Il futuro dei chip non è (solo) nei nanometri

Quando parliamo di sovranità dei semiconduttori, l’attenzione si concentra quasi esclusivamente sui nodi più avanzati, sui 3 nanometri e sui 2 nanometri, come se la capacità di un paese di produrre chip dipendesse esclusivamente dalla miniaturizzazione estrema. Il progetto di Atomic Semi, l’azienda fondata da Jim Keller insieme a Sam Zeloof, racconta una storia diversa e per certi versi più concreta: quella di fabbriche più piccole, più economiche e potenzialmente replicabili, capaci di produrre lotti ridotti di chip in tempi rapidi. Non si tratta di sfidare TSMC sul terreno dove il colosso taiwanese è imbattibile, ma di aprire un fronte completamente distinto, dove contano accessibilità, flessibilità e velocità di sviluppo.

Se la produzione di chip smette di essere appannaggio esclusivo di poche mega-fab da decine di miliardi di dollari, cambia anche il modo in cui pensiamo alla filiera industriale e alla sua distribuzione geografica. Le mini-fab suggeriscono che il futuro dei semiconduttori non è fatto soltanto di transistor sempre più piccoli, ma anche di infrastrutture produttive più diffuse e programmabili.

Che cos’è Atomic Semi

Atomic Semi, oggi ribattezzata Fab2, nasce nel 2022 dalla collaborazione tra Jim Keller e Sam Zeloof con un obiettivo: costruire una fabbrica di semiconduttori interamente propria, capace di produrre piccoli lotti di microchip in modo rapido e a prezzi accessibili. La missione è democratizzare la progettazione e la produzione dei chip, abbassando le barriere economiche e tecniche che oggi la rendono un territorio riservato a pochi giganti globali.

La struttura dell’azienda riflette questa filosofia. Il team iniziale è ridotto, composto da pochi ingegneri hardware, ingegneri di processo, meccanici e tecnici di laboratorio. Si tratta di un’organizzazione altamente specializzata, l’esatto opposto della logica delle mega-fab industriali. Tra gli investitori figurano nomi provenienti dal mondo del software, dell’open source e delle criptovalute, come Naval Ravikant, l’ex CEO di GitHub Nat Friedman e il fondatore di Paradigm Fred Ehrsam, con la menzione di un possibile interesse da parte di OpenAI.

La presenza di questi investitori non è un dettaglio da sottovalutare. Provenendo da culture in cui l’iterazione rapida e l’apertura sono valori centrali, essi segnalano una visione in cui la fabbricazione di chip si avvicina alla cultura startup e alla logica dev-friendly tipica del software, con capitale produttivo pensato come qualcosa di modulare e scalabile.

Chi sono Jim Keller e Sam Zeloof

Jim Keller è considerato uno dei principali progettisti di microarchitetture CPU e SoC degli ultimi decenni. Il suo percorso attraversa ruoli chiave in AMD, dove ha contribuito alla famiglia Zen, e passaggi in Apple, Tesla e in startup come Tenstorrent, di cui è attuale CEO. Keller è noto per la sua attenzione alle architetture scalabili e per una forte integrazione tra hardware e software.

Sam Zeloof è invece diventato famoso per aver realizzato chip nel proprio garage, utilizzando attrezzature riadattate e metodologie fai-da-te, dimostrando così che la fabbricazione di semiconduttori non è necessariamente esclusivo appannaggio delle grandi strutture industriali. Gli appassionati parlando del suo lavoro come di una prova che una litografia ad alta risoluzione, fino a circa 10 nanometri, può essere ottenuta con attrezzature non tradizionali, ad esempio tramite un microscopio elettronico a scansione riadattato allo scopo.

Ciò che rende unica Atomic Semi è l’unione di queste due personalità: da un lato l’esperienza industriale e architetturale di alto livello di Keller, dall’altro l’approccio sperimentale e concreto di Zeloof, che ha mostrato in modo tangibile che alcune barriere della produzione possono essere abbattute con creatività e strumenti non convenzionali.

Che cosa significa davvero “mini-fab”

Il concetto di mini-fab associato ad Atomic Semi è quello di una linea di produzione ridotta, capace di produrre chip moderni ma non necessariamente al nodo più avanzato, con costi di costruzione e gestione molto più contenuti rispetto a una fabbrica in stile TSMC. Il progetto viene descritto come una fabbrica destinata a produrre in serie mini-fab: non una singola struttura centralizzata, ma linee di produzione compatte e replicabili.

Sul piano tecnico, la stessa litografia a fasci di elettroni sperimentata da Zeloof è una possibile via per raggiungere risoluzioni interessanti senza i costi e la complessità degli scanner litografici di fascia alta. Una mini-fab implica inoltre una riduzione del footprint fisico, con meno metri quadri, meno impianti di chimica e gas, e un numero inferiore di step di processo rispetto a una linea per i nodi più avanzati.

