ブラジルにおけるチップ設計

1971年、サンパウロ大学はラテンアメリカで最初のチップを製造しました^[9]。半導体とは、シリコンのように電流を流す能力を制御できる材料のことであり、すべてのチップはそれから作られています。1991年、情報技術法（法律8.248）は、収益の一部をブラジル国内の研究に投資する電子機器企業に税制優遇を与え^[3]、2007年には法律11.484が半導体産業の支援プログラムであるPADISを設立しました^[12]。2008年、連邦政府はポルトアレグレに国営企業CEITECを設立し、これはラテンアメリカ唯一のチップ工場となり^[17]、2007年12月にドイツの企業X-FABからライセンスを受けた製造プロセスを使用しました^[15]。その最もよく知られた製品であるChip do Boiは、牛を識別する無線タグであり、ブラジルで設計されたチップとして初めて大量生産に到達しました^[16]。

マイクロコントローラとは、プロセッサ、メモリ、センサーやその他のデバイスへの接続を1つのチップに収めた小さなコンピュータであり、家電、車両、産業機械の中に現れます。プロジェクト名u32BRで開発されたBlueMacawは、32ビットのRISC-Vマイクロコントローラです。これは、そのレジスタと演算が32桁の2進数幅の数値で動作することを意味し、低電力で動作するデバイス向けの無線規格であるBluetooth Low Energyを内蔵しています^[1]。5つの連邦大学が電子機器企業とともに設計しました：UFSM、UFMG、UnB、UFCG、UFPRです。UFSMのJoão Baptista Martins教授とSanta Maria Design Houseが作業を調整し、30か月にわたって50人以上が関わり、科学技術イノベーション省（MCTI）の支援の下、Softexを通じて資金提供を受けました^[3,4]。チームは2024年6月14日にカンピーナスで開催されたRISC-V Brasilイベントでそれを発表し^[3]、その公式サイトは2025年10月に開設されました^[5]。

TSMCはBlueMacawを台湾で22ナノメートルプロセスを用いて製造しました^[4,5]。プロセスとはチップ工場が使用する製造工程の集合であり、そのナノメートル（ミリメートルの百万分の一）単位のサイズは、トランジスタをどれだけ小さくできるかを示し、それがチップ上にいくつ収まるか、どれだけ電力を消費するかを決定します。プロセッサは200 MHzで動作し、これは毎秒2億クロックサイクルを意味し、4段パイプラインを持ちます。これは4つの命令を同時に進行させ、それぞれがフェッチと実行の異なる段階にある設計です。命令用に32 KB、データ用に32 KBのメモリを持ち、ここで1 KBは1024バイト、1バイトは8ビットのグループです。アイドル状態のチップ部分でクロック信号を停止するクロックゲーティングと、チップの残りがスリープしている間にメモリ内容を保持するリテンションモードが、使用電力を削減します^[1]。

RISC-Vは、基本命令セットとオプションの拡張機能、つまりチップ設計者が含めたり省略したりできる追加命令のグループとして構成されています。BlueMacawはRV32ICを実装しています^[1]。文字Iはadd、slli、beqなどの整数命令の基本セットを表し、文字Cは圧縮拡張機能を表し、一般的な命令の16ビット版を追加してプログラムがより少ないメモリを占めるようにします。BlueMacawはmulとdivを提供するM拡張機能を省略しています。このサイトのシミュレータはRV32IMを実装しmulを受け付けますが、BlueMacaw用にコンパイルされたプログラムには利用可能な乗算命令がないため、コンパイラはすべての乗算を、基本セットのシフトと加算を使って同じ結果に到達する短いルーチンへの呼び出しに置き換えます。

 # RV32Iの基本命令のみを使って6と7を掛け算する。
li   a0, 6 # 掛けられる数。各パスで2倍になる
li   a1, 7 # 掛ける数。最下位ビットから読み取る
li   a2, 0 # 累計
loop:
  beqz a1, done # 掛ける数が0になったら停止する
  andi t0, a1, 1 # 最下位ビットを分離する
  beqz t0, skip # そのビットが0のときは加算をスキップする
  add  a2, a2, a0 # 現在の2倍の値を加算する
skip:
  slli a0, a0, 1 # 掛けられる数を2倍にする
  srli a1, a1, 1 # 掛ける数を右にシフトして次のビットを露出させる
  j    loop
done:
  mv   a0, a2 # 結果を印刷用にa0へ移動する
  li   a7, 1 # サービス1 = 整数を印刷
  ecall
  li   a7, 10 # サービス10 = 終了
  ecall

このプログラムは、紙の上での筆算と同じ方法で2つの数を掛け合わせるが、10進数の代わりに2進数を使う。乗数7は2進数で111である。ループはandiを使って乗数の最下位ビットを読み取り、そのビットが1のとき、もう一方の数の現在の値を累計に加える。slliはもう一方の数を2倍し、srliは乗数を右にシフトして、次の周回で次のビットを読むようにする。ループは乗数が0になったときに終わり、プログラムは42を出力する。M拡張のないチップでは、乗数の各ビットにいくつかの命令が必要となり、それによってプロセッサはより小さく保たれ、消費電力が減る。

