브라질의 칩 설계

1971년 상파울루 대학은 라틴 아메리카 최초의 칩을 생산했습니다^[9]. 반도체는 실리콘과 같이 전류를 흐르게 하는 능력을 제어할 수 있는 재료이며, 모든 칩은 이로부터 만들어집니다. 1991년 정보법(법률 8.248)은 수익의 일부를 브라질 내 연구에 투자하는 전자 회사에 세금 감면을 부여했고^[3], 2007년 법률 11.484는 반도체 산업을 위한 지원 프로그램인 PADIS를 설립했습니다^[12]. 2008년 연방 정부는 포르투 알레그리에 주립 회사인 CEITEC을 설립했으며, 이는 라틴 아메리카 유일의 칩 공장이 되었고^[17], 2007년 12월 독일 회사 X-FAB으로부터 라이선스를 받은 제조 공정을 사용했습니다^[15]. 가장 잘 알려진 제품인 Chip do Boi는 소를 식별하는 무선 태그이며, 브라질에서 설계되어 대량 생산에 도달한 최초의 칩이었습니다^[16].

마이크로컨트롤러는 프로세서, 메모리, 센서 및 기타 장치와의 연결을 포함하는 단일 칩 위의 작은 컴퓨터이며, 가전제품, 차량 및 산업 기계 내부에 나타납니다. 프로젝트 이름 u32BR로 개발된 BlueMacaw는 32비트 RISC-V 마이크로컨트롤러로, 이는 레지스터와 산술 연산이 32개의 이진 숫자 폭의 숫자에 대해 작동한다는 것을 의미하며, 적은 전력으로 작동하는 장치를 위한 무선 표준인 내장형 Bluetooth Low Energy를 갖추고 있습니다^[1]. 다섯 개의 연방 대학이 전자 회사들과 함께 이를 설계했습니다: UFSM, UFMG, UnB, UFCG 및 UFPR. UFSM의 João Baptista Martins 교수와 Santa Maria Design House가 작업을 조정했으며, 30개월 동안 50명 이상이 참여했고 과학기술혁신부(MCTI)의 지원으로 Softex를 통해 자금을 받았습니다^[3,4]. 팀은 2024년 6월 14일 캄피나스에서 열린 RISC-V Brasil 행사에서 이를 발표했고^[3], 공식 사이트는 2025년 10월에 열렸습니다^[5].

TSMC는 22나노미터 공정으로 대만에서 BlueMacaw를 제조했습니다^[4,5]. 공정은 칩 공장이 사용하는 제조 단계의 집합이며, 나노미터(밀리미터의 백만분의 일) 단위의 크기는 트랜지스터가 얼마나 작을 수 있는지를 나타내며, 이는 칩에 얼마나 많이 들어갈 수 있고 얼마나 많은 전력을 소비하는지를 결정합니다. 프로세서는 200 MHz로 실행되며, 이는 초당 2억 클럭 사이클을 의미하고, 4단계 파이프라인을 갖추고 있어 한 번에 네 개의 명령이 진행 중이며 각각 인출 및 실행의 다른 단계에 있습니다. 명령어용 32 KB 메모리와 데이터용 32 KB 메모리를 갖추고 있으며, 여기서 KB는 1024바이트이고 바이트는 8비트의 그룹입니다. 유휴 상태인 칩 부분에서 클럭 신호를 중지하는 클럭 게이팅과 칩의 나머지가 잠자는 동안 메모리 내용을 보존하는 보존 모드는 사용하는 전력을 줄입니다^[1].

RISC-V는 기본 명령어 세트와 선택적 확장, 즉 칩 설계자가 포함하거나 생략할 수 있는 추가 명령어 그룹으로 구성됩니다. BlueMacaw는 RV32IC를 구현합니다^[1]. 문자 I는 add, slli 및 beq와 같은 정수 명령어의 기본 세트를 나타내고, 문자 C는 압축 확장을 나타내며, 이는 일반 명령어의 16비트 버전을 추가하여 프로그램이 더 적은 메모리를 차지하도록 합니다. BlueMacaw는 mul 및 div를 제공하는 M 확장을 생략합니다. 이 사이트의 시뮬레이터는 RV32IM을 구현하고 mul을 허용하지만, BlueMacaw용으로 컴파일된 프로그램에는 사용 가능한 곱셈 명령어가 없으므로 컴파일러는 모든 곱셈을 기본 세트의 시프트와 덧셈을 사용하여 동일한 결과에 도달하는 짧은 루틴 호출로 대체합니다.

