Por mais de 50 anos, designers de chips de computador usaram principalmente uma tática para aumentar o desempenho: eles encolheram os componentes eletrônicos para colocar mais energia em cada pedaço de silício.
Então, mais de uma década atrás, os engenheiros da fabricante de chips Microdispositivos Avançados começou a brincar com uma ideia radical. Em vez de projetar um grande microprocessador com um grande número de minúsculos transistores, eles conceberam a criação de um a partir de chips menores que seriam empacotados juntos para funcionar como um cérebro eletrônico.
O conceito, às vezes chamado de chiplets, pegou em grande escala, com AMD, Apple, Amazon, Tesla, IBM e Intel apresentando tais produtos. Chiplets ganharam força rapidamente porque chips menores são mais baratos de fabricar, enquanto pacotes deles podem superar o desempenho de qualquer fatia de silício.
A estratégia, baseada em tecnologia de embalagem avançada, desde então se tornou uma ferramenta essencial para permitir o progresso em semicondutores. E representa uma das maiores mudanças em anos para uma indústria que impulsiona inovações em áreas como inteligência artificialcarros autônomos e equipamentos militares.
“A embalagem é onde a ação vai acontecer”, disse Subramanian Iyer, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que ajudou a criar o conceito de chiplet. “Está acontecendo porque na verdade não há outra maneira.”
O problema é que esse tipo de embalagem, assim como a própria fabricação de chips, é predominantemente dominada por empresas da Ásia. Embora os Estados Unidos representem cerca de 12 por cento da produção global de semicondutores, as empresas americanas fornecem apenas 3 por cento da embalagem de chips, de acordo com a IPC, uma associação comercial.
Essa questão agora colocou chiplets no meio da formulação de políticas industriais dos EUA. O Lei CHIPSum pacote de subsídios de US$ 52 bilhões que passou no verão passadofoi vista como uma medida do presidente Biden para revigorar a fabricação doméstica de chips, fornecendo dinheiro para construir fábricas mais sofisticadas chamados de “fabs”. Mas parte disso também visava alimentar as fábricas de embalagens avançadas nos Estados Unidos para capturar mais desse processo essencial.
“À medida que os chips ficam menores, a maneira como você organiza os chips, que é a embalagem, é cada vez mais importante e precisamos que isso seja feito na América”, disse o secretário de Comércio Gina Raimondodisse em um discurso na Universidade de Georgetown em fevereiro.
O Departamento de Comércio é agora aceitando pedidos de subsídios de fabricação do CHIPS Act, inclusive para fábricas de embalagens de chips. Também está destinando recursos para um programa de pesquisa especificamente em embalagens avançadas.
Algumas empresas de embalagens de chips estão se movendo rapidamente para o financiamento. Uma delas é a Integra Technologies em Wichita, Kansas, que anunciou planos para uma expansão de US$ 1,8 bilhão, mas disse que isso dependia do recebimento de subsídios federais. A Amkor Technology, um serviço de embalagens do Arizona que tem a maior parte de suas operações na Ásia, também disse que estava conversando com clientes e funcionários do governo sobre a presença de produção nos EUA.
Empacotar chips juntos não é um conceito novo e os chiplets são apenas a mais recente iteração dessa ideia, usando avanços tecnológicos que ajudam a amontoar os chips – lado a lado ou empilhados uns sobre os outros – junto com conexões elétricas mais rápidas entre eles .
“O que há de único nos chiplets é a maneira como eles são conectados eletricamente”, disse Richard Otte, presidente-executivo da Promex Industries, um serviço de empacotamento de chips em Santa Clara, Califórnia.
Os chips não podem fazer nada sem uma maneira de conectá-los a outros componentes, o que significa que precisam ser colocados em algum tipo de pacote que possa transportar sinais elétricos. Esse processo começa depois que as fábricas concluem a fase inicial de fabricação, que pode criar centenas de chips em um wafer de silício. Depois que o wafer é cortado, os chips individuais são normalmente ligados a uma camada de base chave chamada substrato, que pode conduzir sinais elétricos.
Essa combinação é então revestida em plástico protetor, formando um pacote que pode ser conectado a uma placa de circuito que é essencial para a conexão com outros componentes de um sistema.
Esses processos originalmente exigiam muito trabalho manual, levando as empresas do Vale do Silício a transferir as embalagens para países com salários mais baixos na Ásia há mais de 50 anos. A maioria dos chips normalmente é enviada para serviços de embalagem em países como Taiwan, Malásia, Coreia do Sul e China.
