Projektowanie układów scalonych w Brazylii

W 1971 roku Uniwersytet w São Paulo wyprodukował pierwszy chip w Ameryce Łacińskiej^[9]. Półprzewodnik to materiał taki jak krzem, którego zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego można kontrolować, i z niego wykonany jest każdy chip. W 1991 roku ustawa informatyczna (ustawa 8.248) przyznała ulgi podatkowe firmom elektronicznym, które inwestują część swoich przychodów w badania w Brazylii^[3], a w 2007 roku ustawa 11.484 ustanowiła PADIS, program wsparcia dla przemysłu półprzewodnikowego^[12]. W 2008 roku rząd federalny założył CEITEC, spółkę państwową w Porto Alegre, która stała się jedyną fabryką chipów w Ameryce Łacińskiej^[17], wykorzystując proces produkcyjny licencjonowany od niemieckiej firmy X-FAB w grudniu 2007 roku^[15]. Jej najbardziej znany produkt, Chip do Boi, to znacznik radiowy identyfikujący bydło, i był to pierwszy chip zaprojektowany w Brazylii, który osiągnął produkcję masową^[16].

Mikrokontroler to mały komputer na pojedynczym chipie, zawierający procesor, pamięć i połączenia z czujnikami oraz innymi urządzeniami, i występuje wewnątrz urządzeń AGD, pojazdów i maszyn przemysłowych. BlueMacaw, opracowany pod nazwą projektu u32BR, to 32-bitowy mikrokontroler RISC-V, co oznacza, że jego rejestry i arytmetyka operują na liczbach o szerokości 32 cyfr binarnych, z wbudowanym Bluetooth Low Energy, standardem bezprzewodowym dla urządzeń działających przy małym poborze energii^[1]. Pięć federalnych uniwersytetów zaprojektowało go wspólnie z firmami elektronicznymi: UFSM, UFMG, UnB, UFCG i UFPR. Profesor João Baptista Martins z UFSM i Santa Maria Design House koordynowali pracę, w którą zaangażowano ponad 50 osób przez 30 miesięcy i która otrzymała finansowanie przez Softex przy wsparciu Ministerstwa Nauki, Technologii i Innowacji (MCTI)^[3,4]. Zespół zaprezentował go na wydarzeniu RISC-V Brasil w Campinas 14 czerwca 2024 roku^[3], a jego oficjalna strona została otwarta w październiku 2025 roku^[5].

TSMC wyprodukowało BlueMacaw na Tajwanie w procesie 22 nanometrów^[4,5]. Proces to zestaw kroków produkcyjnych stosowanych przez fabrykę chipów, a jego rozmiar w nanometrach, milionowych częściach milimetra, wskazuje, jak małe mogą być tranzystory, co określa, ile zmieści się na chipie i ile energii zużywają. Procesor pracuje z częstotliwością 200 MHz, co oznacza 200 milionów cykli zegara na sekundę, i ma 4-stopniowy potok, konstrukcję, która utrzymuje cztery instrukcje w toku jednocześnie, każdą na innym etapie pobierania i wykonywania. Ma 32 KB pamięci na instrukcje i 32 KB na dane, gdzie KB to 1024 bajty, a bajt to grupa 8 bitów. Bramkowanie zegara, które zatrzymuje sygnał zegara w częściach chipa, które są bezczynne, oraz tryb retencji, który zachowuje zawartość pamięci, gdy reszta chipa śpi, zmniejszają zużywaną energię^[1].

RISC-V jest zorganizowany jako podstawowy zestaw instrukcji plus opcjonalne rozszerzenia, grupy dodatkowych instrukcji, które projektant chipa może włączyć lub pominąć. BlueMacaw implementuje RV32IC^[1]. Litera I oznacza podstawowy zestaw instrukcji całkowitoliczbowych, takich jak add, slli i beq, a litera C oznacza rozszerzenie skompresowane, które dodaje 16-bitowe wersje typowych instrukcji, dzięki czemu programy zajmują mniej pamięci. BlueMacaw pomija rozszerzenie M, które zapewnia mul i div. Symulator na tej stronie implementuje RV32IM i akceptuje mul, ale program skompilowany dla BlueMacaw nie ma dostępnej instrukcji mnożenia, więc kompilator zastępuje każde mnożenie wywołaniem krótkiej procedury, która osiąga ten sam wynik za pomocą przesunięć i dodawań z podstawowego zestawu.

