Como a DARPA está enfrentando os desafios da microeletrônica de longo prazo

Como a DARPA está enfrentando os desafios da microeletrônica de longo prazo

Carimbo de data / hora: 8 de setembro de 2023 9:00
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SEATTLE — Anos antes de os consumidores dos EUA sentirem o impacto da escassez da cadeia de abastecimento de semicondutores, a Agência de Projectos de Investigação Avançada de Defesa já estava a ponderar como enfrentar as barreiras tecnológicas de longo prazo enfrentadas pela indústria comercial e pela comunidade de segurança nacional.

Nos últimos 30 anos, os EUA passaram de produzir 37% do fornecimento global de microchips para cerca de 12%. Hoje, Taiwan produz a maior parte do fornecimento mundial de semicondutores avançados e a China exporta uma grande parte dos seus microchips para os Estados Unidos. Essas fichas alimenta tudo, desde telefones celulares até carros ao principal caça de quinta geração do Pentágono, o F-35.

Preocupação com o resultado Dependência dos EUA de cadeias de fornecimento de microeletrônica no exterior atingiu o mainstream durante a pandemia de COVID-19, quando a escassez de fornecimento de microchips fez com que os preços dos automóveis disparassem. Mas a DARPA, o centro do Pentágono para investigação e desenvolvimento de alto risco e elevada recompensa, já vinha trabalhando para se antecipar ao problema há anos antes disso.

A herança da agência em pesquisa microeletrônica remonta a décadas e inclui programas como o Metal Oxide Silicon Implementation Service na década de 1980, que buscava produzir rapidamente dispositivos microeletrônicos. Mais recentemente, e após a divulgação de um relatório de 2017 do Conselho Presidencial de Consultores sobre Ciência e Tecnologia que destacou como os limites tecnológicos estavam a impedir a inovação de semicondutores nos EUA, a DARPA começou a formular um plano para ajudar a ultrapassar alguns desses limites.

“Antes que a urgência da discussão acontecesse, tínhamos pessoas que realmente reconheciam que se tratava de um problema bastante urgente”, disse a diretora da DARPA, Stefanie Tompkins, ao C4ISRNET em uma entrevista em 22 de agosto.

Não é incomum que a DARPA chegue cedo a um conjunto de problemas – na verdade, isso faz parte da missão da agência. Mark Rosker, diretor do Escritório de Tecnologia de Microsistemas da DARPA, disse que a agência foi projetada para proteger o Departamento de Defesa de surpresas tecnológicas, o que significa que muitas vezes olha de 10 a 15 anos para o futuro para antecipar quais desafios a comunidade de segurança nacional enfrentará naquele momento. .

“Inerentemente, o que isso faz é nos colocar numa posição em que procuramos tecnologias que serão disruptivas, que causarão mudanças que não foram previstas”, disse ele numa entrevista em 23 de agosto. “Acho que isso muitas vezes nos coloca em uma posição, normalmente, de maior risco e muitas vezes – nem sempre, mas muitas vezes – de prazo mais longo.”

Onde a DARPA se encaixa

A agência estabeleceu em 2017 um amplo esforço de pesquisa chamado Iniciativa de Ressurgimento Eletrônico, ou ERI, anunciando que iria investir mais de US$ 1.5 bilhão em um período de cinco anos numa série de programas concebidos para ultrapassar as principais barreiras tecnológicas enfrentadas pela indústria comercial e pelas agências de segurança nacional, à medida que procuravam avançar na investigação, desenvolvimento e produção de microelectrónica.

No ano passado, a DARPA reforçou o seu compromisso com a investigação em microeletrónica voltada para o futuro, lançando ERI 2.0 com ênfase em oportunidades de fabricação de ponta, bem como em tecnologias que podem ajudar os sistemas eletrônicos a operar em ambientes extremos. A DARPA planeia gastar mais 3 mil milhões de dólares nestes esforços nos próximos cinco anos.

Hoje, enquanto agências federais como o Departamento de Comércio e o Departamento de Energia procuram revigorar o ecossistema microeletrônico, investindo em fundições e apoiando a investigação dos EUA em áreas que são “relativamente compreendidas”, o nicho da DARPA é enfrentar desafios tecnológicos a longo prazo.

“Ao tentar desenvolver os tipos de capacidades que levam à disrupção, penso que, a longo prazo, manteremos as capacidades de produção dos EUA à frente dos nossos concorrentes”, disse Rosker. “Acho que nossos amigos de outras agências. . . concordo conosco que isso é complementar ao que eles estão fazendo.”

Impulsionado pela crescente urgência nos EUA em abordar as vulnerabilidades da cadeia de fornecimento de microeletrônica, o Congresso aprovou no verão passado o valor de US$ 52 bilhões Criação de incentivos úteis para a produção de semicondutores, ou Lei CHIPS. A medida, que vai até 2026, financia esforços de melhoria da força de trabalho de semicondutores, pesquisa e desenvolvimento e fabricação. Também oferece um crédito fiscal de 25% para investimentos em instalações e equipamentos de fabricação nacional.

