Gauthier Roussilhe

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Eau et puces électroniques : l’avenir climatique et industriel de Taiwan

Gauthier Roussilhe, 30 avril 2021

Taiwan vit depuis quelques mois sa pire sécheresse en 56 ans. L'absence de typhons et les faibles pluies de l'année dernière n'ont pas permis de remplir suffisamment les réservoirs de l'île. Ce phénomène arrive au moment même où la demande en semi-conducteurs et en circuit intégrés explose : des composants dont Taiwan est le principal fournisseur et dont la fabrication est très gourmande en eau. Ce secteur industriel est une clé de voûte technologique et géopolitique de l’île et un goulot d’étranglement dans les chaînes de production mondiales du numérique. Cet entremêlement de phénomènes climatiques extrêmes liés au changement climatique et de politiques de développement industriel offre un cas précieux pour comprendre l’avenir climatique du secteur numérique et ses nouvelles conditions matérielles de production pour le siècle à venir.


Le climat de Taiwan

Avant de prendre la mesure de la sécheresse actuelle, il est nécessaire de comprendre le cycle hydrique de l’île. Taiwan a un climat tropical, voire subtropical pour sa partie septentrionale, et connaît donc des précipitations importantes (supérieures à 2 500 mm). La saison des pluies commence aux alentours de mai et les typhons sont plus fréquents en juillet (3,6 en moyenne) et en août (5,6 en moyenne). Les typhons sont responsables de 47,5% des précipitations annuelles sur l’île de Taiwan. Sur les 87 milliards de tonnes de précipitations annuelles, 23,75% s’évaporent, 70,5% s’écoulent en surface et 5,8% s’écoulent dans les nappes souterraines. Au final, la consommation annuelle d’eau de Taiwan est de 16,7 milliards de tonnes dont 25% vient de réservoirs artificiels, 42,5% des diversions de rivières et 32,5% du pompage souterrain (données 2018).


Récapitulatif des précipitations annuelles par région à Taiwan – Crédit : Gauthier Roussilhe

Comment s’explique alors la sécheresse connue cette année à Taiwan ? Aucun typhon n’est passé sur l’île en 2020, une situation exceptionnelle en plus de 50 ans. Le ralentissement des typhons dans cette zone géographique est le sujet d’intenses recherches, et ce, depuis de nombreuses années. L’impact du changement climatique est maintenant bien documenté à la fois sur l’évaporation de l’eau, les mouvements d’air verticaux et sur les différents courants de circulation de la région (MJO, BSISO, ENSO). Ce ralentissement influe sur la formation des typhons et leur position dans le cadre Pacifique nord-ouest. D’après Jien-Yi Tu et Chia Chou, on voit en fait apparaître deux phénomènes extrêmes liés au changement climatique dans la région : la diminution rapide des précipitations hors-typhons et la diminution du nombre de typhons qui pourraient toutefois devenir de plus en plus violents. En somme, il y a aura sûrement moins d’épisodes de pluie mais ceux-ci seront de plus en plus intenses. Cela augure donc une augmentation des risques d’inondations et de glissements de terrain à terme si les sols n'absorbent pas le surplus de précipitation.


Niveau des réserves et politiques de restriction

À la mi-avril 2021, le niveau de la plupart des réservoirs continue de baisser. Depuis février, le gouvernement taiwanais a mis en place plusieurs restrictions : les usines et parcs industriels dans le centre et le sud de l’île doivent réduire leur consommation d’eau jusqu’à 15%. Le 24 mars la ministre de l’économie a annoncé la suspension 2 jours par semaine de l'approvisionnement en eau de trois municipalités (Taichung, Maoli, Changhua). Ce sont 1 064 000 personnes qui sont affectées par ce rationnement, soit 4,35% de la population de l’île. Le gouvernement a aussi décidé d’arrêter l’irrigation de 74 000 hectares de terres agricoles au profit, semble-t-il, des usines de fabrication de semi-conducteurs et circuits intégrés.


Cartes des réservoirs d'eau à Taiwan et leur niveau au 15 avril 2021 – Crédit : Gauthier Roussilhe

Comme vu dans le paragraphe précédent, la saison des pluies devrait commencer bientôt sur l’île et devrait remplir les réservoirs de nouveau. S’il n’y a pas de typhons cette année encore alors la situation hydrique de l’île sera dramatique en février prochain. Rappelons-le, les précipitations issues des typhons représentent quasiment 50% des précipitations annuelles. À noter que le gouvernement a fait plusieurs essais de technologies de géo-ingénierie consistant à introduire des particules de neige carbonique ou d’iodure d’argent grâce à des fusées ou des avions (cloud-seeding) pour provoquer de la pluie. Cependant ces expériences n’auraient pas eu les effets escomptés.