Desde então, os avanços em embalagens ganharam importância devido aos retornos decrescentes de lei de Moore, a expressão abreviada para miniaturização de chips que por décadas impulsionou o progresso no Vale do Silício. É nomeado para Gordon Mooreco-fundador da Intel, cujo artigo de 1965 descrevia a rapidez com que as empresas dobraram o número de transistores em um chip típico, o que melhorou o desempenho a um custo menor.
Mas hoje em dia, os transistores menores não são necessariamente mais baratos, em parte porque a construção de fábricas para chips de ponta pode custar de US$ 10 bilhões a US$ 20 bilhões. Chips grandes e complexos também são caros para projetar e tendem a ter mais defeitos de fabricação, mesmo quando empresas em áreas como IA generativa desejam mais transistores do que atualmente podem ser colocados nos maiores chips que as máquinas de fabricação permitem.
“A resposta natural a isso é colocar mais coisas em um pacote”, disse Anirudh Devgan, executivo-chefe da Cadence Design Systems, cujo software é usado para projetar chips convencionais, bem como produtos do tipo chiplet.
A rival Synopsys disse que estava rastreando mais de 140 projetos de clientes com base no empacotamento de vários chips. Até 80% dos microprocessadores usarão designs no estilo chiplet até 2027, de acordo com a empresa de pesquisa de mercado Yole Group.
Hoje, as empresas geralmente projetam todos os chiplets em um pacote junto com sua própria tecnologia de conexão. Mas grupos da indústria estão trabalhando em padrões técnicos para que as empresas possam montar produtos com mais facilidade a partir de chiplets de diferentes fabricantes.
A nova tecnologia é usada principalmente agora para desempenho extremo. A Intel lançou recentemente um processador chamado Ponte Vecchio com 47 chiplets que será usado em um poderoso supercomputador no Argonne National Laboratory, que fica perto de Chicago.
Em janeiro, a AMD divulgou planos para um produto incomum, o MI300, que combina chips para cálculos padrão com outros projetados para gráficos de computador, juntamente com um grande conjunto de chips de memória. Esse processador, destinado a alimentar outro supercomputador avançado no Lawrence Livermore National Laboratory, tem 146 bilhões de transistores, em comparação com dezenas de bilhões dos chips convencionais mais avançados.
Sam Naffziger, um vice-presidente sênior da AMD, disse que não era um slam dunk para a empresa apostar seu negócio de chips para servidores em chiplets. As complexidades da embalagem foram um grande obstáculo, disse ele, que acabou sendo superado com a ajuda de um parceiro não revelado.
Mas os chiplets valeram a pena para a AMD. A empresa vendeu mais de 12 milhões de chips com base na ideia desde 2017, de acordo com a Mercury Research, e se tornou um importante player em microprocessadores que alimentam a web.
Os serviços de embalagem ainda precisam de outros para fornecer os substratos que os chiplets precisam para se conectar às placas de circuito e uns aos outros. Uma empresa que está impulsionando o boom dos chiplets é Empresa de Fabricação de Semicondutores de Taiwanque já fabrica chips para a AMD e centenas de outros e oferece um substrato avançado baseado em silício chamado interposer.
A Intel vem desenvolvendo tecnologia semelhante, bem como aprimorando substratos plásticos convencionais mais baratos em uma abordagem preferida por alguns, como a Eliyan, uma startup do Vale do Silício. A Intel também vem desenvolvendo novos protótipos de embalagens sob um programa do Pentágono e espera obter o apoio do CHIPs Act para uma nova fábrica piloto de embalagens.
Mas os Estados Unidos não têm grandes fabricantes desses substratos, que são produzidos principalmente na Ásia e evoluíram a partir de tecnologias usadas na fabricação de placas de circuito. Muitas empresas americanas também abandonaram esse negócio, outra preocupação que os grupos da indústria esperam que estimule o financiamento federal para ajudar os fornecedores de papelão a começar a fabricar substratos.
Em março, Biden emitiu uma determinação de que embalagens avançadas e produção de placas de circuito doméstico eram essenciais para a segurança nacional e anunciou US$ 50 milhões em financiamento da Lei de Produção de Defesa para empresas americanas e canadenses nessas áreas.
Mesmo com esses subsídios, reunir todos os elementos necessários para reduzir a dependência dos EUA das empresas asiáticas “é um grande desafio”, disse Andreas Olofsson, que dirigiu um esforço de pesquisa do Departamento de Defesa no campo antes de fundar uma startup de embalagens chamada Zero ASIC. “Você não tem fornecedores. Você não tem uma força de trabalho. Você não tem equipamento. Você tem que começar do zero”.
Ana Swanson relatórios contribuídos.
