L’offensive de Nvidia sur le PTFE lance la bataille des matériaux pour les circuits imprimés de l’IA

Un matériau antiadhésif bien connu entre dans la course au matériel pour l’IA

La recherche de Nvidia de connexions plus rapides au sein des systèmes d’IA attire l’attention sur le polytétrafluoroéthylène, ou PTFE, matériau surtout connu sous la marque Teflon. Son intérêt tient à ses propriétés électriques : le PTFE peut aider les signaux à circuler sur un circuit imprimé en perdant moins d’énergie qu’avec les matériaux isolants classiques.

Le défi consiste à transformer cet avantage en circuits fiables comptant des dizaines de couches. Le PTFE adhère difficilement aux autres matériaux, est relativement souple et nécessite un traitement complexe. Ces propriétés partagent les fabricants entre prudence et investissement, tandis que les fournisseurs chinois saisissent les opportunités et que les entreprises taïwanaises évaluent les matériaux concurrents et les coûts de fabrication.

Début octobre, lors d’un sommet de l’Open Compute Project, Nvidia a présenté une nouvelle carte de commutation NVLink qui, selon des acteurs du secteur, pourrait utiliser du PTFE. Parmi les applications possibles figurent les commutateurs destinés à Rubin Ultra et les futurs plans médians orthogonaux, des cartes de connexion qui relient d’autres cartes disposées à angle droit. Aucun calendrier de production confirmé ni spécification définitive des matériaux n’a été communiqué.

La compétition ne porte pas sur une seule résine. Les feuilles de cuivre, les tissus de fibre de verre, les équipements de pressage et les capacités des usines sont tous sous pression, car les serveurs d’IA nécessitent des circuits imprimés plus complexes. Les clients cherchent à garantir des capacités pour la période 2027-2030, alors que la livraison de certains équipements peut prendre 30 mois.

Pourquoi Nvidia veut que les signaux circulent plus loin

Les processeurs d’IA doivent échanger d’énormes quantités d’informations pour fonctionner ensemble. Un circuit imprimé, ou PCB, accueille les composants et fournit des voies pour les signaux électriques et l’alimentation. Lorsque la transmission approche les 200 gigabits par seconde et par voie, il devient de plus en plus difficile de préserver l’intégrité des signaux.

Le PTFE présente de très faibles pertes diélectriques, ce qui signifie que le matériau isolant autour d’une piste de cuivre absorbe moins d’énergie du signal. Il est déjà utilisé dans des applications exigeantes, notamment les radars militaires, les satellites et les radars employés dans les systèmes avancés d’aide à la conduite. L’étendre aux circuits complexes des serveurs d’IA ferait entrer cet avantage électrique dans un défi de fabrication bien plus vaste.

Selon des sources du secteur, Nvidia veut permettre aux signaux de circuler rapidement directement d’une carte à l’autre, ce qui pourrait remplacer certaines connexions complexes par câbles de cuivre. Les longues pistes de cuivre sollicitent davantage le matériau qui les entoure, car les pertes de signal s’accumulent au fil du trajet.

Les optiques co-packagées, qui rapprochent les connexions optiques des puces de calcul ou de commutation, constituent une autre voie vers des communications plus rapides. En attendant que cette technologie soit prête pour les applications envisagées, l’amélioration du matériau des circuits imprimés offre une option de conception plus immédiate. La question pratique est de savoir si les fabricants peuvent fournir les performances électriques requises, à un coût acceptable et dans les volumes nécessaires.

La propriété qui aide dans une poêle complique la fabrication des circuits

Le stratifié plaqué cuivre, ou CCL, est un matériau de base des circuits imprimés. Il associe généralement une feuille de cuivre à une résine et à un renfort en fibre de verre. Les fabricants transforment et assemblent ces matériaux pour former la structure en couches qui assure les connexions électriques d’un serveur.

Les résines classiques, notamment l’époxy, l’oxyde de polyphénylène et les résines hydrocarburées, peuvent se lier sous l’effet de la chaleur et se rigidifier après durcissement. Le perçage, le placage et l’assemblage ultérieurs sont ainsi relativement faciles à gérer. La résistance du PTFE à l’adhésion complique la tâche : les couches doivent rester solidement assemblées pendant la fabrication et l’utilisation.

