巴西的芯片设计

1971 年，圣保罗大学制造了拉丁美洲的第一块芯片^[9]。半导体是一种材料，例如硅，其传导电流的能力可以被控制，而每块芯片都由半导体制成。1991 年，《信息学法》（第 8.248 号法律）为将部分收入投资于巴西境内研究的电子公司提供税收减免^[3]，2007 年，第 11.484 号法律设立了 PADIS，一个支持半导体产业的计划^[12]。2008 年，联邦政府在阿雷格里港成立了一家国有企业 CEITEC，它成为拉丁美洲唯一的芯片工厂^[17]，使用的是 2007 年 12 月从德国公司 X-FAB 获得许可的制造工艺^[15]。它最著名的产品 Chip do Boi 是一种识别牛的无线电标签，也是巴西设计的首款实现量产的芯片^[16]。

微控制器是集成在单块芯片上的小型计算机，包含处理器、存储器以及连接传感器和其他设备的接口，它出现在家电、车辆和工业机器中。BlueMacaw 以项目名 u32BR 开发，是一款 32 位 RISC-V 微控制器，这意味着它的寄存器和算术运算处理的是 32 个二进制位宽的数字，并内置低功耗蓝牙，一种用于低功耗设备的无线标准^[1]。五所联邦大学与电子公司共同设计了它：UFSM、UFMG、UnB、UFCG 和 UFPR。UFSM 的 João Baptista Martins 教授和 Santa Maria Design House 协调了这项工作，涉及 50 多人，历时 30 个月，并通过 Softex 获得资金，得到科技创新部（MCTI）的支持^[3,4]。团队于 2024 年 6 月 14 日在坎皮纳斯的 RISC-V Brasil 活动上展示了它^[3]，其官方网站于 2025 年 10 月上线^[5]。

台积电在台湾以 22 纳米工艺制造了 BlueMacaw^[4,5]。工艺是芯片工厂使用的一套制造步骤，其以纳米（百万分之一毫米）为单位的尺寸表明晶体管可以有多小，这决定了芯片上能容纳多少个晶体管以及它们消耗多少功率。该处理器运行在 200 MHz，即每秒 2 亿个时钟周期，并具有 4 级流水线，这种设计使四条指令同时处于进行中，每条处于取指和执行的不同阶段。它有 32 KB 的指令存储器和 32 KB 的数据存储器，其中 1 KB 是 1024 字节，1 字节是 8 位的一组。时钟门控会在芯片空闲部分停止时钟信号，保留模式则在芯片其余部分休眠时保存存储器内容，二者共同降低了它使用的功率^[1]。

RISC-V 由一个基础指令集加上可选扩展组成，扩展是芯片设计者可以包含或省略的额外指令组。BlueMacaw 实现 RV32IC^[1]。字母 I 代表整数指令的基础集，例如 add、slli 和 beq，字母 C 代表压缩扩展，它添加常见指令的 16 位版本，使程序占用更少内存。BlueMacaw 省略了提供 mul 和 div 的 M 扩展。本网站上的模拟器实现 RV32IM 并接受 mul，但为 BlueMacaw 编译的程序没有可用的乘法指令，因此编译器将每次乘法替换为对一个短例程的调用，该例程使用基础集中的移位和加法达到相同结果。

 # 仅使用基础 RV32I 指令将 6 乘以 7。
li   a0, 6 # 被乘数，每轮翻倍
li   a1, 7 # 乘数，从其最低位读取
li   a2, 0 # 累计总和
loop:
  beqz a1, done # 当乘数达到 0 时停止
  andi t0, a1, 1 # 分离最低位
  beqz t0, skip # 当该位为 0 时跳过加法
  add  a2, a2, a0 # 加上当前翻倍后的值
skip:
  slli a0, a0, 1 # 将被乘数翻倍
  srli a1, a1, 1 # 将乘数右移以暴露其下一位
  j    loop
done:
  mv   a0, a2 # 将结果移入 a0 以便打印
  li   a7, 1 # 服务 1 = 打印整数
  ecall
  li   a7, 10 # 服务 10 = 退出
  ecall

该程序以纸上长乘法相同的方式将两个数相乘，但它用二进制数字代替十进制数字。乘数7在二进制中是111。循环使用andi读取乘数的最低位，当该位为1时，它将另一个数的当前值加到累计总数中。slli然后将另一个数加倍，srli将乘数右移，以便下一轮读取下一位。当乘数达到0时循环结束，程序打印42。在没有M扩展的芯片上，乘数的每一位都需要若干条指令，这使处理器保持更小并降低其功耗。

