée : une gest ion de projets ?
En revenant sur des documents internes de 2003 à 2005, la mission de l’équipe Above IC y est décrite comme « Demonstrate and develop Advanced technological blocks in the view of monolithic RF above IC solutions for SoC22 », ainsi l’objectif de l’équipe est de fournir des solutions intégrables aux circuits intégrés existants en explorant de nouvelles technologies (telles que les MEMS, les éléments passifs) en exploitant de fortes collaborations avec les équipes de conception et les laboratoires de recherche. De prime abord, nous constatons que la nature des activités menées est hétérogène par la nature des éléments développés et des effets recherchés (domaine de performance), nous avons donc l’impression que le seul lien entre ces différentes activités est le fait qu’elles soient basées sur des technologies planaires communes aux technologies de l’industrie semi-conducteurs tout en apportant une valeur ajoutée aux systèmes conçus.
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Table des matières
Pourquoi les enjeux de l’innovation de rupture dans les semi conducteurs amènent à reprendre la question de l’évaluation de la recherche ?
– Partie 1 – Evaluation et pilotage des activités de recherche dans la R&D centrale de STMicroelectronicsprincipes de management de la recherche industrielle pour l’innovation de rupture
Introduction
Les semi-conducteurs, un modèle de gestion de R&D confronté aux enjeux de rupture
L’évaluation des activités de recherche : les questions soulevées par l’innovation de rupture
Méthodologie et déroulement de la recherche
Principaux résultats de nos travaux de recherche
Vers de nouvelles formes de pilotage de la recherche pour la rupture
Références
– Partie 2 – Révision et extension des principes d’évaluation de la recherche industrielle, retour sur trois résultats de recherche
Chapitre 1- La recherche avancée comme « Capacité d’absorption conceptuelle » Conceptual Absorptive Capacity: leveraging external knowledge for radical innovation
Introduction
Part 1. What kind of AC can be compatible with Radical Innovation: theory and hypotheses
Part 2. Method: Exploratory case study to uncover a new type of absorptive capacity
Part 3. Results: uncovering a new form of AC in Radical Innovation situations
Part 4. A model of AC for innovation: combining CAC and EAC to get Rule-Breaking and RuleBased innovation
Part 5. Discussion and Conclusion
References
Chapitre 2- La recherche avancée et le renouvellement de plateforme dans les environnements industriels HTVE (High Technological Velocity Environments) Advanced R&D for pre-positioning strategies: the economics of platform-shift in HTVE
Introduction
Research background and hypothesis: the economics of platform shift in situation of high velocity technological change
Research Method
A Model for platform shift strategies description
Modeling platform-shift strategies: S1 and S2..
Model simulation and Scenarii Analysis
New platform renewal strategy (S3) based on design rule stock renewal
Case study: Designing the next generation of cell phone image sensor platforms
Results: the relevance of a prepositioning strategy for platform renewal in HTVE
Discussion
Managerial Implications
Conclusion
References
Chapitre 3- La Recherche Avancée et la propriété industrielle : C-K Invent, une méthode pour une capacité de conception de brevet en situation d’innovation radicale Designing patent portfolio for disruptive innovation – a new methodology based on C-K Theory
Introduction
Literature Review
Methodology
Modelization and insights from experience
C-K Invent: towards a methodology for patent proposal
Results and Discussion
References
– Partie 3- Monographies et trajectoires de recherche : l’ « intégration 3D » et les capteurs d’images
Chapitre 1 – Relecture d’une trajectoire : l’intégration 3D (de 2007 à 2010)
Introduction
L’ « intégration 3D » : une alternative à l’essouflement de la loi de moore?
Non pas une intégration 3D mais des intégrations 3D
De nombreux enjeux liés à l’ « integration 3D »
Une exploration organisée
Quelques premières conclusions
Références
Chapitre 2 – Relecture d’une trajectoire : Les capteurs d’images CMOS et la recherche avancée
Introduction
Les capteurs d’images « Image sensors » 2D
Les capteurs d’images chez STMicroelectronics
Les capteurs d’images 2D et3D : modélisation des raisonnements de conception
Conclusion
Références
Annexe 1 – Absorptive or “desorptive” capacity managing advanced R&D in semi-conductors for radical innovation
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