UFMGのコンパイラ研究所は、Fernando Pereira教授が調整し、BlueMacawのソフトウェア開発キット（SDK）、つまりプログラマがチップ用のプログラムを書くためにインストールするツールとコードのパッケージを書きました^[3]。そのコンパイラはGCCであり、CとC++をマシンコードに翻訳する広く使われている無料のコンパイラで、RISC-V用に設定されています。キットには、アセンブリをマシンコードに翻訳するアセンブラ、翻訳された部分を1つのプログラムに結合するリンカ、OpenOCDと呼ばれるツールを通じてチップに接続するGDBデバッガも含まれています。プログラムはベアメタルで、下にオペレーティングシステムのないハードウェア上で直接実行され、キットはチップを準備するスタートアップコード、メモリ割り当て、およびペリフェラル（タイマー、シリアル通信、アナログ入力、Bluetooth用の内蔵回路）のドライバを提供します^[2]。

リオグランデ・ド・スル連邦大学（UFRGS）で、Anderson I. Silva、Altamiro Susin、Fernanda L. Kastensmidt、Antonio Carlos S. Beck、José Rodrigo AzambujaがNoXを設計しました。これは命令を実行するチップの部分である32ビットRISC-Vコアであり、その設計をオープンソースとして公開したので、誰でも読んで、使用して、変更できます。NoXは4段パイプラインを持ち、ネットワークのエッジにあるデバイス、たとえばデータを収集する場所で処理するセンサーにおいて、複数の小さなコアを組み合わせるチップ向けに作られています。それはSBCCI 2024、集積回路とシステム設計に関するブラジルのシンポジウムで発表されました^[6]。

2024年3月15日、カンピーナスのInstituto EldoradoとUnicampの研究者たちは、バルセロナ・スーパーコンピューティング・センターと協定を結び、MCTIの支援の下、PPI-Softexプログラムの一環として、RISC-Vプロセッサ内に行列乗算アクセラレータを構築しました^[7]。アクセラレータとは、ある種の計算に特化した回路であり、行列乗算は人工知能モデルが最も多く実行する計算です。2025年8月、政府は国立科学計算研究所（LNCC）向けの国産スーパーコンピュータを説明しました。これはブラジル人工知能計画（PBIA）の一部であり、最初は約5,000のグラフィックスプロセッサを備え、後の段階でUnicamp、バルセロナセンター、EldoradoによるRISC-Vアクセラレータとプロセッサを備えます^[8]。

RISC-V Internationalは、すべての命令を定義する文書であるRISC-V仕様を維持する組織である。2024年2月、ブラジルは組織の最高会員レベルであるプレミア会員として参加し、その議席はMCTI^[9]が保持した。MCTIの半導体技術総合コーディネーターであるAlessandro Camposは理事会のメンバーであり^[11]、UnicampのGuido Araujo教授は、新しい拡張機能や仕様の変更について投票するグループである技術運営委員会でMCTIを代表している^[10]。

2024年9月11日の法律14.968によって創設されたBrasil Semiconは、情報法とPADISの税制優遇措置を2029年まで延長し、チップ製造に加えて、チップ設計、研究、ディスプレイおよびソーラーパネルの生産、専門家の訓練を対象とする^[12]。

国家マイクロエレクトロニクスプログラムは、Softexが調整するレジデンシーであるCI Inovadorを通じてチップ設計者を訓練し、参加者は回路設計を学びながら働く間、月額5,000レアルの奨学金を受け取る^[14,22]。2026年6月、UFSMの電気工学大学院プログラムは、マイクロエレクトロニクスと集積電子システムの研究ラインを創設し、BlueMacawを主導するグループに修士課程と博士課程の枠を設けた^[13]。

ブラジルは現在のサイズでチップを設計しているが、それを製造できる工場がない。CEITECのプロセスは0.6マイクロメートル、つまり600ナノメートルで動作し、BlueMacawに使用される22ナノメートルの約27倍であるため、BlueMacawのようなブラジルの設計は海外で製造されている^[5,15]。Chip do BoiもドイツとアメリカのX-FABの工場で大量生産に達した一方、CEITECはポルトアレグレでプロトタイプと少量を製造した^[15,16]。

1984年の法律7.232である国家情報政策は、国内コンピュータ市場をブラジル資本の企業のために8年間留保した^[24]。1992年に留保が終了し市場が輸入に開放されると、保護された企業の多くは外国のメーカーと競争できず、閉鎖されたり、しばしば多国籍企業に買収された^[24]。Transit、Philco、SIDの半導体工場はすでに1981年、1984年、1997年に閉鎖されていた^[25]。

今日のブラジルのチップ生産は、完成したチップがシリコンウェハー（多くのチップが一緒に作られる薄い円盤）から切り出され、保護ケースに封入される最終段階であるパッケージングに集中している。国内では5つのパッケージンググループが運営され、主にコンピュータや電話に使用されるメモリチップ向けである^[25]。2015年の国営開発銀行BNDESの調査は、ブラジルを地元のチップ製造がない数少ない大経済国の一つと評し、輸入が輸出を上回る額である半導体貿易赤字が1992年の5億米ドル未満から2013年と2014年には年間約50億米ドルに増加したと記録した^[26]。