UFMG 的编译器实验室由 Fernando Pereira 教授协调，编写了 BlueMacaw 的软件开发工具包（SDK），即程序员为芯片编写程序而安装的工具和代码包^[3]。它的编译器是 GCC，一种广泛使用的自由编译器，可将 C 和 C++ 翻译为机器码，并针对 RISC-V 配置。该工具包还包含汇编器，将汇编翻译为机器码；链接器，将翻译后的各部分连接成一个程序；以及 GDB 调试器，通过名为 OpenOCD 的工具连接到芯片。程序以裸机方式运行，直接在硬件上运行，下面没有操作系统，工具包提供准备芯片的启动代码、内存分配，以及外设（用于定时器、串行通信、模拟输入和蓝牙的内置电路）的驱动程序^[2]。

在南里奥格兰德联邦大学（UFRGS），Anderson I. Silva、Altamiro Susin、Fernanda L. Kastensmidt、Antonio Carlos S. Beck 和 José Rodrigo Azambuja 设计了 NoX，一个 32 位 RISC-V 核心，即芯片中执行指令的部分，并将其设计作为开源发布，以便任何人都可以阅读、使用和修改它。NoX 具有 4 级流水线，旨在用于在网络边缘设备中组合多个小型核心的芯片，例如在收集数据的地方处理数据的传感器。它在 SBCCI 2024，巴西集成电路与系统设计研讨会上展示^[6]。

2024 年 3 月 15 日，坎皮纳斯的 Instituto Eldorado 和 Unicamp 的研究人员与巴塞罗那超级计算中心签署协议，在 RISC-V 处理器内构建矩阵乘法加速器，属于 PPI-Softex 计划，并得到 MCTI 支持^[7]。加速器是专用于一种计算的电路，而矩阵乘法是人工智能模型执行最多的计算。2025 年 8 月，政府描述了为国家科学计算实验室（LNCC）建设的国家超级计算机，属于巴西人工智能计划（PBIA），初期约有 5,000 个图形处理器，后期阶段将采用来自 Unicamp、巴塞罗那中心和 Eldorado 的 RISC-V 加速器和处理器^[8]。

RISC-V International 是维护 RISC-V 规范的组织，这些规范是定义每条指令的文件。2024 年 2 月，巴西作为高级会员加入，这是该组织的最高会员级别，席位由 MCTI^[9] 持有。MCTI 半导体技术总协调员 Alessandro Campos 是董事会成员^[11]，Unicamp 的 Guido Araujo 教授在技术指导委员会中代表 MCTI，该委员会负责对新扩展和规范变更进行投票^[10]。

Brasil Semicon 由 2024 年 9 月 11 日的第 14.968 号法律创建，将信息法和 PADIS 税收优惠延长至 2029 年，并使芯片设计、研究、显示器和太阳能电池板生产以及专家培训与芯片制造一样符合资格^[12]。

国家微电子计划通过 CI Inovador 培训芯片设计师，这是由 Softex 协调的驻留项目，参与者在学习和从事电路设计期间每月获得 5,000 雷亚尔的奖学金^[14,22]。2026 年 6 月，UFSM 的电气工程研究生项目创建了微电子和集成电子系统的研究方向，在领导 BlueMacaw 的团队中设有硕士和博士名额^[13]。

巴西以当前尺寸设计芯片，但没有能够制造它们的工厂。CEITEC 的工艺在 0.6 微米，即 600 纳米下运行，约为 BlueMacaw 所用 22 纳米的 27 倍，因此像 BlueMacaw 这样的巴西设计在国外制造^[5,15]。Chip do Boi 也在德国和美国的 X-FAB 工厂实现了量产，而 CEITEC 在阿雷格里港制造了原型和小批量产品^[15,16]。

1984 年第 7.232 号法律《国家信息政策》将国内计算机市场保留给巴西资本的公司八年^[24]。当保留在 1992 年结束且市场向进口开放时，许多受保护的公司无法与外国制造商竞争，关闭或被收购，通常是被跨国公司收购^[24]。Transit、Philco 和 SID 的半导体工厂已分别于 1981 年、1984 年和 1997 年关闭^[25]。

如今巴西的芯片生产集中在封装，即最后阶段，成品芯片从硅晶圆（许多芯片一起制造的薄圆盘）上切割下来，并密封在保护壳中。该国有五个封装集团运营，主要针对计算机和手机中使用的存储芯片^[25]。2015 年国家开发银行 BNDES 的一项研究将巴西描述为少数没有本地芯片制造的大型经济体之一，并记录了半导体贸易逆差，即进口超过出口的金额，从 1992 年的不到 5 亿美元增长到 2013 年和 2014 年的每年约 50 亿美元^[26]。