Employé du département de l'eau supervisant une opération de création de pluie artificielle au réservoir de Zengwen ((南部難得午後陣雨,水利署不懈怠即刻於曾文水庫人工增雨作業_圖示)) – Crédit : Taiwan Water Resources Agency

Industrie des semi-conducteurs à Taiwan

À partir des années 80, Taiwan a commencé à développer rapidement son industrie de fabrication de composants électroniques. Ce secteur comprend différents types d’opérations : la fabrication des semi-conducteurs, celle des wafers, la conception et le montage des circuits intégrés, pour en citer quelques-unes… Pour expliquer de façon sommaire la nuance, les semi-conducteurs sont des matériaux qui peuvent conduire ou non un courant électrique. Ces semi-conducteurs sont la base des transistors qui servent à piloter le signal électrique. Les transistors sont assemblés en circuits pour réaliser différentes opérations logiques, ce qu’on appelle des circuits intégrés. Taiwan a créé dès les années 80 des parcs industriels (Science Parks) pour développer ses capacités de production et mutualiser les processus de recherche et développement. Les parcs les plus importants au nord sont Hsinchu et Taoyuan, Central Taiwan au centre de l’île et Tainan au sud. Ces politiques de développement ont permis l’émergence de leaders dans le domaine des semi-conducteurs et des composants électroniques. Le géant taïwanais du secteur, TSMC, représenterait à lui seul plus de 50% des parts du marché global. En additionnant toutes les entreprises taïwanaises, l’île représenterait plus de 65% du marché global.


Explication simplifiée de la différence entre semi-conducteurs, transistors et circuits intégrés – Crédit : Gauthier Roussilhe

Cette industrie est capitale dans les chaînes mondiales de production au fur et à mesure que la plupart des équipements sont numérisés (voitures, capteurs, divertissements, …). C’est un goulot d’étranglement majeur dans la fabrication de tout matériel électronique. Les capacités de production des fonderies taïwanaises peuvent rythmer, de gré ou de force, les capacités de production de nombreuses entreprises sur Terre. Au niveau de l’île, l’industrie des composants électroniques représente plus d’un tiers des exportations. En 2019, les exportations de l’île s'élevaient à 329 milliards de dollars US, les produits électroniques représentaient 34,2% de ses exportations (112,5 milliards). Le secteur représenterait plus de 800 000 emplois sur l’île (fabrication + TIC), sur une force de travail de presque 12 millions de personnes. Toutefois, le secteur aurait tendance à générer de moins en moins de nouveaux emplois d’après les statistiques nationales. Face aux intentions des U.S.A, de la Chine et de l'Europe de renforcer leur capacité de production dans ce secteur, le gouvernement taiwanais a récemment renouvelé son soutien à ses industriels.


Place de l'industrie électronique dans les exportations globales et la force de travail de Taiwan – Crédit : Gauthier Roussilhe

Consommation d'eau de l'industrie électronique sur l'île

Pourquoi la sécheresse actuelle affecte t-elle l’industrie des semi-conducteurs et des puces électroniques ? Certaines étapes de fabrication de cette industrie sont particulièrement consommatrices en eau. On distingue notamment deux types d’eau, l’eau purifiée et l’eau de refroidissement. Par exemple, les disques de silicium (wafer) servant de base à la gravure doivent être "rincés" avec l’eau purifiée (Ultra Pure Water, UPW) afin d’enlever toute impureté. Ces disques seront aussi immergés dans de l’eau lors de la gravure des composants sur leur surface (Immersion Lithography). De même, la course à la miniaturisation des circuits a amené au développement de nouvelles techniques de gravure de pointe (Extreme Ultraviolet Lithography, EUV) qui auront des besoins en eau plus importants pour leur refroidissement que les générations actuelles. En fonction d’où se trouvent les installations, la consommation indirecte en eau peut augmenter selon des méthodes de production d’électricité (centrale vapeur, etc.). En termes d’évolution de méthodes de production, il ne semble pas que l’industrie se dirige vers une réduction de sa consommation d’eau totale.