 # RV32I 기본 명령어만 사용하여 6에 7을 곱한다.
li   a0, 6 # 곱해지는 수, 매 반복마다 두 배가 됨
li   a1, 7 # 곱하는 수, 최하위 비트에서 읽음
li   a2, 0 # 누적 합계
loop:
  beqz a1, done # 곱하는 수가 0에 도달하면 중지
  andi t0, a1, 1 # 최하위 비트를 분리
  beqz t0, skip # 해당 비트가 0이면 덧셈을 건너뜀
  add  a2, a2, a0 # 현재 두 배가 된 값을 더함
skip:
  slli a0, a0, 1 # 곱해지는 수를 두 배로 만듦
  srli a1, a1, 1 # 곱하는 수를 오른쪽으로 시프트하여 다음 비트를 노출
  j    loop
done:
  mv   a0, a2 # 결과를 출력을 위해 a0로 이동
  li   a7, 1 # 서비스 1 = 정수 출력
  ecall
  li   a7, 10 # 서비스 10 = 종료
  ecall

이 프로그램은 종이에 쓰는 장단계 곱셈과 같은 방식으로 두 수를 곱하지만, 십진수 대신 이진수를 사용합니다. 곱셈수 7은 이진수로 111입니다. 루프는 andi를 사용해 곱셈수의 가장 낮은 비트를 읽고, 그 비트가 1이면 다른 수의 현재 값을 누적 합계에 더합니다. slli는 다른 수를 두 배로 만들고, srli는 곱셈수를 오른쪽으로 시프트하여 다음 패스에서 다음 비트를 읽도록 합니다. 루프는 곱셈수가 0이 되면 종료되고, 프로그램은 42를 출력합니다. M 확장 없이 칩에서는 곱셈수의 각 비트가 여러 개의 명령어를 필요로 하여 프로세서를 더 작게 만들고 전력 사용량을 줄입니다.

Fernando Pereira 교수가 조정하는 UFMG의 컴파일러 연구소는 BlueMacaw의 소프트웨어 개발 키트(SDK), 즉 프로그래머가 칩용 프로그램을 작성하기 위해 설치하는 도구와 코드의 패키지를 작성했습니다^[3]. 그 컴파일러는 C와 C++를 기계어로 번역하는 널리 사용되는 무료 컴파일러인 GCC이며, RISC-V용으로 구성되었습니다. 키트에는 어셈블리를 기계어로 번역하는 어셈블러, 번역된 조각들을 하나의 프로그램으로 결합하는 링커, 그리고 OpenOCD라는 도구를 통해 칩에 연결하는 GDB 디버거도 포함되어 있습니다. 프로그램은 베어메탈, 즉 아래에 운영 체제 없이 하드웨어에서 직접 실행되며, 키트는 칩을 준비하는 시작 코드, 메모리 할당, 그리고 주변 장치(타이머, 직렬 통신, 아날로그 입력 및 Bluetooth를 위한 내장 회로)용 드라이버를 제공합니다^[2].

리우그란지두술 연방 대학(UFRGS)에서 Anderson I. Silva, Altamiro Susin, Fernanda L. Kastensmidt, Antonio Carlos S. Beck 및 José Rodrigo Azambuja는 명령어를 실행하는 칩의 부분인 32비트 RISC-V 코어인 NoX를 설계하고, 누구나 읽고 사용하고 수정할 수 있도록 그 설계를 오픈 소스로 공개했습니다. NoX는 4단계 파이프라인을 갖추고 있으며, 네트워크 가장자리의 장치에서 여러 개의 작은 코어를 결합하는 칩, 예를 들어 데이터를 수집하는 곳에서 처리하는 센서를 위한 것입니다. 이는 집적 회로 및 시스템 설계에 관한 브라질 심포지엄인 SBCCI 2024에서 발표되었습니다^[6].

2024년 3월 15일, 캄피나스의 Instituto Eldorado와 Unicamp의 연구원들은 MCTI 지원으로 PPI-Softex 프로그램 아래에서 RISC-V 프로세서 내부에 행렬 곱셈 가속기를 구축하기 위해 바르셀로나 슈퍼컴퓨팅 센터와 협약을 체결했습니다^[7]. 가속기는 한 종류의 계산에 전용된 회로이며, 행렬 곱셈은 인공 지능 모델이 가장 많이 수행하는 계산입니다. 2025년 8월 정부는 브라질 인공 지능 계획(PBIA)의 일부로 국립 과학 컴퓨팅 연구소(LNCC)를 위한 국가 슈퍼컴퓨터를 설명했으며, 처음에는 약 5,000개의 그래픽 프로세서와 이후 단계에서 Unicamp, 바르셀로나 센터 및 Eldorado의 RISC-V 가속기 및 프로세서를 갖출 예정입니다^[8].