SIX Semicondutores后来更名为Unitec，是建立芯片工厂的最大私人尝试。它位于米纳斯吉拉斯州里贝朗达斯内维斯，于2005年构思，Eike Batista是其创始人之一。它从BNDES、米纳斯吉拉斯州开发银行（BDMG）和私人合作伙伴那里获得了约12亿雷亚尔，IBM持有该公司18.8%的股份并提供了其技术^[27]。2015年公共银行暂停信贷，雷亚尔贬值提高了进口设备的成本，IBM在出售自己的芯片制造业务后于2019年离开^[27]。该工厂从未生产过商用芯片。它进入了司法重整，即法院监督下的债务重组，欠款约6亿雷亚尔^[27]。

CI-Brasil项目创建于2005年，在2019年资金耗尽之前，在三个中心培训了1,000多名芯片设计师^[25]。2002年的国家微电子项目发展到20家设计公司，其中7家在2023年仍然存在^[25]。2021年1月，总统Jair Bolsonaro发布了两项否决，删除了补充法177的条款。一项条款禁止冻结FNDCT（国家科学基金）中的资金，另一项将2020年未使用的资金结转到2021年，使该基金的42亿雷亚尔被冻结^[28]。

CEITEC 几乎关闭。2020 年 12 月 16 日的第 10.578 号法令根据投资伙伴关系计划委员会的建议授权其解散^[17]。政府给出了三个理由：每年至少 5,000 万雷亚尔的联邦转移支付以弥补运营赤字，2015 年至 2017 年间每年 2,390 万至 4,960 万雷亚尔的亏损，以及没有买家^[17,23]。联邦审计法院（TCU）在发现理由中存在无法克服的弱点后，于 2021 年 9 月 1 日暂停了该程序，其中包括它忽视了公共投资和积累知识的损失^[18]。2023 年 11 月 6 日的第 11.768 号法令撤销了解散^[19]。2024 年 12 月，MCTI 批准了国家科学基金（FNDCT）的 2.2 亿雷亚尔，将该工厂转换为用于太阳能逆变器和电动汽车的碳化硅功率芯片^[20]。2025 年联邦预算给 CEITEC 拨款 6,000 万雷亚尔，其总裁 Augusto Gadelha 表示，转换需要数亿雷亚尔并将被推迟^[29]。2026 年 5 月，MCTI 促成了 CEITEC 与中国公司 Global Power Technology 之间为该生产的合作^[21]。

2026 年 10 月，坎皮纳斯的埃尔多拉多研究所启动了一项国家项目，在 RISC-V 架构上设计人工智能处理器。坎皮纳斯州立大学（Unicamp）与该研究所共同牵头，雷纳托·阿彻信息技术中心也参与其中^[30]。科技创新部通过 FNDCT、BNDES 和 FINEP 在第一年投入 5000 万雷亚尔，后续阶段还计划投入约 7500 万雷亚尔^[30]。该设计是一种矩阵加速器：将多颗芯片组合在一块板上，执行 AI 模型所需的算术运算。它面向图像生成等专用工作负载，而非通用语言模型的训练^[30]。

该项目延续了本文所述的工作路线。BlueMacaw 证明了巴西的联合体能够将开放指令集推进到可工作的硅片，而该加速器将同样的开放性应用于高性能计算。其动机是经济性的：巴西每年进口约 80 亿美元的半导体，国产加速器可将其中一部分支出留在国内。这项工作构成了巴西人工智能计划的一部分，该计划也正是国家超级计算机背后的同一项目^[33]。

芯片需要的不仅是上图所示的金属。制造工厂还依赖气体运转。氦气在加工过程中冷却晶圆，使腔室免受污染空气的影响，并用于探测微观泄漏；氖气则承载将图案刻入硅片的激光光束。2026 年 10 月，美国能源部将氦气列为关键材料：半导体制造离不开它，而全球供应集中在少数国家^[34]。本页的自然资源面板列出了支撑电子产品生产的材料和气体，并标明了该国在本国领土内开采或生产的部分。

标记表示产量，而非储量。乌克兰拥有欧洲最大的锂资源之一，却尚未开始开采；巴西完全不生产氦气，因此任何国产制造计划都继承了这一进口依赖。氖气是最鲜明的例子：2022 年之前，乌克兰供应了全球约一半的半导体级氖气，而入侵摧毁了那部分生产^[35]。金属与气体共同决定了一个国家能在多大程度上建立国内芯片产业，而没有哪个国家拥有全部这些资源。

本页的地图将公开数据集可视化。主要来源列于下方。