Consommation d'eau journalière des parcs industriels et état des réservoirs au 15 avril 2021 – Crédit : Gauthier Roussilhe

À Taiwan, la consommation en eau des installations est partiellement documentée. TSMC est le plus gros consommateur d’eau dans le secteur et donne la consommation journalière de ses sites. Au parc de Hsinchu, le site de TSMC utilise 57 000 m3 par jour, soit 10,3% de la fourniture journalière des réservoirs. UMC n’utiliserait "que" 16 400 m3 par jour. À Central Taiwan et à Tainan, chacun des sites de TSMC utiliserait à peu près 50 000 m3 par jour. TSMC déclare consommer 58 000 000 m3 d’eau par an. Cela paraît relativement peu par rapport à la consommation annuelle de l’industrie à Taiwan (16 680 000 000 m3/an). Toutefois, les industries ne sont pas réparties de façon uniforme sur le territoire taiwanais et la concentration des usines crée aussi une concentration de la demande en eau. Le poids hydrique de ces installations n’est pas nouveau sur l’île et les entreprises ont largement développé des circuits de récupération, de recyclage d’eau pour réduire leur poids sur les circuits d'approvisionnement municipaux. Cependant, la consommation annuelle d’eau de la plupart des entreprises du secteur est en hausse. La crise actuelle montre déjà que ce secteur est d’ores et déjà problématique en termes de gestion de l’eau.


Consommation d'eau annuelle des principaux fabricants de composants électroniques (toute classification confondue) entre 2015 et 2019 – Crédit : Gauthier Roussilhe

L'approvisionnement en eau de ce secteur est loin d’être sous contrôle et l’augmentation de la consommation annuelle, malgré les systèmes de récupération, n’envoie pas un signal positif sur l’avenir hydrique de l’île. Pour l’instant, l’approvisionnement en eau des usines de fabrication durant la sécheresse est assuré par des flottes de camions citernes. TSMC possède notamment sa propre flotte mais ferait tout de même appel chaque jour à 8000 camions citernes avec une capacité de 20 tonnes pour alimenter ses installations sur l’île. Il est néanmoins complexe de savoir d'où vient l’eau que transportent ces camions citernes. Il est probable que l’évolution du climat dans la région va sûrement exacerber les conflits d’usage de l’eau à Taiwan alors même que les géants du secteur annoncent des investissements majeurs pour augmenter leur capacité de production.


Augmentation de la demande et pénurie actuelle

Nous connaissons aujourd’hui une pénurie de puces électroniques liée à une augmentation de la demande plus importante que l’augmentation des capacités de production. Ce pic soudain de la demande est lié à plusieurs phénomènes. Certaines usines de fabrication chinoises ont été à l’arrêt pendant 2 mois durant la première vague de COVID-19 en Chine. Le calendrier des sorties de nouveaux produits a été très rapproché cette dernière année : consoles de jeu (PS5, Xbox, ...), équipements 5G (smartphones, objets connectés), nouvelles cartes graphiques … Les différents confinements dans le monde et le développement du télétravail auraient augmenté la demande en équipements électroniques individuels (écrans, ordinateurs, …). La numérisation croissante de la plupart des secteurs (bâtiment, transport, …) implique aussi une augmentation durable dans la demande. De même, le développement de certains usages comme les cryptomonnaies augmente la demande de certains types d’équipements de calcul à haute performance. Finalement, la guerre commerciale entre les USA et la Chine a créé de nombreuses tensions dans les chaînes d’approvisionnement. Les entreprises chinoises ne peuvent plus se fournir chez certaines entreprises américaines pour certains composants standards et vice-versa. Ainsi les commandes se sont reportées sur des pays “tampons” (Taiwan, Japon, Corée du sud, Malaisie, …) pour des produits plus standards et accaparent les capacités de production de ces pays.


Employé transportant un caisson de wafers – Crédit : Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd

Face à cette hausse généralisée les fabricants favorisent les commandes avec la plus haute rentabilité et remettent en bas du carnet de commandes celles qui sont le moins rentables. Cette priorisation implique donc des retards sur certains types de produits. Par exemple, les livraisons de routeurs sont retardées de 60 semaines. Le secteur automobile, peu rentable pour un fabricant de puces, subit aussi une rétrogradation dans les carnets de commande et certaines lignes de production automobile sont à l’arrêt en attendant la livraison de certaines puces indispensables pour finir la production d’un véhicule. Cependant, les commandes prioritaires subissent aussi des retards liés à l’inadéquation de la demande et des capacités de production : PS5, MacBook Pro, iPad, ... TSMC, Samsung, Foxconn et d’autres grands fabricants ou assembleurs ont annoncé que les retards continueront jusqu’en 2023.


