Universidades suíças criam chips eficientes com tecnologia aberta

As universidades utilizam tecnologia de código aberto na fabricação de processadores. Keystone / Laurent Gillieron

A Suíça está incentivando o desenvolvimento de chips de código aberto baseados na arquitetura RISC-V para criar semicondutores eficientes para IA, com baixo consumo de energia e menor dependência de tecnologias controladas por grandes empresas.

O uso intensivo da inteligência artificial impôs novas e pesadas demandas ao setor de semicondutores. Supercomputadores e centros de processamento de dados estão ávidos por chips especializados cada vez mais avançados.

Isso deu um impulso às universidades, como as escolas politécnicas federais (ETH e EPFL), que estão trabalhando no projeto de semicondutores de última geração. No entanto, a pesquisa e a produção desses chips são prejudicadas pelas restrições do que é chamado de “Arquitetura de Conjunto de Instruções” (ISA).

A ISA é essencialmente um tradutor que determina como os chips interagem com o software. E as ISAs mais comuns são controladas pela empresa americana Intel e pela empresa britânica ARM. Essas empresas cobram taxas para trabalhar com seus sistemas ISA e restringem como eles podem ser adaptados para novos designs de chips.

A resposta a esse dilema é uma ISA de código aberto chamada RISC-VLink externo, que foi desenvolvida na Universidade da Califórnia, em Berkeley, em 2010. A tecnologia foi transferida para uma fundação sem fins lucrativos em 2015, que se mudou dos Estados Unidos para Zurique em 2020: a Associação Internacional RISC-V.

A ETH foi um dos membros fundadores da associação em 2015. A alternativa de código aberto “cria uma infraestrutura para inovar”, de acordo com Luca Benini, professor do Departamento de TI e Engenharia Elétrica. “Os acadêmicos são essencialmente impedidos de projetar ou adaptar processadores em ISAs proprietárias”, afirmou. “Você precisa de permissão explícita do proprietário da ISA. Mudamos para a ISA de código aberto para nos dar liberdade de operação.”

Isso permitiu que pesquisadores da ETH desenvolvessem cerca de 75 chips ao longo dos últimos dez anos. A Suíça não compete frente a frente com países como Taiwan, Estados Unidos e China, que possuem grandes instalações de fabricação de chips. Em vez disso, a nação alpina se concentra em áreas de nicho, como o projeto de semicondutores de potência ultrabaixa que utilizam menos energia. “Projetamos processadores RISC-V especializados em aprendizado e inferência de máquina e no treinamento de LLM”, disse Benini. “Conseguimos demonstrar ganhos de eficiência de 100 vezes, o que representa uma melhoria única em uma geração.”

Isso é fundamental em uma era em que a IA e a expansão dos centros de processamento de dados (data centers) estão consumindo mais eletricidade. A indústria de semicondutores está “refinando cada parte do processo, reduzindo a computação desnecessária e otimizando para ser mais eficiente em termos de energia”, escreveu Alain-Serge Porret, vice-presidente de Sistemas Integrados e Sem Fio do Centro Suíço de Inovação Tecnológica (CSEM), em uma postagem no site Semiwiki. “Até mesmo as empresas líderes que antes defendiam a escala agressiva agora estão procurando como dimensionar adequadamente os chips para as realidades energéticas de hoje”, acrescentou.

A agência de inovação público-privada CSEMLink externo foi criada no início da década de 1980 pelo governo suíço para promover a colaboração entre instituições acadêmicas e a indústria, a fim de garantir que a Suíça acompanhe o ritmo dos desenvolvimentos tecnológicos.

A pesquisa de semicondutores do centro floresceu sob a égide do RISC-V. O CSEM começou a desenvolver processadores com seu próprio ISA, mas concluiu que a tarefa de gerenciar e manter todo o ecossistema consumia muito tempo. Isso exige uma equipe de desenvolvedores para manter a arquitetura atualizada e livre de bugs, além de serviços de suporte para empresas que aplicam a tecnologia em seus negócios.

Atribuir essa tarefa a uma comunidade de código aberto liberou recursos para pesquisa e inovação, disse Stéphane Emery, chefe do grupo de sistemas em um chip do CSEM. O RISC-V reúne mais de 4.500 instituições acadêmicas e empresas, como Google, Huawei, Siemens e Sony, sob o mesmo teto.

O grupo trabalha em conjunto para manter e fortalecer a ISA, adicionando novos aplicativos e ratificando novas extensões para a arquitetura. “Isso é importante para a pesquisa acadêmica porque podemos trocar ideias com outras universidades e empresas do mundo todo. É um ecossistema muito ativo que está em constante evolução”, disse.

O CSEM tem vínculos comerciais com várias marcas globais, incluindo um projeto para desenvolver um chip de potência ultrabaixa para smartphones e tablets com a multinacional United Semiconductor Japan (anteriormente conhecida como Fujitsu).

A EPFL também aproveitou o RISC-V em seus próprios projetos de pesquisa. Isso inclui o microcontrolador de código aberto X-HEEP, que permite aos pesquisadores criar e testar sistemas embarcados eficientes em termos de energia para computação de ponta de potência ultrabaixa, aplicações da Internet das Coisas e wearables biomédicos.

O ecossistema RISC-V de código aberto é vital para as instituições de pesquisa acadêmica na Suíça, de acordo com Benini, que o compara ao CERN, onde os físicos podem testar suas teorias usando o acelerador de partículas. “O RISC-V desempenha um papel semelhante como infraestrutura de pesquisa para sistemas de computação. É um ativo muito importante que permite que a pesquisa em software e hardware especializado chegue ao mundo exterior de forma concreta”, conclui.

Edição: Gabe Bullard/VdV

Adaptação: Alexander Thoele, com ajuda do Deepl