 # Pomnóż 6 przez 7, używając wyłącznie podstawowych instrukcji RV32I.
li   a0, 6 # liczba, która jest mnożona, podwajana w każdym przebiegu
li   a1, 7 # mnożnik, odczytywany od jego najniższego bitu
li   a2, 0 # suma bieżąca
loop:
  beqz a1, done # zatrzymaj się, gdy mnożnik osiągnie 0
  andi t0, a1, 1 # wyizoluj najniższy bit
  beqz t0, skip # pomiń dodawanie, gdy ten bit wynosi 0
  add  a2, a2, a0 # dodaj bieżącą podwojoną wartość
skip:
  slli a0, a0, 1 # podwój liczbę, która jest mnożona
  srli a1, a1, 1 # przesuń mnożnik w prawo, aby odsłonić jego następny bit
  j    loop
done:
  mv   a0, a2 # przenieś wynik do a0 w celu wydrukowania
  li   a7, 1 # usługa 1 = wypisz liczbę całkowitą
  ecall
  li   a7, 10 # usługa 10 = zakończ
  ecall

Program mnoży dwie liczby w taki sam sposób, jak działa długie mnożenie na papierze, ale używa cyfr binarnych zamiast dziesiętnych. Mnożnik 7 to 111 w systemie binarnym. Pętla używa andi do odczytania najniższego bitu mnożnika, a gdy ten bit wynosi 1, dodaje bieżącą wartość drugiej liczby do sumy bieżącej. slli następnie podwaja drugą liczbę, a srli przesuwa mnożnik w prawo, aby następne przejście odczytało kolejny bit. Pętla kończy się, gdy mnożnik osiągnie 0, a program wypisuje 42. Na chipie bez rozszerzenia M każdy bit mnożnika kosztuje kilka instrukcji, co utrzymuje procesor mniejszym i zmniejsza jego zużycie energii.

Laboratorium Kompilatorów na UFMG, koordynowane przez profesora Fernando Pereirę, napisało zestaw narzędzi programistycznych (SDK) BlueMacaw, pakiet narzędzi i kodu, który programista instaluje, aby pisać programy dla chipa^[3]. Jego kompilator to GCC, powszechnie używany wolny kompilator, który tłumaczy C i C++ na kod maszynowy, skonfigurowany dla RISC-V. Zestaw zawiera również asembler, który tłumaczy asembler na kod maszynowy, konsolidator, który łączy przetłumaczone części w jeden program, oraz debugger GDB, który łączy się z chipem przez narzędzie zwane OpenOCD. Programy działają bare-metal, bezpośrednio na sprzęcie bez systemu operacyjnego pod spodem, a zestaw dostarcza kod startowy, który przygotowuje chip, alokację pamięci oraz sterowniki dla urządzeń peryferyjnych, wbudowanych układów dla timerów, komunikacji szeregowej, wejścia analogowego i Bluetooth^[2].

Na Federalnym Uniwersytecie Rio Grande do Sul (UFRGS) Anderson I. Silva, Altamiro Susin, Fernanda L. Kastensmidt, Antonio Carlos S. Beck i José Rodrigo Azambuja zaprojektowali NoX, 32-bitowy rdzeń RISC-V, część chipa, która wykonuje instrukcje, i udostępnili jego projekt jako otwarte źródło, aby każdy mógł go czytać, używać i modyfikować. NoX ma 4-stopniowy potok i jest przeznaczony dla chipów łączących kilka małych rdzeni w urządzeniach na skraju sieci, takich jak czujniki przetwarzające dane tam, gdzie je zbierają. Został zaprezentowany na SBCCI 2024, brazylijskim sympozjum poświęconym projektowaniu układów scalonych i systemów^[6].

15 marca 2024 roku Instituto Eldorado w Campinas i badacze z Unicamp podpisali umowę z Barcelona Supercomputing Center na zbudowanie akceleratora mnożenia macierzy wewnątrz procesora RISC-V, w ramach programu PPI-Softex przy wsparciu MCTI^[7]. Akcelerator to układ dedykowany jednemu rodzajowi obliczeń, a mnożenie macierzy to obliczenie, które modele sztucznej inteligencji wykonują najczęściej. W sierpniu 2025 roku rząd opisał krajowy superkomputer dla Narodowego Laboratorium Obliczeń Naukowych (LNCC), część Brazylijskiego Planu Sztucznej Inteligencji (PBIA), z około 5000 procesorów graficznych na początku oraz akceleratorem i procesorem RISC-V z Unicamp, centrum barcelońskiego i Eldorado w późniejszej fazie^[8].

RISC-V International to organizacja, która utrzymuje specyfikacje RISC-V, dokumenty definiujące każdą instrukcję. W lutym 2024 Brazylia dołączyła jako Premier Member, najwyższy poziom członkostwa w organizacji, a miejsce objęło MCTI^[9]. Alessandro Campos, generalny koordynator ds. technologii półprzewodnikowych w MCTI, zasiada w Radzie Dyrektorów^[11], a profesor Guido Araujo z Unicamp reprezentuje MCTI w Komitecie Sterującym Technicznym, grupie, która głosuje nad nowymi rozszerzeniami i zmianami w specyfikacjach^[10].

