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La bataille des composants clés de la 5G

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L’industrie planche déjà sur les composants essentiels de la prochaine génération de mobiles 5G. Un développement qui pose d’énormes défis technologiques.

La bataille des composants clés de la 5G © Le français Ommic prévoit d’investir 12 millions d’euros dans une ligne de fabrication de circuits radiofréquences dédiés au réseau 5G.

Alors que la 5G est attendue à l’horizon 2020, l’industrie électronique s’active déjà au développement de ses composants clés. Les enjeux sont énormes. Les défis technologiques aussi. Les industriels qui sauront les relever pourraient rebattre les cartes sur un marché des circuits intégrés estimé par le cabinet américain IC Insights à 75,4 milliards de dollars en 2016 rien que pour les terminaux. Le modem 5G constitue le premier composant essentiel à la prochaine génération de mobiles. C’est un circuit intégré numérique complexe, qui assure l’interface télécom entre le réseau et le terminal. Qualcomm domine à près de 60 % le marché, selon le cabinet Strategy Analytics, laissant à MediaTek, Samsung, Intel, Spreadtrum, HiSilicon et Leadcore les rôles de seconds couteaux. « Son développement ne pose pas de problème particulier, affirme Laurent Fournier, le directeur de la stratégie marketing et technologie de Qualcomm en Europe. La 5G s’appuie sur la même modulation radio que les mobiles 4G. Le modem poursuivra son évolution classique en droite ligne de ce qui se faisait jusqu’ici. »

Se préparer à la standardisation

Même chose pour le processeur d’application, spécialité de Qualcomm, Apple, MediaTek, Samsung et HiSilicon, et pour les puces mémoires, domaine de Samsung, SK Hynix, Toshiba et Micron. Ils continueront leur évolution tranquille, conformément à la loi de Moore, avec une finesse de gravure toujours plus grande. Aujourd’hui, les circuits les plus avancés sont gravés en 14 ou 16 nanomètres. D’ici à cinq ans, ils bénéficieront de deux sauts technologiques, passant à une gravure de 7 nanomètres vers 2020. Selon Michel Corriou, le directeur réseaux et sécurité de l’institut de recherche technologique B-Com à Rennes, le modem 5G conservera le modèle d’implantation dans le silicium de ses prédécesseurs : Asic (circuit taillé sur mesure) pour des contraintes de compacité et de coût côté terminaux et FPGA (circuit logique programmable) pour des questions de souplesse côté stations de base. Reste à relever le défi d’un débit 10 à 100 fois plus élevé que dans la 4G et à être prêt à se conformer rapidement à la standardisation. Car la 5G n’est pas encore normalisée. Elle le sera à partir de 2017 pour l’interface radio et de 2018 pour le cœur de réseau.

Les vrais défis se situent dans le frontal radiofréquence, qui assure l’émission et la réception radio. Cette chaîne de composants radio est l’apanage d’une poignée de grands acteurs presque tous américains : Broadcom, Qualcomm, Qorvo, Skyworks… Mais des spécialistes à la pointe des radiofréquences, comme le français Ommic, veulent profiter de la révolution de la 5G pour faire leur entrée. « Ces acteurs issus de l’univers militaire et spatial ont de réelles cartes technologiques à jouer, estime Jean-Christophe Eloy, le président de Yole Développement, un cabinet français d’analyse de marchés électroniques. Mais pour réussir, ils devront faire preuve de réactivité et avoir les reins solides pour supporter les cadences de production à grand volume. » Des géants veulent, eux aussi, saisir l’occasion pour renforcer leur emprise sur le marché. C’est ainsi que Qualcomm va avaler les filtres radiofréquences du japonais TDK, de façon à couvrir toute la chaîne radio. De même, Samsung, présent dans ce segment à travers sa société sœur Semco, cherche à étendre sa maîtrise de ces composants radio, où la 5G réclame de vraies ruptures technologiques.

