Esta empresa dice tener la clave para abaratar la memoria que necesita la IA

Una ambiciosa startup ha pasado más de siete años intentando discretamente rediseñar la arquitectura de la memoria de las computadoras. Ahora acaba de salir de su modo sigiloso y cree que su nuevo enfoque puede ayudar a aliviar la escasez mundial de chips de memoria, siempre que pueda producir su tecnología a gran escala.

Kepler Computing, una startup con sede en San José, California, fundada en 2018 por un equipo de físicos e informáticos, asegura haber desarrollado una nueva arquitectura para memoria de alto ancho de banda (HBM). Supuestamente aborda directamente algunos de los cuellos de botella en el suministro de chips que están limitando el mercado de la informática.

Si bien los fabricantes de chips suelen recurrir a la costosa litografía ultravioleta extrema (EUV) para reducir el tamaño de los transistores en un chip, lo que permite integrar más tecnología en el mismo espacio, Kepler afirma que su enfoque de "apilamiento 3D" y un nuevo material patentado le permiten aumentar la densidad sin depender en absoluto de la EUV, y que puede funcionar con las plantas de fabricación de semiconductores existentes.

Kepler sostiene haber logrado avances similares en la memoria caché de alta velocidad que se utiliza habitualmente en CPU, GPU y XPU. Esta memoria, denominada SRAM, se ubica dentro del núcleo del chip para reducir los tiempos de transferencia de datos. La HBM, en cambio, utiliza pilas de DRAM, que es un componente de memoria independiente.

La compañía ha recaudado 468 millones de dólares en financiamiento de importantes inversionistas en los últimos años. Entre ellos se incluyen GlobalFoundries, Intel Capital, AMD Ventures, el fondo de inversión británico Baillie Gifford y Bill Gates, a través de su fondo privado Gates Frontier. En julio, el Departamento de Comercio de EE UU se comprometió a otorgar a Kepler hasta 245 millones de dólares para “desarrollar en EE UU una nueva generación de tecnología de memoria de IA de alto rendimiento, basada en tecnologías 3D y ferroeléctricas innovadoras”.

Por ahora, gran parte de las pruebas de Kepler se realizan en Singapur, donde tiene una planta GlobalFoundries, socio fabricante e inversor por un monto de 50 millones de dólares. En los últimos dos años, Kepler ha estado desarrollando lo que denomina "mini fábricas", donde produce sus chips de memoria en colaboración con los chips de 28 nanómetros de GlobalFoundries. También ha estado realizando pruebas en las instalaciones de GlobalFoundries en Burlington, Vermont.

Justo a tiempo

Kepler y sus inversores afirman que el nuevo enfoque de la startup para la fabricación de chips de memoria llega en el momento oportuno. La escasez mundial de chips de memoria ha reafirmado al menos dos realidades del mercado: la construcción de nuevas fábricas es extremadamente costosa y laboriosa, y la demanda de ciertos tipos de memoria tiende a ser cíclica. En un mundo dominado por los centros de datos y la inteligencia artificial, la memoria HBM se ha convertido en la opción predilecta.

Una cámara de proceso de semiconductores utilizada por Kepler en su fábrica especializada para desarrollar dispositivos de memoria de próxima generación.

Foto: Cortesía de Kepler Computing

Algunos de los principales fabricantes de memorias del mundo, como SK Hynix y Micron , se han apresurado a construir fábricas multimillonarias para satisfacer la demanda, apostando a que, incluso cuando esas instalaciones estén operativas, la industria seguirá buscando memorias de alto ancho de banda.

“Durante mucho tiempo pensamos que trabajaríamos primero en SRAM y luego en DRAM y HBM”, señala Debo Olaosebikan, cofundador y director ejecutivo de Kepler Computing. “Pero con el lanzamiento de ChatGPT [en 2022] y la creciente demanda de una alternativa a HBM, comenzamos a desarrollar nuestra hoja de ruta para HBM. Ahora estamos fabricando SRAM y HBM en paralelo”.

“No empezamos pensando que esto sería un sustituto de la DRAM ni de la SRAM”, aclara Srini Ananth, director general de Intel Capital. “Pensábamos que el mercado lo dictaría, y ahora vemos que hay demanda de ambas”.

Al prescindir de la litografía ultravioleta, Kepler es una de las pocas empresas emergentes tecnológicas que trabajan para evitar uno de los principales cuellos de botella en la fabricación de semiconductores. La empresa declara que puede producir memoria SRAM con la misma densidad que los chips de 2 o 3 nanómetros sin necesidad de invertir en litografía ultravioleta extrema (EUV).

“El enfoque de Kepler encaja a la perfección con nuestra estrategia”, según Ed Kaste, vicepresidente sénior del negocio CMOS de GlobalFoundries. “Se trata de un nuevo sistema de materiales, con potencial de escalabilidad multigeneracional, sin necesidad de construir sistemas completamente nuevos en la fábrica ni invertir en equipos de litografía muy costosos”.