Le PTFE manque également de la rigidité nécessaire pour être utilisé seul dans les circuits épais et complexes des serveurs d’IA. Les fabricants envisagent généralement des structures hybrides associant le PTFE à des matériaux plus rigides. Ces conceptions cherchent à placer le matériau à faibles pertes là où les signaux en ont le plus besoin, tout en conservant une résistance mécanique ailleurs.

Le traitement peut nécessiter d’importantes modifications des usines. Selon les estimations du secteur, certains circuits multicouches en PTFE doivent être laminés à environ 300 degrés Celsius. Les lignes classiques de production de circuits imprimés peuvent ne pas disposer de l’équipement adéquat ; le changement de matériau peut donc imposer de nouvelles machines, des recettes de fabrication révisées et des changements chez plusieurs fournisseurs.

La prudence de Taïwan face aux investissements chinois

Tung Ting-yu, président d’Unimicron, a déclaré que Nvidia avait approché l’entreprise au sujet du développement du PTFE trois ans plus tôt. Son récit présente l’intérêt initial de Nvidia en partie comme une réponse aux pénuries de stratifiés avancés, et il s’est interrogé sur la possibilité que le PTFE devienne un matériau courant pour les circuits imprimés.

Pu Deyu, responsable de la recherche sur l’électronique et les télécommunications à l’international chez GF Securities, défend un autre point de vue. Selon lui, le besoin découle de la conception des produits : même le matériau avancé M9 pourrait avoir du mal à fournir des performances de transmission suffisantes dans des circuits de plus de 70 couches. Il estime également que les futures applications informatiques dans l’espace renforceront la demande de PTFE.

Selon des sources du secteur, les fabricants associés aux travaux de Nvidia sur le PTFE sont principalement chinois, à l’exception d’un fabricant américain de circuits imprimés. Parmi eux figurent le fournisseur de stratifiés Shengyi Technology et le fabricant de circuits imprimés Victory Giant Technology, qui a lourdement investi dans des équipements destinés à Nvidia.

À Taïwan, les entreprises cotées concernées comprennent Taiflex, fabricant de stratifiés plaqués cuivre souples, et Flexium, fabricant de circuits souples. Aucune des deux n’est un fournisseur majeur de circuits imprimés pour serveurs d’IA. Leur participation montre que l’opportunité dépasse le cercle des producteurs établis de circuits rigides pour serveurs, même si l’accès à une échelle commerciale reste un défi majeur.

Taiflex et E Ink préparent une voie vers la production

Le conseil d’administration de Taiflex a approuvé le 28 octobre un protocole d’accord avec E Ink en vue de développer des matériaux en PTFE. Le projet associerait les matériaux de Taiflex à la production pilote et à la validation sur les sites d’E Ink à Hsinchu et Guanyin, à Taïwan.

Taiflex fournirait des matériaux clés et développerait des stratifiés en PTFE pour la transmission rapide des signaux. E Ink apporterait son expertise en recherche sur les matériaux, en traitement de surface et en gestion de la production. Le traitement de surface est particulièrement important pour un matériau dont la résistance à l’adhésion complique la fabrication.

Chen Yung-heng, président de Taiflex, a déclaré que l’entreprise investissait depuis des années dans les stratifiés plaqués cuivre et les matériaux électroniques avancés, notamment dans la technologie et les produits à base de PTFE. La coopération envisagée met ces travaux de développement en lien avec des installations où les procédés de fabrication peuvent être testés.

Le partenariat doit encore être examiné par le conseil d’administration d’E Ink. Les conditions commerciales et les modalités de mise en œuvre ne sont pas arrêtées, et toute fabrication ultérieure sous contrat dépendra des progrès réalisés. Les deux sites sont prévus pour les essais, mais ne sont pas confirmés comme lieux de production commerciale de PTFE.

