Una ambiciosa empresa emergente de semiconductores que pasó más de siete años intentando en silencio rediseñar la arquitectura de la memoria de los computadores acaba de salir del sigilo, y cree que su nuevo enfoque puede ayudar a aliviar el faltante global de chips de memoria, siempre que logre producir su tecnología a escala.
Kepler Computing, con sede en San José, California, y fundada en 2018 por un equipo de físicos y científicos de la computación, afirma haber desarrollado una nueva arquitectura para la memoria de alto ancho de banda, conocida como HBM, que ataca directamente algunos de los cuellos de botella que restringen el mercado del cómputo.
¿Cómo esquiva la litografía EUV?
Mientras los fabricantes de chips suelen depender de la costosa litografía ultravioleta extrema, o EUV, para achicar los transistores y meter más tecnología en el mismo espacio, Kepler sostiene que su apilamiento en tres dimensiones y un material propietario nuevo le permiten aumentar la densidad sin recurrir en absoluto a EUV, y trabajar con las plantas de fabricación de semiconductores ya existentes.
La empresa dice haber logrado avances similares en la memoria caché de alta velocidad que se usa típicamente en CPU, GPU y otros procesadores. Esa memoria, llamada SRAM, se ubica dentro del núcleo del chip para recortar los tiempos de transferencia de datos. La HBM, en cambio, usa pilas de DRAM, que es un componente de memoria separado.
Kepler ha levantado 468 millones de dólares en financiamiento durante los últimos años, con respaldo de nombres pesados como GlobalFoundries, Intel Capital, AMD Ventures, el fondo británico Baillie Gifford y Bill Gates, a través de su fondo privado Gates Frontier. En julio, el Departamento de Comercio de Estados Unidos se comprometió a entregarle hasta 245 millones de dólares para desarrollar en ese país una nueva clase de tecnología de memoria para IA de alto rendimiento.
Por ahora, buena parte de las pruebas de Kepler ocurre en Singapur, donde GlobalFoundries, socio de manufactura e inversionista con 50 millones de dólares, tiene instalaciones. Durante los últimos dos años, Kepler ha estado levantando lo que llama minifábricas, donde produce sus chips de memoria junto con los chips de 28 nanómetros de GlobalFoundries. También ha corrido pruebas en las instalaciones de la empresa en Burlington, Vermont.
Algunos de los principales fabricantes de memoria del mundo, entre ellos SK Hynix y Micron, corren a construir fábricas multimillonarias para atender la demanda, apostando a que incluso cuando esas instalaciones estén operativas la industria seguirá buscando memoria de alto ancho de banda.
"Durante mucho tiempo nuestra idea fue trabajar primero en SRAM y después seguir con DRAM y HBM", dice Debo Olaosebikan, cofundador y director ejecutivo de Kepler Computing. "Pero con el lanzamiento de ChatGPT en 2022 y la explosión de demanda por una alternativa de HBM, empezamos a trabajar en nuestra hoja de ruta de HBM. Ahora estamos fabricando SRAM y HBM en paralelo."
"No entramos pensando que esto sería un reemplazo de la DRAM ni de la SRAM", dice Srini Ananth, director gerente de Intel Capital. "Supusimos que el mercado lo dictaría, y ahora se está viendo demanda por ambas."
Al saltarse la litografía ultravioleta, Kepler se suma a un puñado de empresas emergentes que buscan evitar uno de los grandes cuellos de botella de la manufactura de semiconductores. La firma asegura que puede producir SRAM con la misma densidad que los chips de 2 o 3 nanómetros sin tener que invertir en EUV.
"El enfoque de Kepler cae justo en el punto dulce de nuestra estrategia", dice Ed Kaste, vicepresidente senior del negocio CMOS de GlobalFoundries. "Es un sistema de materiales nuevo, con potencial de escalamiento multigeneracional, sin tener que construir sistemas completamente nuevos en la fábrica ni invertir en equipamiento de litografía carísimo."
¿En qué consiste el material nuevo?
