Computação
Aproveitando Simulações para Trazer a Fabricação de Chips de Volta aos Estados Unidos
Embora os microchips sempre tenham sido importantes para o mundo moderno, foi somente com o choque da cadeia de suprimentos de 2022 que governos e indústrias perceberam sua importância crítica para a economia global. A escassez foi tão grave que as indústrias não tiveram outra opção senão interromper suas enormes linhas de montagem.
Então, por que os microchips são tão importantes para a economia global? Simplificando, os microchips são a espinha dorsal da indústria tecnológica moderna, essenciais para tudo, desde computadores pessoais, smartphones, eletrodomésticos, carros, dispositivos médicos e até mesmo em alguns animais de estimação domésticos para fins de identificação.
Mas, apesar dessa importância crítica, apenas alguns países conseguem realmente fabricar microchips funcionais, já que essa empreitada ultrapassa os limites da engenharia de precisão e da inovação tecnológica. Afinal, a fabricação de microchips não é apenas uma indústria intensiva em capital, mas também requer trabalhadores com um conjunto de habilidades altamente especializado, que inclui, entre outros, física, ciência dos materiais e engenharia elétrica.
Além disso, as instalações onde esses microchips são fabricados, conhecidas como fabs, exigem condições ambientais rigorosas para o processo de produção. Isso envolve manter temperaturas e níveis de umidade específicos e minimizar a contaminação ao máximo.
Mesmo que tais condições perfeitas sejam atendidas, o processo de fabricação envolve múltiplas etapas, e cada etapa deve ser executada com perfeição. Qualquer erro pode tornar os microchips inutilizáveis.
Além disso, os avanços tecnológicos contínuos exigem chips menores e mais eficientes, colocando pressão adicional sobre as fabs. E, quando elas dominam a produção de uma geração específica de microchips, estes podem já estar obsoletos devido à falta de demanda.
Essas barreiras massivas tornam a fabricação de microchips em escala um desafio formidável para a maioria dos países, mesmo para aqueles com os bolsos mais profundos.
Mesmo os Estados Unidos, a superpotência tecnológica global e líder em design de semicondutores, não ocupam a posição de destaque quando se trata de fabricação de microchips, pois esse lugar cobiçado vai para Taiwan. Isso é resultado do investimento de décadas de Taiwan na fabricação de semicondutores e da presença de empresas como Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).
Essas complexidades mostram o quão desafiador é alcançar a autossuficiência em termos de microchips. No entanto, conforme um artigo recentemente publicado no site do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, seus cientistas estão desenvolvendo programas de computador que melhorarão consideravelmente a simulação dos processos de plasma usados na fabricação de microchips.
Esses novos algoritmos podem superar as técnicas de simulação tradicionais em termos de precisão e eficiência, acelerando o processo de produção de microchips e, por sua vez, ajudando a trazer a fabricação de chips de volta aos Estados Unidos.
Uma Abordagem Dual
O Laboratório de Física de Plasma de Princeton conduziu duas pesquisas simultaneamente, e suas áreas de foco diferiam em termos de objetivos.
- A primeira pesquisa focou em melhorar a precisão dessas simulações.
- O segundo objetivo de pesquisa foi acelerar os prazos de simulação para reatores de plasma utilizados na fabricação de microchips.
A Necessidade de Velocidade e Precisão nas Simulações de Plasma
Os padrões complexos que são gravados em wafers de silício para criar microchips são produzidos em grande parte usando reatores de plasma. O procedimento depende do comportamento do plasma, um gás eletricamente carregado que precisa ser cuidadosamente controlado para alcançar o resultado desejado.
Tradicionalmente, estimular o processo de plasma para prever resultados e melhorar os métodos de produção tem sido uma tarefa trabalhosa e demorada. É aí que a primeira pesquisa do PPPL entra em cena. Ela busca mudar essa situação criando algoritmos de computador que podem reduzir significativamente o tempo necessário para essas simulações.
E eles foram bem-sucedidos nisso, pois sua equipe reduziu o prazo de simulação de semanas para potencialmente dias ou até horas, sem sacrificar detalhes significativos. Quanto ao modo como os cientistas do PPPL fizeram isso, eles revisitaram a história e refinaram os algoritmos antigos, particularmente aqueles criados na década de 1980, para alcançar os resultados desejados.