E Ink et sa filiale spécialisée dans les matériaux détenaient ensemble environ 9 % de Taiflex à la période considérée. Johnson Lee, président d’E Ink, a déclaré que l’investissement dans Taiflex avait commencé environ quatre ans plus tôt. Les liens opérationnels entre les entreprises se sont resserrés en plusieurs étapes :

• 2 avril : Chen Yung-heng devient président de Taiflex.
• 27 mai : E Ink obtient quatre sièges au conseil d’administration de Taiflex lors de l’élection du conseil.
• 29 juillet : Johnson Lee devient vice-président de Taiflex.
• 28 octobre : le conseil d’administration de Taiflex approuve la coopération envisagée sur le PTFE.

Davantage de couches signifie plus de matériaux, pas seulement plus de commandes

Les serveurs d’IA font augmenter la demande de stratifiés, en partie parce que leurs circuits comptent davantage de couches. Les circuits de serveurs classiques en comptent environ 16 à 20, tandis que ceux des serveurs d’IA en atteignent désormais 30 à 40, voire davantage. La comparaison entre 20 et 40 couches illustre cette évolution : chaque circuit doit intégrer deux fois plus de couches, même si la consommation réelle de matériaux dépend aussi de sa taille et de sa conception.

Les délais de livraison des stratifiés sont passés d’environ deux à quatre semaines à trois mois, voire six mois. Certains tissus de fibre de verre avancés sont fournis selon des quotas, ce qui limite les quantités accessibles à chaque client, même lorsqu’il souhaite commander davantage.

La production de fibre de verre ralentit également à mesure que les exigences se renforcent. Les fournisseurs réaffectent leurs capacités, passant des tissus de verre électronique classiques à des produits aux propriétés électriques supérieures. Selon les estimations du secteur, le passage d’un tissu plus épais à des versions plus fines peut réduire les capacités de production de 50 à 70 %.

Morgan Stanley relève quatre contraintes à court terme : le traitement du PTFE, les approvisionnements limités en verre E fin, les longs délais de livraison des presses de laminage EPM et les substrats en verre, dont la commercialisation nécessiterait selon la société encore deux à trois ans. Ces contraintes touchent différentes étapes de la production et rendent difficile une augmentation rapide de l’offre de circuits finis.

Le PTFE n’est qu’une option dans une vaste compétition entre matériaux

Selon Morgan Stanley, les fabricants taïwanais de stratifiés étudient les résines hydrocarburées, les mélanges de résine hydrocarbonée et de PTFE, ainsi que le benzocyclobutène, ou BCB. Le choix dépend des performances électriques, de la facilité de traitement, du coût et de la capacité à fournir des matériaux homogènes en grandes quantités.

Le tissu de quartz, souvent appelé tissu Q, est un autre candidat pour les applications exigeantes. Il possède des propriétés électriques avantageuses, mais peut coûter 50 à 70 fois plus cher qu’un tissu de fibre de verre ordinaire. Sa dureté et sa fragilité compliquent également le perçage.

Un foret capable de réaliser environ 2 000 à 3 000 trous dans un circuit en fibre de verre classique peut devoir être remplacé après quelque 200 trous dans un circuit utilisant du tissu de quartz. Ces chiffres indiquent qu’un foret permet de percer environ 10 à 15 fois plus de trous avec le matériau classique avant d’être remplacé, ce qui alourdit considérablement le coût de fabrication de l’option au quartz.

Les fabricants introduisent des techniques comme les lasers picoseconde et le perçage par ultrasons pour résoudre les problèmes de traitement. Les clients peuvent aussi opter pour des conceptions mixtes, en plaçant des stratifiés avancés M9 ou M10 dans les couches où les signaux sont les plus exigeants et des matériaux moins coûteux ailleurs.

Tung Ting-yu, président d’Elite Material, a déclaré que le M9 était déjà produit en série, que la production du M10 devrait augmenter l’année suivante et que le M11 était en développement. Les feuilles de cuivre évoluent elles aussi : des surfaces plus lisses contribuent à réduire les pertes pendant la circulation des signaux sur les pistes de cuivre. Le choix de la résine n’est donc qu’un élément de la conception électrique.