De acordo com um informativo da Casa Branca de 9 de agosto, as empresas anunciaram mais de US$ 166 bilhões em investimentos na fabricação de semicondutores e eletrônicos no ano desde que a Lei CHIPS foi aprovada. O Departamento de Comércio estabeleceu o Centro Nacional de Tecnologia de Semicondutores, destinado a servir como um centro de inovação para tecnologia de semicondutores. E o Departamento de Defesa, que recebeu 2 mil milhões de dólares em financiamento da Lei CHIPS, está à beira de escolhendo centros regionais para seu Microelectronics Commons — uma rede concebida para criar caminhos para a comercialização da investigação e inovação em microeletrónica.

Embora a DARPA não tenha recebido financiamento da Lei CHIPS, Carl McCants, assistente especial do diretor da DARPA para ERI, disse que o interesse do Congresso e do presidente aprofundou o envolvimento da agência com as iniciativas de microeletrônica do DoD, o Centro Nacional de Tecnologia de Semicondutores e a indústria - todas parcerias que beneficiam o trabalho da organização.

“Isso leva a mais discussões, leva a mais colaborações”, disse ele ao C4ISRNET em entrevista em 22 de agosto.

Iniciativa de Ressurgimento Eletrônico

Essa colaboração, disse McCants, é uma grande parte do ERI e do seu sucessor ERI 2.0, que visam enfrentar os obstáculos tecnológicos que afectam tanto a comunidade de segurança nacional como a indústria comercial em geral.

O foco original da ERI estava em seis desafios que esperava que os EUA enfrentassem na próxima década. Eles incluíram esforços para aproveitar o hardware de IA para reduzir o tempo que os sensores levam para processar informações, melhorar a tecnologia de fabricação e aumentar a segurança.

Essas áreas focais deram origem a pelo menos 50 programas DARPA através dos quais as agências desenvolveram parcerias com universidades, empresas comerciais e a tradicional base industrial de defesa. Segundo McCants, muitas destas organizações nunca trabalharam com a DARPA.

“Isso ampliou nossa pesquisa, expandiu nossa presença, expandiu, na verdade, o acesso a um conjunto diferente de especialistas no assunto que podem nos ajudar a fazer o que precisávamos e o que estamos tentando fazer”, disse ele.

Um dos programas ERI que teve maior impacto, segundo Rosker, é um esforço chamado Photonics in the Pacote para Escalabilidade Extrema, ou PIPES. O esforço usa luz para melhorar a movimentação de dados elétricos entre chips individuais e aumentar o desempenho.

Empresas comerciais como Intel e Xilinx, bem como grandes empresas de defesa como Lockheed Martin, Northrop Grumman, Raytheon e sistemas BAE têm trabalhado com equipes de pesquisa da Universidade da Pensilvânia, do Laboratório Nacional Sandia e de outras instituições no PIPES. Rosker disse que o esforço já está mudando a forma como essas empresas pensam sobre a construção de microeletrônica.

Outro esforço da ERI, Implementação automática de silício seguro, visa projetar um mecanismo para automatizar o processo de construção de segurança no design de um chip. Rosker explicou que os projetistas de chips estão constantemente negociando desempenho e materiais enquanto consideram como e se devem tornar um produto mais seguro.

Este programa, disse ele, não só traz automação a esse processo, mas também permitiria aos designers “realizar essas negociações de forma real, de forma verificável”.

O ERI 2.0 baseia-se nos impulsos de pesquisa originais da iniciativa, mas adiciona mais dois focados em novas técnicas de fabricação e no desenvolvimento de eletrônicos que podem sobreviver em calor ou frio extremos.

A peça central do ERI 2.0 é um esforço chamado Fabricação de microeletrônica de última geração, ou NGMM. O programa visa criar um centro com sede nos EUA para fabricar os chamados microssistemas 3D heterogeneamente integrados.

Em um nível básico, a premissa da pesquisa 3DHI é que, ao integrar e empacotar componentes de chips de maneira diferente, os fabricantes poderiam desagregar funções como memória e processamento para melhorar significativamente o desempenho. É uma área tecnológica que poderá não só transformar a base industrial dos EUA, mas na qual outras nações, incluindo Taiwan, têm um forte interesse.

Em julho, DARPA escolheu 11 equipes da indústria para iniciar o trabalho fundamental para estabelecer o futuro centro 3DHI doméstico. McCants espera lançar um aviso da indústria para as próximas duas fases do programa até o final deste ano e estabelecer o centro até 2029.

Ele chamou esse cronograma de “genérico”, acrescentando que está esperançoso de que a DARPA possa avançar mais rápido.

“Como acontece com qualquer programa da DARPA, as coisas podem ser aceleradas ou desaceleradas”, disse McCants. “Há um cronograma e uma sensibilidade temporal para podermos reunir tudo isso e seguir em frente.”

Courtney Albon é repórter espacial e de tecnologia emergente da C4ISRNET. Ela cobre as forças armadas dos EUA desde 2012, com foco na Força Aérea e na Força Espacial. Ela relatou alguns dos desafios mais significativos de aquisição, orçamento e política do Departamento de Defesa.

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