Abordando a Precisão da Simulação
Em sua segunda linha de pesquisa, a equipe de pesquisadores do PPPL abordou o problema da precisão da simulação. Dada a complexidade do comportamento do plasma, garantir que as simulações reflitam de perto as reações do mundo real é crucial para métodos eficientes de produção de microchips. No entanto, a necessidade de um computação significativa para simular com precisão o comportamento de inúmeros partículas de plasma tem sido historicamente bastante desafiadora.
Para enfrentar esse problema, a equipe de pesquisa do PPPL simplificou a representação das partículas de plasma nas simulações. Em vez de tentar contabilizar cada partícula individualmente, eles desenvolveram um método para agrupá-las em entidades maiores e mais manejáveis. Essa abordagem reduz significativamente a carga computacional, levando a simulações mais rápidas e acessíveis.
Inicialmente, porém, essa simplificação corria o risco de distorcer a verdadeira dinâmica do comportamento do plasma, potencialmente levando a previsões menos precisas. Para contornar esse obstáculo, os pesquisadores ajustaram os parâmetros da simulação, tornando esses aglomerados de partículas maiores e menos densos. Essa modificação garante que as previsões da simulação permaneçam intactas, já que as interações das partículas irão imitar mais de perto as do plasma real.
Esse equilíbrio cuidadoso entre precisão e simplificação tem um potencial significativo para aprimorar os processos de fabricação de microchips.
Um Catalisador para a Mudança
A pesquisa do PPPL tem importância além do domínio técnico, pois traz implicações para a dinâmica estratégica do mercado global de semicondutores, especialmente para os Estados Unidos. Afinal, essa descoberta tem o potencial de redefinir o cenário de fabricação de microchips nos EUA, fornecendo ferramentas que podem reduzir o tempo e os custos envolvidos na produção de microchips. A capacidade de adaptar rapidamente e melhorar os processos de produção é crucial em uma indústria onde a liderança de mercado frequentemente depende do ritmo da inovação.
Além disso, a disponibilidade de ferramentas avançadas de simulação pode nivelar o campo de jogo, permitindo que startups e pequenas empresas dos EUA concorram de forma mais eficaz contra gigantes globais estabelecidos. Isso poderia desencadear uma onda de inovação no setor de semicondutores americano à medida que mais empresas entram no mercado e forneçam ideias e metodologias novas para projetar e produzir microchips.
Fortalecendo a Segurança Nacional e a Resiliência Econômica
As turbulências globais atuais e as tensões geopolíticas tornaram as cadeias de suprimentos vulneráveis. Essa dependência de outros países para componentes essenciais como microchips representa um risco nacional. Os EUA perceberam a extensão desse risco durante o choque de suprimentos de semicondutores de 2022, concluindo que qualquer interrupção no fornecimento de microchips poderia impactar gravemente a dominância global da indústria tecnológica dos EUA.
O estudo do PPPL está alinhado com iniciativas governamentais mais amplas, como o CHIPS Act, que visa restaurar a dominância americana na indústria de semicondutores. Promulgado em 9 de agosto de 2022, como o CHIPS and Science Act, ele destina quase US$ 280 bilhões em financiamento para reforçar a fabricação doméstica de semicondutores e reduzir a dependência de fontes estrangeiras. O financiamento apoia pesquisa e desenvolvimento, incentivos à fabricação doméstica e medidas de fortalecimento da cadeia de suprimentos.
A mudança em direção à garantia e revitalização de nossas capacidades de semicondutores não se trata apenas de manter a resiliência econômica e a segurança nacional; é também um passo crucial para abrir caminho à próxima revolução na manufatura e tecnologia — Indústria 4.0.
Construindo o Pilar Fundamental para a Indústria 4.0
A IBM vê a Indústria 4.0 como algo em que a manufatura inteligente terá um papel fundamental. Em outras palavras, a Indústria 4.0 pretende transformar digitalmente o campo da manufatura, onde as decisões serão tomadas em tempo real, aumentando a produtividade para alcançar o objetivo final de tornar o processo de produção e distribuição otimamente flexível e ágil.
Para que os Estados Unidos se tornem líderes na Indústria 4.0, os microchips serão mais que necessários. Um estudo da Goldman Sachs já mostrou que a escassez de microchips pode afetar até 169 indústrias, incluindo tecnologia médica, máquinas agrícolas, eletrônicos de consumo, energia e empresas. Em 2021, por exemplo, a renomada fabricante de automóveis Renault não pôde produzir até 500.000 carros devido à falta de microchips.
Essa vulnerabilidade destaca a natureza crítica da questão, já que o aumento da dependência de Taiwan, como mencionado anteriormente, pode significar uma interrupção repentina na cadeia de suprimentos, como ocorreu durante a pandemia de COVID-19, o que resultaria no colapso total do sistema.