Les clients paient pour garantir leurs capacités futures

Selon Goldman Sachs, les clients soutiennent les investissements dans les capacités prévues pour 2027-2030 au moyen d’accords à long terme, de subventions à l’expansion, de paiements anticipés ou d’incitations. Elite Material, Zhen Ding Technology et le producteur de feuilles de cuivre Co-Tech ont reçu de telles demandes. Certains fournisseurs préfèrent conserver une marge de manœuvre plutôt que d’accepter toutes les propositions.

Ces financements s’expliquent par les délais d’attente prolongés pour les matériaux comme pour les machines. Chien Shan-chieh, président et directeur de la stratégie d’Unimicron, a déclaré que les délais s’étaient allongés pour environ 80 % des équipements, certaines machines essentielles nécessitant jusqu’à 30 mois. Il estime que les pénuries de matériaux clés pourraient atteindre 20 à 40 % des besoins en 2027.

Nvidia cherche également à accroître les capacités de production de substrats pour puces, ces structures finement câblées qui relient les puces au reste du système. L’entreprise prévoirait de porter les capacités correspondantes à 2,5 fois leur niveau actuel en trois ans et aurait versé plusieurs milliards de dollars américains à titre de paiements anticipés de capacités à IBIDEN, au Japon.

Les substrats et les circuits imprimés pour serveurs remplissent des fonctions différentes, mais tous deux attirent des investissements liés à l’expansion du matériel d’IA. Les clients engagent leurs fonds plus tôt, car la construction des usines, l’installation des équipements et la qualification des produits prennent bien plus de temps que le simple passage d’une commande.

Les nouvelles usines devront tout de même utiliser des matériaux qualifiés

Co-Tech prévoit d’investir entre 8 et 10 milliards de dollars taïwanais dans une usine en Malaisie, dont la capacité prévue est de 30 000 tonnes, afin de produire des feuilles de cuivre avancées HVLP4. Des produits HVLP5 ont également été soumis sous forme d’échantillons. Les deux premières phases de l’usine de Taiwan Union Technology en Thaïlande devraient fournir une capacité mensuelle combinée de 1,2 million de feuilles de stratifié ; un terrain est réservé pour une troisième phase.

Malgré ces projets d’expansion, les pénuries de matières premières restent une préoccupation majeure. Chen Chin-tsai, président d’ITEQ, a désigné l’insuffisance des approvisionnements en matériaux comme le principal défi de l’entreprise. Tsai Hsin-min, directeur général, a déclaré que le prix des tissus de fibre de verre augmentait presque chaque mois et que l’offre pourrait ne commencer à s’améliorer qu’au second semestre 2027 ou en 2028.

Les clients finaux contrôlent également davantage le choix des matériaux. Après avoir qualifié un matériau, ils peuvent exiger des fabricants de circuits imprimés qu’ils utilisent ce produit précis. Les fournisseurs se livrent donc concurrence sur la fiabilité de la qualité et la reproductibilité de la production, autant que sur la réduction des pertes de signal.

L’offensive de Nvidia sur le PTFE rassemble ces différentes exigences. Un matériau permettant des connexions plus rapides doit aussi résister au pressage, au perçage, au placage et à l’assemblage sur de nombreuses couches. Les investissements chinois, les solutions taïwanaises et le partenariat de Taiflex représentent différentes tentatives pour répondre à la même exigence pratique : produire en grande quantité des circuits fiables et constants.

À retenir

• Nvidia étudie l’utilisation du PTFE pour les connexions exigeantes des systèmes d’IA, car ce matériau perd moins d’énergie de signal que les isolants classiques.
• La résistance du PTFE à l’adhésion, sa souplesse et ses exigences de traitement compliquent la production de circuits comportant de nombreuses couches.
• Les fournisseurs chinois investissent, tandis que les fabricants taïwanais développent des partenariats autour du PTFE et explorent d’autres matériaux.
• La coopération envisagée entre Taiflex et E Ink prévoit des essais sur deux sites taïwanais ; les approbations et les conditions commerciales restent à définir.
• Les délais de livraison des stratifiés atteignent désormais trois mois, voire six mois, alors que les approvisionnements en fibre de verre, en feuilles de cuivre et en équipements se tendent.
• Les clients soutiennent les capacités prévues pour 2027-2030, tandis que les fabricants doivent trouver un équilibre entre performances électriques, coûts et fiabilité de la production.