Certains parlent de “famine de semi-conduteurs” mais la comparaison semble maladroite. Nous ne faisons pas face à une absence ou à une diminution de la production mais bien à une explosion de la demande accompagné d'un décalage entre la production et la demande, ce qui est assez courant dans les industries qui demandent de lourds investissements financiers et beaucoup de recherche et développement. Il ne s’agit pas d’une famine et d’une boulimie : l’appétit a augmenté plus vite que la production. Pour filer la métaphore nourricière, ce n’est pas le nombre de “bouches à nourrir” qui est problématique, c’est leur appétit. Par contre, la crise actuelle montre bien que les puces électroniques sont en quelque sorte “les moyens de subsistance” du secteur numérique et bien au-delà. Dans un monde industriel où les produits finis sont de plus en plus numérisés, les chaînes de production s’arrêtent sans approvisionnement en puces. Aujourd’hui, les USA, la Chine de l’Europe annoncent des plans massifs d’investissement pour sécuriser cet approvisionnement critique. Les USA comptent sur leur géant national Intel ; la Chine investit massivement sur SMIC et recrute les ingénieurs taiwanais, sud-coréens et japonais avec des salaires et des conditions de travail sans commune mesure ; l’Union Européenne dispose aussi de quelques acteurs (STM Electronics) mais compte surtout des entreprises allemandes et néerlandaises (ASML, TRUMPF, Zeiss, …) qui sont les leaders mondiaux dans la fabrication de machine de pointe (EUV) permettant la gravure des semi-conducteurs sur les disques en silicium (wafer).


Appareil de lithographie extrême à ultraviolets (EUV) NXE:3400B conçu par l’entreprise ASML, poids : 180 tonnes, prix : 120 000 000 $, capacité : 125 wafers par heure avec une résolution de 13 nm. – Crédit : ASML

Avenirs de l'île

Les éléments de l’enquête peuvent être résumés ainsi : au niveau climatique, le ralentissement des typhons dans le cadran Pacifique Nord-Ouest dû au changement climatique va sûrement réduire le nombre d’épisodes de pluie et de typhons mais augmenter leur intensité. Taiwan doit ainsi s’attendre à une plus grande récurrence d’épisodes de sécheresse et de pluies violentes. L’absence de typhons deux années de suite serait par exemple un scénario hydrique dramatique pour l’île. Au niveau économique, l’industrie de l’électronique est le résultat d’une politique menée depuis 1980 et représente aujourd’hui la clé de voûte de la puissance économique taïwanaise. Ainsi ce secteur est aujourd’hui largement privilégié au détriment d’autres activités sur l’île. Au niveau hydrologique, les géants industriels de l’île représentent une part relativement modérée de la consommation d’eau nationale sauf que cette demande est très concentrée et à des effets concrets sur les réservoirs limitrophes. Au niveau industriel et technologique, la course à la finesse de gravure implique des nouvelles techniques de production (EUV) plus vorace en eau au moment même où la demande en semi-conducteurs et en composants électroniques explosent, reste à savoir si cette demande sera durable.


Récapitulatif des enjeux globaux de la fabrication de semiconducteurs à Taiwan

Il est aisé de planifier l’augmentation des capacités de production dans un monde abstrait, toutefois tout moyen de production existe dans des conditions matérielles qui doivent être maintenues (climat, approvisionnement en énergie, eau, composants, métaux …). Or, la crise actuelle montre que l’industrie taïwanaise est en train de toucher le plafond de ses conditions matérielles. Le ralentissement des typhons dans le Pacifique Nord-ouest aura des conséquences durables sur le cycle de l’eau de l’île et sur les risques d’inondation et de glissements de terrain. L’hydrologie d’autrefois favorable à une industrie gourmande en eau est en train de devenir de plus en plus instable aujourd’hui. Cela implique que les arbitrages discrets d’hier sur la gestion de l’eau deviennent le cœur de la politique d’aujourd’hui et de demain. À terme, les industriels de l’île vont sûrement continuer le mouvement consistant à développer leurs usines hors du territoire taiwanais, avec tous les risques géopolitiques que cela comporte.