O Futuro dos Estados Unidos na Produção de Microchips
Os Estados Unidos perceberam bem o quão cruciais os microchips podem ser para um futuro econômico resiliente e autossuficiente. Essa percepção levou o país a incentivar sistemas onde o resultado são microchips de classe mundial.
A George Washington University e quatro outros parceiros de pesquisa acadêmica, por exemplo, colaboraram com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia do Departamento de Comércio dos Estados Unidos, o Google e o fabricante de semicondutores SkyWater Technology para desenvolver um ‘fornecimento doméstico e acessível de tais microchips para pesquisadores e startups.
Esta colaboração tem como objetivo produzir wafers de silício que abrigarão centenas de microchips para distribuição entre a comunidade. Os pesquisadores terão acesso a uma plataforma de chip pré-planarizada, que é ‘adequada para integração e para comparar o desempenho de seus dispositivos inovadores com outros dispositivos da comunidade.’
De acordo com Gina Adam, professora assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da GW, a parceria fornecerá:
A infraestrutura de pesquisa necessária para avançar no campo da nanotecnologia e dispositivos semicondutores, particularmente à medida que os Estados Unidos mudam seu foco estratégico para a relocalização da produção de microchips.
Para impulsionar a produção doméstica de microchips, o governo dos Estados Unidos declarou seus planos de investir quase US$ 162 milhões na Microchip Technology, sediada no Arizona. A colaboração entre a empresa, o governo dos EUA e a companhia será na forma de um memorando preliminar de termos (PMT) não vinculativo.
O governo dos EUA fornecerá milhões em ‘incentivos federais’, que serão direcionados para duas frentes: US$ 90 milhões serão gastos na modernização e expansão da instalação de fabricação da empresa em Colorado Springs, e os restantes US$ 72 milhões serão destinados à expansão da instalação da empresa em Gresham, Oregon.
Um financiamento semelhante de US$ 35 milhões foi anteriormente oferecido à BAE Systems Electronic Systems, uma unidade de negócios da BAE Systems, Inc. O objetivo era apoiar a modernização do Centro de Microeletrônica da empresa.
Resumindo, os Estados Unidos tornaram-se visivelmente ativos, tanto em nível de política quanto de execução, para incentivar a produção de microchips no país. E eles têm todas as razões para agir com tanto vigor e intensidade. Não é essencial que as linhas de suprimento de computadores, smartphones e carros permaneçam inalteradas. Como já vimos, a presença de microchips pode fortalecer os mecanismos de segurança nacional e as estruturas de cibersegurança.
A abordagem de 360 graus das autoridades dos EUA leva em conta a necessidade de incentivar a fabricação, estimular a pesquisa e desenvolvimento, promover uma força de trabalho qualificada e fortalecer as atividades relacionadas à segurança da tecnologia da informação e comunicação internacional e à cadeia de suprimentos de semicondutores.
Os bilhões de dólares que as autoridades dos EUA estão prontas a investir para tornar a produção de microchips uma empresa doméstica próspera também conseguiram atrair players globais.
Por exemplo, o maior e mais significativo player no mapa, a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), comprometeu mais de US$ 12 bilhões para construir uma fábrica de semicondutores no Arizona. A Intel tem planos de construir uma fábrica de semicondutores de US$ 20 bilhões em Ohio. A Micron Technology, Inc. tem planos ainda mais ambiciosos, propondo investir até US$ 100 bilhões nas próximas duas décadas para construir uma enorme fábrica de semicondutores no norte de Nova York.
Com todas essas iniciativas e planos de ação em vigor, não há razão para que os Estados Unidos fiquem para trás na corrida pela produção de microchips. No entanto, para competir com os países da Ásia Oriental que ocupam quase três quartos da fabricação global de chips modernos, os Estados Unidos precisarão construir um pipeline robusto de talentos e cadeia de suprimentos. Também precisarão estar atentos à demanda para permanecer protegidos dos riscos de supercapacidade e excesso de oferta. Além disso, o foco deve permanecer na priorização da produção dos tipos corretos de chips.
De acordo com Scott Kenedy, conselheiro sênior do Center for Strategic and International Studies:
“Os EUA precisam expandir a produção de chips para um tipo específico de chips que estão diretamente relacionados à segurança nacional americana.”
Se os EUA conseguirão aumentar a fabricação de microchips e, ainda, da maneira otimizada correta, é algo que teremos que observar atentamente.