Brasil Semicon, utworzony przez ustawę 14.968 z 11 września 2024 r., przedłuża ustawę o Informatyce oraz ulgi podatkowe PADIS do 2029 r. oraz czyni projektowanie układów scalonych, badania, wyświetlanie i produkcję paneli słonecznych, oraz szkolenie specjalistów uprawnionymi obok produkcji układów scalonych^[12].

Krajowy program mikroelektroniki kształci projektantów układów scalonych poprzez CI Inovador, rezydencję koordynowaną przez Softex, w której uczestnicy otrzymują miesięczne stypendium w wysokości 5000 R$ podczas nauki i pracy nad projektowaniem układów^[14,22]. W czerwcu 2026 roku program studiów podyplomowych w zakresie inżynierii elektrycznej na UFSM utworzył linię badawczą w dziedzinie mikroelektroniki i zintegrowanych systemów elektronicznych, z miejscami na studiach magisterskich i doktoranckich w grupie kierującej BlueMacaw^[13].

Brazylia projektuje układy scalone w obecnych rozmiarach, ale nie ma fabryki zdolnej je produkować. Proces CEITEC działa w 0,6 mikrometra, czyli 600 nanometrów, około 27 razy więcej niż 22 nanometry stosowane dla BlueMacaw, więc brazylijskie projekty takie jak BlueMacaw są produkowane za granicą^[5,15]. Chip do Boi również osiągnął masową produkcję w fabrykach X-FAB w Niemczech i Stanach Zjednoczonych, podczas gdy CEITEC wytwarzał prototypy i małe ilości w Porto Alegre^[15,16].

Krajowa Polityka Informatyczna, ustawa nr 7.232 z 1984 r., zastrzegła krajowy rynek komputerów dla spółek z kapitałem brazylijskim na osiem lat^[24]. Gdy rezerwa zakończyła się w 1992 r. i rynek otworzył się na import, wiele z chronionych spółek nie mogło konkurować z zagranicznymi producentami i zamknięto je lub kupiono, często przez korporacje międzynarodowe^[24]. Zakłady półprzewodników Transit, Philco i SID zostały już zamknięte w 1981, 1984 i 1997 r.^[25].

Produkcja chipów w Brazylii koncentruje się dziś na pakowaniu, końcowym etapie, w którym gotowe chipy są wycinane z płytki krzemowej, cienkiego dysku, na którym wiele chipów jest wytwarzanych razem, i zamykane w ochronnych obudowach. W kraju działa pięć grup zajmujących się pakowaniem, głównie na potrzeby chipów pamięci używanych w komputerach i telefonach^[25]. Badanie z 2015 roku przeprowadzone przez krajowy bank rozwoju, BNDES, opisało Brazylię jako jedną z niewielu dużych gospodarek bez lokalnej produkcji chipów i odnotowało deficyt handlowy w sektorze półprzewodników, czyli kwotę, o którą import przewyższa eksport, który wzrósł z poniżej 500 milionów dolarów w 1992 roku do około 5 miliardów dolarów rocznie w latach 2013 i 2014^[26].

SIX Semicondutores, później przemianowana na Unitec, była największą prywatną próbą stworzenia fabryki chipów. Znajdowała się w Ribeirão das Neves, Minas Gerais, i została pomyślana w 2005 roku z Eike Batistą wśród założycieli. Otrzymała około 1,2 miliarda R$ od BNDES, banku rozwoju Minas Gerais (BDMG) i prywatnych partnerów, a IBM posiadał 18,8% firmy i dostarczał jej technologię^[27]. Banki publiczne zawiesiły kredyt w 2015 roku, spadająca wartość reala podniosła koszt importowanego sprzętu, a IBM odszedł w 2019 roku po sprzedaży własnej działalności produkującej chipy^[27]. Zakład nigdy nie wyprodukował komercyjnego chipa. Wszedł w postępowanie naprawcze, nadzorowaną przez sąd restrukturyzację długów, z zadłużeniem około 600 milionów R$^[27].

Program CI-Brasil, utworzony w 2005 roku, wyszkolił ponad 1000 projektantów chipów w trzech ośrodkach, zanim jego finansowanie wyczerpało się w 2019 roku^[25]. Krajowy program mikroelektroniki z 2002 roku rozrósł się do 20 firm projektowych, a 7 z nich pozostało w 2023 roku^[25]. W styczniu 2021 roku prezydent Jair Bolsonaro wydał dwa weta, które usunęły artykuły Ustawy Komplementarnej 177. Jeden artykuł zakazywał blokowania pieniędzy w FNDCT, krajowym funduszu nauki, a drugi przenosił niewykorzystane fundusze z 2020 roku na 2021 rok, pozostawiając 4,2 miliarda R$ funduszu zablokowane^[28].