El argumento central de Kepler es que el mercado de la computación acelerada no debería tener que esperar a que se construyan fábricas de memoria completamente nuevas para satisfacer la demanda. En cambio, nuevos métodos para fabricar memoria dentro de las plantas existentes pueden aumentar la oferta.
El enfoque tiene dos partes. Para mejorar la HBM, Kepler dice haber desarrollado una técnica novedosa de manufactura en tres dimensiones que acomoda más chips de memoria dentro de una superficie fija. El núcleo de cómputo puede entonces quedar más cerca de la memoria, de modo que el viaje de los datos entre ambos consume menos energía. La meta última es mover datos dentro de la HBM con un gasto energético comparable al de la SRAM, manteniendo la gran capacidad de la HBM.
Kepler también afirma haber mejorado la densidad de la SRAM usando ferroeléctricos, que pueden leer y escribir datos a voltajes más bajos que los mecanismos habituales. Lo consiguió desarrollando un material compuesto nuevo, de bajo voltaje, que funciona con ese enfoque ferroeléctrico.
Sasi Manipatruni, cofundador y director de tecnología, cuenta que el equipo pasó por 35 iteraciones de compuestos antes de dar con una clase de material que consideraron capaz de hacer los chips de memoria más fáciles y baratos de producir.
En sus primeras instalaciones con GlobalFoundries, Kepler dice haber logrado convertir una fábrica en una planta de próxima generación en apenas ocho meses, frente a los 24 meses que suele tomar el proceso.
La apuesta de fondo es aritmética: cualquier costo adicional derivado de los materiales nuevos o de reacondicionar fábricas existentes quedaría muy por debajo de los 20.000 a 40.000 millones de dólares que cuesta construir plantas nuevas y equiparlas con maquinaria que vale cientos de millones.
¿Qué falta para llegar a escala?
Kepler Computing todavía tiene un camino largo antes de alcanzar producción a escala completa, suponiendo que llegue. A la fecha, la empresa ha corrido su tecnología sobre alrededor de 2.000 obleas. Planea despachar sus primeras muestras de chips HBM este año, escalar la producción desde Singapur el próximo y comenzar la producción de chips en Estados Unidos en 2028.
Kaste, el ejecutivo de GlobalFoundries, dice estar confiado en que los avances fundamentales ya ocurrieron y que lo que resta es conseguir buenos resultados sobre miles de obleas y millones de dispositivos.
También advierte un desafío específico del sistema de materiales que usa Kepler: incluye hierro en su compuesto. "El hierro es un contaminante difícil de introducir en una instalación de producción. Así que la solución de Kepler tiene que correr en equipamiento dedicado, o estar completamente encapsulada para que no pueda escapar", señala.
Olaosebikan no quiso confirmar los elementos específicos del material compuesto de la empresa. Lo único que aceptó decir es que usan un número reducido de materiales, y que algunos de ellos no son los que uno encontraría típicamente en los ferroeléctricos convencionales.
Kepler no es la única empresa emergente que busca dar vuelta la industria de los semiconductores. A fines del año pasado, una firma bien financiada llamada Substrate también hizo ruido por su nuevo enfoque de litografía, que usa nanopartículas para grabar detalles en chips avanzados. Algunos analistas de la industria se mostraron escépticos, según reportó Bloomberg, advirtiendo lo difícil que resultaría producir grandes volúmenes cumpliendo especificaciones estrictas, a tiempo y dentro del presupuesto.
La escala es un desafío común al intentar innovar en manufactura de semiconductores, sea con procesos nuevos, materiales nuevos o alguna combinación. "La pregunta es cómo superar todas las limitaciones de contaminación, materiales distintos y herramientas distintas, de modo que la innovación resultante se pueda usar a escala y valga el costo", dice Austin Lyons, analista de chips en Creative Strategies, quien no recibió información previa sobre la innovación de Kepler.
Demostrar un método nuevo para fabricar memoria es una cosa. Satisfacer la demanda histórica que existe hoy será otra completamente distinta.