SIX Semicondutoresは、後にUnitecと改名され、チップ工場への最大の民間の試みであった。ミナスジェライス州リベイラン・ダス・ネヴェスに位置し、2005年にEike Batistaを創業者の一人として構想された。BNDES、ミナスジェライス州開発銀行（BDMG）、民間パートナーから約12億レアルを受け取り、IBMが会社の18.8%を保有し、その技術を提供した^[27]。2015年に公的銀行が融資を停止し、レアルの価値下落により輸入機器のコストが上昇し、IBMは自社のチップ製造事業を売却した後、2019年に撤退した^[27]。工場は商業用チップを一度も生産しなかった。裁判所監督下の債務再編である司法再生手続きに入り、約6億レアルの債務を負っていた^[27]。

2005年に創設されたCI-Brasilプログラムは、2019年に資金が尽きるまでに、3つのセンターで1,000人以上のチップ設計者を訓練した^[25]。2002年の国家マイクロエレクトロニクスプログラムは20の設計会社に成長し、そのうち7社が2023年にも残っていた^[25]。2021年1月、Jair Bolsonaro大統領は2つの拒否権を発動し、補完法177の条文を削除した。一方の条文は国家科学基金であるFNDCTの資金の凍結を禁じ、もう一方は未使用の2020年の資金を2021年に繰り越すもので、基金の42億レアルが凍結されたままになった^[28]。

CEITECはほぼ閉鎖された。2020年12月16日の政令10.578は、投資パートナーシッププログラムの評議会の勧告に基づき、その解散を承認した^[17]。政府は3つの理由を挙げた：運営赤字を補うための年間少なくとも5,000万レアルの連邦移転、2015年から2017年の間の年間2,390万レアルから4,960万レアルの損失、そして買い手がいないことである^[17,23]。連邦会計裁判所（TCU）は、正当化に克服できない弱点、とりわけ公的投資と蓄積された知識の喪失を無視していることを発見した後、2021年9月1日にプロセスを停止した^[18]。2023年11月6日の政令11.768は解散を覆した^[19]。2024年12月、MCTIは工場を太陽光インバーターや電気自動車に使用される炭化ケイ素パワーチップに転換するために、国家科学基金（FNDCT）から2億2,000万レアルを承認した^[20]。2025年の連邦予算はCEITECに6,000万レアルを与え、その社長であるAugusto Gadelhaは、転換には数億レアルが必要で遅れると述べた^[29]。2026年5月、MCTIはその生産のためにCEITECと中国企業Global Power Technologyの間のパートナーシップを仲介した^[21]。

2026年10月、カンピーナスのエルドラド研究所は、RISC-Vアーキテクチャ上で人工知能プロセッサを設計する国家プロジェクトを開始した。カンピーナス州立大学（Unicamp）が同研究所とともに主導し、レナト・アーチャー情報技術センターも参加している^[30]。科学技術イノベーション省はFNDCT、BNDES、FINEPを通じて初年度に5000万レアルを拠出し、以降の段階でさらに約7500万レアルが予定されている^[30]。設計は行列アクセラレータであり、AIモデルが必要とする演算を実行する複数のチップを1枚のボード上に組み合わせる。汎用言語モデルの学習ではなく、画像生成などの特化したワークロードを対象とする^[30]。

このプロジェクトは本記事が述べる一連の取り組みを継続するものである。BlueMacawはブラジルのコンソーシアムがオープンな命令セットを実動するシリコンにまで到達できることを証明し、このアクセラレータは同じ開放性を高性能計算に適用する。動機は経済的なものである。ブラジルは毎年約80億ドルの半導体を輸入しており、国産アクセラレータはその支出の一部を国内にとどめる。この取り組みはブラジル人工知能計画の一部を成しており、国産スーパーコンピュータを支えるのと同じプログラムである^[33]。

チップには上の地図に示された金属だけでは足りない。製造工場はガスでも動いている。ヘリウムは処理中にウェハを冷却し、チャンバーを汚染する空気から守り、微細な漏れを検出し、ネオンはシリコンにパターンを刻むレーザーの光を運ぶ。2026年10月、米国エネルギー省はヘリウムを重要物質に指定した。半導体製造に欠かせず、世界の供給は少数の国に集中している^[34]。このページの天然資源パネルは、エレクトロニクス生産を支える材料とガスを一覧し、この国が自国領内で採掘または生産しているものを示す。

印は生産を示すもので、埋蔵量ではない。ウクライナは欧州最大級のリチウム資源を有しながら採掘を開始しておらず、ブラジルはヘリウムをまったく生産していないため、国産製造計画はその輸入を引き継ぐことになる。ネオンは最も明白な例である。2022年以前、ウクライナは世界の半導体グレードのネオンの約半分を供給していたが、侵攻がその生産を破壊した^[35]。金属とガスは合わせて、ある国が国産チップ産業をどこまで築けるかを決めるが、そのすべてを保有する国はない。

このページの地図は公開データセットを可視化している。主な出典は以下に示す。