CEITEC omal nie został zamknięty. Dekret 10.578 z 16 grudnia 2020 r. zezwolił na jego rozwiązanie, na zalecenie rady Programu Partnerstw Inwestycyjnych^[17]. Rząd podał trzy powody: federalne transfery w wysokości co najmniej 50 mln R$ rocznie na pokrycie deficytów operacyjnych, straty od 23,9 mln R$ do 49,6 mln R$ rocznie w latach 2015–2017 oraz brak nabywcy^[17,23]. Federalny Trybunał Obrachunkowy (TCU) zawiesił proces 1 września 2021 r. po stwierdzeniu nie do pokonania słabości w uzasadnieniu, wśród nich tego, że ignorowało utratę inwestycji publicznych i nagromadzonej wiedzy^[18]. Dekret 11.768 z 6 listopada 2023 r. odwrócił rozwiązanie^[19]. W grudniu 2024 r. MCTI zatwierdziło 220 mln R$ z krajowego funduszu nauki (FNDCT) na przekształcenie fabryki na produkcję chipów mocy z węglika krzemu, które są używane w falownikach słonecznych i pojazdach elektrycznych^[20]. Budżet federalny na 2025 r. przyznał CEITEC 60 mln R$, a jego prezes, Augusto Gadelha, powiedział, że przekształcenie wymagało kilkuset milionów i zostałoby opóźnione^[29]. W maju 2026 r. MCTI pośredniczyło w nawiązaniu partnerstwa między CEITEC i Global Power Technology, chińską firmą, na potrzeby tej produkcji^[21].

W październiku 2026 roku Instytut Eldorado w Campinas rozpoczął krajowy projekt mający na celu zaprojektowanie procesora sztucznej inteligencji w architekturze RISC-V. Państwowy Uniwersytet w Campinas (Unicamp) prowadzi go wraz z nim, a dołączyło Centrum Technologii Informacyjnych Renato Archer^[30]. Ministerstwo Nauki, Technologii i Innowacji przeznaczyło 50 milionów reali na pierwszy rok za pośrednictwem FNDCT, BNDES i FINEP, a na późniejsze etapy planuje się około 75 milionów więcej^[30]. Projekt to akcelerator macierzowy: kilka układów połączonych na jednej płytce, które wykonują obliczenia arytmetyczne wymagane przez modele AI. Jest ukierunkowany na wyspecjalizowane obciążenia, takie jak generowanie obrazów, a nie na trenowanie ogólnych modeli językowych^[30].

Projekt kontynuuje kierunek pracy opisany w tym artykule. BlueMacaw udowodnił, że brazylijskie konsorcjum potrafi doprowadzić otwarty zestaw instrukcji do działającego krzemu, a akcelerator stosuje tę samą otwartość w obliczeniach wysokiej wydajności. Motyw jest ekonomiczny: Brazylia importuje co roku półprzewodniki o wartości około 8 miliardów dolarów, a krajowy akcelerator zatrzymuje część tych wydatków w kraju. Praca jest częścią Brazylijskiego Planu Sztucznej Inteligencji, tego samego programu, który stoi za krajowym superkomputerem^[33].

Układ scalony potrzebuje więcej niż metali z powyższej mapy. Zakłady produkcyjne działają także na gazach. Hel chłodzi płytki podczas obróbki, utrzymuje komory wolne od zanieczyszczającego powietrza i wykrywa mikroskopijne wycieki, a neon przenosi światło laserów, które wytrawiają wzory w krzemie. W październiku 2026 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych uznał hel za materiał krytyczny: produkcja półprzewodników nie może się bez niego obejść, a światowe dostawy są skoncentrowane w niewielu krajach^[34]. Panel zasobów naturalnych na tej stronie wymienia materiały i gazy zasilające produkcję elektroniki oraz oznacza to, co ten kraj wydobywa lub wytwarza na własnym terytorium.

Oznaczenia pokazują produkcję, a nie złoża. Ukraina ma jedne z największych zasobów litu w Europie i nie rozpoczęła jego wydobycia, a Brazylia nie produkuje helu w ogóle, więc każdy krajowy plan produkcji dziedziczy ten import. Neon to najjaskrawszy przypadek: przed 2022 rokiem Ukraina dostarczała około połowy światowego neonu klasy półprzewodnikowej, a inwazja zniszczyła tę produkcję^[35]. Metale i gazy razem decydują o tym, jak daleko kraj może zbudować krajowy przemysł układów scalonych, i żaden kraj nie ma ich wszystkich.

Mapa na tej stronie wizualizuje publiczne zbiory danych. Główne źródła wymieniono poniżej.