Face à une situation hydrique de plus en plus instable et aux conséquences générales du changement climatique, quels sont les avenirs de l’île ? L’augmentation de la production de semi-conducteurs et puces à Taiwan va augmenter la consommation d’un stock d’eau qui a tendance à se réduire de plus en plus. Les améliorations récentes de la gestion d’eau sur site et la désalinisation de l’eau ne règlent pas le problème. À terme, l’île se trouvera face à un choix complexe : augmenter encore et toujours ses capacités de production au détriment d’autres secteurs et des tendances climatiques, exacerbant une fragilité climatique et sociale déjà croissante ; ou aligner leur capacité de production sur la nouvelle donne climatique de la région et se préparer à mieux résister à des évènements plus violents qui affectent aujourd’hui les chaînes de production mondiale. Peut-être que les événements actuels montrent que la valeur de cette industrie tient plus à la stabilité des chaînes de production plutôt que sur l’augmentation de leur capacité de production. Si les industries taïwanaises n’arrivent pas à raisonner leurs activités avec les sécheresses annuelles alors il y a peu de chances que ce secteur reste pérenne sur l'île à moyen et long-terme. De façon plus globale, cette situation ramène le phénomène de numérisation à des dimensions bien matérielles et interroge sur la croissance de celui-ci. Aujourd’hui, le développement industriel du numérique ressemble de plus en plus à une hypothèque climatique pour les pays qui abritent les capacités de production. La question des limites matérielles et climatiques qui devraient rythmer la numérisation n’est toujours pas posée, pourtant ces limites deviennent de plus en plus visibles chaque jour.


Notes de bas de page

  1. Pao-Shan Yu, Tao-Chang Yang & Chun-Chao Kuo, “Evaluating Long-Term Trends in Annual and Seasonal Precipitation in Taiwan,” Water Resources Management 20, 1007–1023 (2006) https://link.springer.com/article/10.1007/s11269-006-9020-8
  2. Water Resources Agency MOEA, “Water Resources Utilization,” consulté le 20 avril 2021 https://eng.wra.gov.tw/cp.aspx?n=5154&dn=5155
  3. Chih-wen Hung, Ming-Fu Shih & Te-Yuan Lin, "The Climatological Analysis of Typhoon Tracks, Steering Flow, and the Pacific Subtropical High in the Vicinity of Taiwan and the Western North Pacific," Atmosphere 11, no. 5: 543 (2020) https://doi.org/10.3390/atmos11050543
  4. Jien-Yi Tu & Chia Chou, “Changes in precipitation frequency and intensity in the vicinity of Taiwan: typhoon versus non-typhoon events,” Environmental Research Letters 8, 014023 (2013) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/8/1/014023/meta
  5. Liang Pei-chi, Elizabeth Hsu & Matthew Mazzetta, "Water supply to be cut 2 days per week in parts of central Taiwan," Focus Taiwan, 24 mars 2021, consulté le 15 avril 2021 https://focustaiwan.tw/society/202103240020
  6. Raymond Zhong & Amy Chang Chien, “Drought in Taiwan Pits Chip Makers Against Farmers,” New York Times, 13 avril 2021, consulté le 20 avril 2021 https://www.nytimes.com/2021/04/08/technology/taiwan-drought-tsmc-semiconductors.html
  7. Ramish Zafar, “TSMC Earned $1,634 Revenue/Wafer In 2020 With A 54% Global Market Share,” WCCFTech, 16 mars 2021, consulté le 20 avril 2021 https://wccftech.com/tsmc-earned-1634-revenue-wafer-in-2020-with-a-54-global-market-share/
  8. Max Chang, “Le commerce extérieur de Taiwan en 2019,” Bureau Français de Taipei (Service économique), 20 mars 2020, consulté le 20 avril 2021 https://www.tresor.economie.gouv.fr/Articles/467c973a-f7d0-4c81-b3dc-04c94a5c5bdb/files/0afd1fe0-999f-4c29-9c87-26c6f957a534
  9. Sarah B. Boyd, “Life-Cycle Assessment of Semiconductors,” (Springer: New-York, 2012)
  10. Andreas Thoss, “EUV lithography revisited,” LaserFocus World, 29 août 2019, consulté le 20 avril 2021 https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14039015/how-does-the-laser-technology-in-euv-lithography-work
  11. Hamza Mudassir, “Commentary: There is a global semiconductor famine and it will not go away anytime soon,” Channel News Asia, 9 mars 2021, consulté le 20 avril 2021 https://www.channelnewsasia.com/news/commentary/global-semiconductor-shortage-chips-pandemic-14360716