RISC-V International은 모든 명령어를 정의하는 문서인 RISC-V 사양을 유지 관리하는 조직입니다. 2024년 2월 브라질은 조직의 최고 회원 등급인 프리미어 회원으로 가입했으며, 의석은 MCTI^[9]가 보유했습니다. MCTI의 반도체 기술 총괄 코디네이터인 Alessandro Campos는 이사회에 있으며^[11], Unicamp의 Guido Araujo 교수는 새로운 확장과 사양 변경에 투표하는 그룹인 기술 운영 위원회에서 MCTI를 대표합니다^[10].

2024년 9월 11일 법률 14.968에 의해 설립된 Brasil Semicon은 정보법과 PADIS 세제 혜택을 2029년까지 연장하고 칩 제조와 함께 칩 설계, 연구, 디스플레이 및 태양광 패널 생산, 전문가 훈련을 대상으로 합니다^[12].

국가 마이크로일렉트로닉스 프로그램은 Softex가 조정하는 레지던시인 CI Inovador를 통해 칩 설계자를 훈련하며, 참가자는 회로 설계를 공부하고 작업하는 동안 월 5,000헤알의 장학금을 받습니다^[14,22]. 2026년 6월 UFSM의 전기공학 대학원 프로그램은 마이크로일렉트로닉스 및 집적 전자 시스템 연구 라인을 만들었으며, BlueMacaw를 이끄는 그룹에 석사 및 박사 자리를 두었습니다^[13].

브라질은 현재 크기로 칩을 설계하지만 이를 제조할 수 있는 공장이 없습니다. CEITEC의 공정은 0.6마이크로미터, 즉 600나노미터에서 작동하며, BlueMacaw에 사용되는 22나노미터의 약 27배이므로 BlueMacaw와 같은 브라질 설계는 해외에서 제조됩니다^[5,15]. Chip do Boi도 독일과 미국의 X-FAB 공장에서 대량 생산에 도달한 반면, CEITEC은 포르투알레그리에서 프로토타입과 소량을 만들었습니다^[15,16].

1984년 법률 7.232인 국가 정보 정책은 국내 컴퓨터 시장을 브라질 자본 기업을 위해 8년간 유보했습니다^[24]. 1992년 유보가 끝나고 시장이 수입에 개방되자 보호받던 기업 중 다수가 외국 제조업체와 경쟁하지 못하고 문을 닫거나 종종 다국적 기업에 인수되었습니다^[24]. Transit, Philco, SID의 반도체 공장은 이미 1981년, 1984년, 1997년에 문을 닫았습니다^[25].

오늘날 브라질의 칩 생산은 완성된 칩이 실리콘 웨이퍼(많은 칩이 함께 만들어지는 얇은 원판)에서 잘려 보호 케이스에 밀봉되는 마지막 단계인 패키징에 집중되어 있습니다. 국내에서 5개의 패키징 그룹이 운영되며, 주로 컴퓨터와 전화에 사용되는 메모리 칩을 위한 것입니다^[25]. 2015년 국영 개발은행 BNDES의 연구는 브라질을 현지 칩 제조가 없는 몇 안 되는 대형 경제국 중 하나로 묘사했고, 수입이 수출을 초과하는 금액인 반도체 무역 적자가 1992년 5억 달러 미만에서 2013년과 2014년에는 연간 약 50억 달러로 증가했다고 기록했습니다^[26].

SIX Semicondutores, 나중에 Unitec으로 개명된 이 회사는 칩 공장을 시도한 가장 큰 민간 기업이었습니다. 이 공장은 리베이라오 다스 네베스, 미나스 제라이스에 위치했으며, 2005년에 이케 배티스타를 포함한 창립자들과 함께 구상되었습니다. BNDES, 미나스 제라이스 개발 은행(BDMG) 및 민간 파트너들로부터 약 R$12억을 받았고, IBM은 회사의 18.8%를 보유하고 기술을 공급했습니다^[27]. 2015년에 공공 은행은 신용을 중단했고, 실버의 가치 하락이 수입 장비 비용을 상승시켰으며, IBM은 자체 칩 제조 사업을 매각한 뒤 2019년에 떠났습니다^[27]. 이 공장은 상업용 칩을 생산하지 못했습니다. 부채를 재구조화하기 위해 법원 감독 하에 재정 회복 절차를 시작했으며, 약 R$6억의 부채를 지고 있습니다^[27].

CI-Brasil 프로그램은 2005년에 설립되어 2019년에 자금이 소진되기 전까지 세 개 센터에서 1,000명 이상의 칩 디자이너를 교육했습니다^[25]. 2002년 국가 마이크로일렉트로닉스 프로그램은 20개의 설계 회사를 성장시켰으며, 그 중 7개가 2023년에도 남아 있습니다^[25]. 2021년 1월, Jair Bolsonaro 대통령은 보완법 177의 조항을 제거하는 두 개의 거부권을 행사했습니다. 한 조항은 국가 과학 기금인 FNDCT에서 자금 차단을 금지했고, 다른 조항은 사용되지 않은 2020년 기금을 2021년으로 이월해 42억 리알이 기금에 차단된 상태를 남겼습니다^[28].