Impacto material

La principal propuesta de Kepler es que el mercado de la computación acelerada no debería tener que esperar a que se construyan nuevas fábricas de memoria para satisfacer la demanda. En cambio, nuevos enfoques para fabricar memoria dentro de las fábricas existentes pueden aumentar la oferta.

Su enfoque es doble. En cuanto a la mejora de la memoria HBM, Kepler destaca haber desarrollado una novedosa técnica de fabricación 3D que permite integrar más chips de memoria en un espacio reducido. De esta forma, el núcleo de procesamiento puede ubicarse más cerca de la memoria, lo que reduce el consumo energético en la transferencia de datos entre ambas. Su objetivo final es gestionar la transferencia de datos en la memoria HBM con un consumo energético comparable al de la memoria SRAM, manteniendo al mismo tiempo su gran capacidad.

Equipos especializados de desarrollo de procesos utilizados por Kepler en su planta de pruebas dedicada.

Foto: Cortesía de Kepler Computing

Kepler resalta también que ha mejorado la densidad de la SRAM usando materiales ferroeléctricos, capaces de leer y escribir datos a tensiones más bajas que los mecanismos que se suelen emplear para procesar y almacenar datos en semiconductores. La startup lo ha conseguido desarrollando un nuevo material compuesto de baja tensión que funciona con este enfoque ferroeléctrico.

Sasi Manipatruni, cofundador de Kepler y director tecnológico de la empresa, explica que el equipo de Kepler pasó por 35 iteraciones de compuestos antes de dar con una clase de material que, en su opinión, facilitaría y abarataría la fabricación de los chips de memoria.

“Una vez que encontramos la forma de resolver el problema físico (es decir, las limitaciones físicas de la HBM), se nos ocurrió una innovación en los materiales que ayuda a aumentar la cantidad de memoria que se puede tener entre chips”, explica.

En sus primeras implantaciones con GlobalFoundries, Kepler manifiesta que fue capaz de convertir una fábrica en una de “próxima generación” en tan solo ocho meses, frente al plazo habitual de 24 meses.

“Nuestro objetivo es aprovechar las fábricas y las arquitecturas ya construidas, y llevarlas hasta los límites de la física”, refiere Olaosebikan.

Básicamente, Kepler apuesta por que cualquier costo adicional derivado de los nuevos materiales o de la reconversión de las fábricas existentes superaría con creces los 20,000 a 40,000 millones de dólares. Es lo que que cuesta construir otras nuevas y equiparlas con maquinaria por valor de cientos de millones de dólares.

A la espera de la expansión

Kepler Computing aún tiene un largo camino por delante antes de alcanzar la producción a gran escala (suponiendo que lo consiga). Hasta la fecha, la empresa ha probado su tecnología en unas 2,000 obleas. La startup tiene previsto enviar sus primeras muestras de chips HBM a finales de este año, aumentar la producción desde Singapur el año que viene y comenzar la producción de chips en EE UU en 2028.

Kaste, el ejecutivo de GlobalFoundries, confía en que “ya se han producido los avances fundamentales. Lo que queda es obtener buenos resultados en miles de obleas y millones de dispositivos”.

Señala que uno de los retos que plantea un sistema de materiales como el que utiliza Kepler es que incluye hierro en su compuesto. “El hierro es un contaminante difícil de introducir en una planta de producción. Por eso, la solución de Kepler tiene que funcionar en equipos específicos o estar totalmente encapsulada para que no pueda escapar”, explica.

“El arte consiste en mantener ese material muy bien aislado a lo largo de nuestro flujo de producción”, argumenta Kaste.

Equipo automatizado de manipulación de obleas utilizado por Kepler en su planta de pruebas específica.

Foto: Cortesía de Kepler Computing

Olaosebikan no quiso confirmar los elementos específicos del material compuesto de la empresa. “Lo que sí puedo decir es que estamos utilizando un número reducido de materiales, y algunos de ellos no son los que se suelen encontrar en los ferroeléctricos convencionales”, anuncia.

Kepler Computing no es la única startup que busca revolucionar la industria de los semiconductores. A finales del año pasado, una startup bien financiada llamada Substrate también causó sensación por su nuevo enfoque de litografía, que utiliza nanopartículas para grabar detalles en chips avanzados. Algunos analistas del sector se mostraron escépticos ante las ambiciones de la startup, señalando que sería extremadamente difícil para Substrate producir un gran número de chips “que cumplan con especificaciones increíblemente estrictas, a tiempo y dentro del presupuesto”, tal y como informó Bloomberg.

La escala es un reto habitual a la hora de intentar innovar en la fabricación de semiconductores, ya sea con nuevos procesos, materiales o una combinación de ambos. “La cuestión es cómo superar las limitaciones relacionadas con la contaminación, los diferentes materiales y las distintas herramientas, de tal manera que la innovación resultante pueda utilizarse a gran escala y merezca la pena el costo”. Son palabras de Austin Lyons, analista de chips de Creative Strategies, a quien no se le informó sobre la innovación de Kepler.

Demostrar la viabilidad de un nuevo método para la memoria es una cosa; satisfacer la demanda histórica de la misma será otra muy distinta.

Artículo originalmente publicado en WIRED.com. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.