Lever les contraintes des fréquences élevées

« Tous les composants radio sont à réinventer, explique Jean-Christophe Eloy. Ils devront gérer des niveaux de puissance plus élevés, tout en pédalant cinq à dix fois plus vite que leurs équivalents actuels 4G. Ce qui pose de sérieux problèmes de consommation, d’intégration et de coût. C’est l’enfer dans les mobiles. » Alors que les mobiles actuels fonctionnent à des fréquences inférieures à 5 gigahertz (GHz), la prochaine génération fera appel à des fréquences à ondes millimétriques autour de 26, 33 et 42 GHz en Europe. « C’est une nouveauté importante, remarque Laurent Fournier. Ces fréquences élevées ont la particularité d’affaiblir plus vite le signal et d’exiger une visibilité directe entre l’émetteur et le récepteur. Il faudra lever ces contraintes en trouvant le moyen de compenser l’atténuation du signal et en exploitant les réflexions des ondes radio. »

La solution à une partie de ces problèmes existe dans le spatial et le WiGig (le Wi-Fi à plusieurs gigabits par seconde), qui fonctionnent à des fréquences respectives de 28 et 60 GHz. C’est ce que pense Emilio Calvanese ­Strinati, le directeur de recherche dans les télécoms et dispositifs intelligents au CEA-Leti à Grenoble. « On peut couvrir 80 % de la chaîne radio de la 5G en utilisant les composants du spatial après les avoir adaptés aux contraintes spécifiques des mobiles », estime-t-il. C’est l’objet du projet « 5G Champion » lancé conjointement par l’Europe et la Corée du Sud en juin pour deux ans. Piloté par le CEA-Leti avec 20 partenaires, dont Nokia, Intel, Thales Alenia Space et Korea Telecom, il vise la mise en place d’un démonstrateur 5G lors des jeux Olympiques d’hiver, à Séoul en février 2018.

L’antenne reste un verrou majeur à lever. À la place du brin de fil utilisé aujourd’hui, on cherche à se servir d’une matrice plate composée d’une multitude d’éléments. À l’émission, on choisira les éléments qui offrent le chemin de transmission le plus efficace. Une façon de compenser la forte atténuation du signal en concentrant la puissance en direction du récepteur, plutôt que de la disperser dans toutes les directions de l’espace. En réception, l’idée est de combiner les signaux en provenance des différents éléments pour reconstituer, par calcul, un signal de qualité. L’intelligence logicielle jouera un rôle crucial dans les composants de la 5G. 

Le nitrure de gallium entre en lice

Selon leur type et le choix des fournisseurs, les composants de la chaîne radio sont réalisés en silicium, en silicium sur isolant, en silicium-germanium ou en arséniure de gallium. Avec la montée à des fréquences à ondes millimétriques, la 5G fait entrer en lice un nouveau candidat, le nitrure de gallium, un semiconducteur plus performant que l’arséniure de gallium, mais plus onéreux. Le français Ommic (100 personnes et 14,8 millions d’euros de chiffre d’affaires en 2014) mise sur ses performances pour faire son entrée dans les amplis de puissance des émetteurs des réseaux 5G, où les problèmes de coût et de volume se posent moins que dans les terminaux. Il peut réaliser des circuits montant à 40 GHz aujourd’hui et 94 GHz en 2017. Dans son usine à Limeil-Brévannes (Essonne), il prévoit d’investir 12 millions d’euros dans une ligne de fabrication d’une capacité de 3 000 tranches de 6 pouces par an et par équipe. La production devrait démarrer en juin 2017. Selon Jean-Christophe Eloy, le président du cabinet Yole Développement, le nitrure de gallium a encore un an pour atténuer son handicap de coût et pour confirmer ses promesses de performances. Les gros industriels hésitent encore sur le matériau à utiliser pour leurs futurs composants radio 5G. Ils attendent 2017 pour faire leur choix de façon à ce que les circuits soient sur le marché dès 2018. 

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