CEITEC은 거의 문을 닫을 뻔했습니다. 2020년 12월 16일 법령 10.578은 투자 파트너십 프로그램 위원회의 권고에 따라 해산을 승인했습니다^[17]. 정부는 세 가지 이유를 들었습니다: 운영 적자를 메우기 위한 연간 최소 5,000만 헤알의 연방 이전, 2015년부터 2017년 사이 연간 2,390만 헤알에서 4,960만 헤알의 손실, 그리고 구매자가 없다는 것입니다^[17,23]. 연방회계법원(TCU)은 정당화에서 극복할 수 없는 약점, 그중에서도 공공 투자와 축적된 지식의 손실을 무시한 점을 발견한 후 2021년 9월 1일 절차를 중단했습니다^[18]. 2023년 11월 6일 법령 11.768은 해산을 뒤집었습니다^[19]. 2024년 12월 MCTI는 공장을 태양광 인버터와 전기 자동차에 사용되는 탄화규소 전력 칩으로 전환하기 위해 국가 과학 기금(FNDCT)에서 2억 2,000만 헤알을 승인했습니다^[20]. 2025년 연방 예산은 CEITEC에 6,000만 헤알을 주었고, 사장인 Augusto Gadelha는 전환에 수억 헤알이 필요하며 지연될 것이라고 말했습니다^[29]. 2026년 5월 MCTI는 그 생산을 위해 CEITEC과 중국 기업 Global Power Technology 간의 파트너십을 중개했습니다^[21].

2026년 10월, 캄피나스의 엘도라도 연구소는 RISC-V 아키텍처 기반 인공지능 프로세서를 설계하는 국가 프로젝트를 시작했다. 캄피나스 주립대학(Unicamp)이 연구소와 함께 주도하며, 레나투 아르헤르 정보기술센터도 참여했다^[30]. 과학기술혁신부는 FNDCT, BNDES, FINEP를 통해 첫해에 5천만 헤알을 투입했고, 이후 단계에 약 7천5백만 헤알이 추가로 계획되어 있다^[30]. 설계는 행렬 가속기로, AI 모델이 요구하는 연산을 수행하는 여러 칩을 하나의 보드에 결합한다. 범용 언어 모델의 학습이 아니라 이미지 생성 같은 특화된 워크로드를 대상으로 한다^[30].

이 프로젝트는 이 기사가 설명하는 작업의 흐름을 이어간다. BlueMacaw는 브라질 컨소시엄이 개방형 명령어 집합을 실제 동작하는 실리콘까지 가져갈 수 있음을 입증했고, 이 가속기는 같은 개방성을 고성능 컴퓨팅에 적용한다. 동기는 경제적이다. 브라질은 매년 약 80억 달러어치의 반도체를 수입하며, 국산 가속기는 그 지출의 일부를 국내에 남긴다. 이 작업은 국산 슈퍼컴퓨터를 뒷받침하는 것과 같은 프로그램인 브라질 인공지능 계획의 일부를 이룬다^[33].

칩에는 위 지도에 표시된 금속만으로는 부족하다. 제조 공장은 가스로도 돌아간다. 헬륨은 공정 중 웨이퍼를 냉각하고, 챔버를 오염시키는 공기로부터 보호하며, 미세한 누출을 찾아낸다. 네온은 실리콘에 패턴을 새기는 레이저의 빛을 운반한다. 2026년 10월, 미국 에너지부는 헬륨을 핵심 물질로 지정했다. 반도체 제조에 없어서는 안 되며, 세계 공급은 소수 국가에 집중되어 있다^[34]. 이 페이지의 천연자원 패널은 전자제품 생산을 뒷받침하는 물질과 가스를 나열하고, 이 나라가 자국 영토에서 채굴하거나 생산하는 것을 표시한다.

표시는 매장량이 아니라 생산을 나타낸다. 우크라이나는 유럽에서 가장 큰 리튬 자원 중 하나를 보유하고도 채굴을 시작하지 않았고, 브라질은 헬륨을 전혀 생산하지 않으므로 어떤 국산 제조 계획이든 그 수입을 물려받게 된다. 네온이 가장 뚜렷한 사례다. 2022년 이전에 우크라이나는 세계 반도체 등급 네온의 약 절반을 공급했지만, 침공이 그 생산을 파괴했다^[35]. 금속과 가스는 함께 한 나라가 국산 칩 산업을 어디까지 구축할 수 있는지를 결정하며, 그 모두를 보유한 나라는 없다.

이 페이지의 지도는 공개 데이터셋을 시각화한다. 주요 출처는 아래에 나열되어 있다.