Il carattere “programmabile” è forse l’aspetto più interessante. Riguarda sia la configurabilità dei processi, con ricette di deposizione, litografia ed etching adattabili a diversi tipi di chip, sia la possibilità di automatizzare e astrarre il controllo della fabbrica con software più moderno. È proprio su questa integrazione tra hardware e software che Keller ha insistito lungo tutta la sua carriera, e che ritorna qui applicata al mondo della produzione.

Perché contano fabbriche distribuite, non solo nodi avanzati

La sovranità dei chip non si riduce alla capacità di produrre il nodo tecnologico più avanzato. Include piuttosto la possibilità di produrre localmente volumi significativi di chip affidabili, anche su nodi maturi. Per molte applicazioni strategiche, dall’automotive all’industriale, dalla difesa all’IoT fino agli apparecchi medicali, i nodi già collaudati e i processi specializzati sono più importanti che avere a disposizione il transistor più piccolo esistente.

Iniziative come Atomic Semi mostrano il lato meno spettacolare ma più sostanziale della sovranità: infrastrutture produttive replicabili, know-how di processo e strumenti standardizzati che consentano a più paesi e aziende di dotarsi di una propria filiera di fabbricazione, invece di dipendere da poche mega-fab globali. Questa logica si allinea con le discussioni europee sulla necessità di presidiare l’intera catena del valore, dalla progettazione alla produzione fino al packaging.

Ne emerge la possibilità di una sovranità granulare, in cui invece di un unico campione nazionale proprietario di una mega-fab, molti attori territoriali o settoriali dispongono di capacità produttive più piccole ma autonome. Ridurre la dipendenza dai grandi produttori passa anche dalla capacità diffusa di produrre chip adeguati alle necessità a livello locale, esattamente ciò che un ecosistema di mini-fab potrebbe fornire su scala regionale o nazionale.

Atomic Semi si colloca nel segmento della produzione specializzata, a basso volume e con tempi di consegna rapidi. La possibilità di arrivare intorno ai 10 nanometri la posiziona in una fascia tecnologica intermedia: non processi moderni come i 2 o 3 nanometri, ma nemmeno limitata ai soli nodi storici più ampi.

L’attenzione di Keller alle architetture RISC-V per l’intelligenza artificiale, sviluppate in Tenstorrent, mostra come molta innovazione avvenga oggi su chip specializzati piuttosto che su CPU general purpose, rafforzando il valore di fabbriche ottimizzate per produzioni mirate. E mentre la scala estrema dei nodi avanzati richiede investimenti superiori ai dieci miliardi di dollari per singola fab, una mini-fab si gioca su un ordine di grandezza completamente diverso.

Il legame con le “AI factories” e i nuovi ecosistemi industriali

Il concetto di AI factories descrive data center, hardware per l’intelligenza artificiale e infrastrutture di rete come una nuova forma di impianto industriale, dove il valore nasce dal ciclo che unisce dati, modelli e chip. Tenstorrent, guidata da Keller, ha ricevuto investimenti da Samsung e altri, puntando su un ecosistema di hardware scalabile per i data center dedicati all’intelligenza artificiale.

La combinazione tra fabbriche AI, intese come data center, e fabbriche di chip più distribuite, ovvero le mini-fab, disegna un’immagine di infrastruttura industriale in cui progettazione, produzione e utilizzo dei chip diventano più strettamente integrati e localizzati. Le mini-fab potrebbero permettere agli operatori di iterare rapidamente su chip custom, per esempio acceleratori ottimizzati per specifici carichi di lavoro, riducendo la distanza tra la ricerca sui modelli e lo sviluppo dell’hardware corrispondente.

Un ecosistema di mini-fab potrebbe allargare la base industriale che partecipa ai programmi di incentivi pubblici, come il CHIPS Act statunitense e quello europeo, oggi concentrati su pochi grandi gruppi: una platea più ampia di soggetti coinvolti nella filiera dei semiconduttori va esattamente nella direzione dichiarata dai due fondatori.

Più in generale, questo travaso di mentalità dal software alla fabbricazione è un cambio culturale che potrebbe rivelarsi altrettanto significativo dell’innovazione tecnica in senso stretto.

Ci sono ancora questioni da risolvere

Restano naturalmente diverse questioni da affrontare. Anche con tecniche più economiche, raggiungere rese elevate e un’affidabilità paragonabile a quella delle grandi foundry è un traguardo complesso. Le mini-fab potrebbero inizialmente offrire costi più bassi ma rese inferiori, risultando adatte soprattutto a prototipi e piccole serie. L’integrazione in pacchetti avanzati, come lo stacking 2.5D e 3D o le architetture a chiplet, richiede ecosistemi e supply chain che vanno oltre la singola mini-fab.

Inoltre, pur essendo teoricamente possibile ottenere ottime risoluzioni con microscopi elettronici riadattati, la scalabilità industriale non è ancora stata pienamente dimostrata. Per molte aziende la scelta tra mini-fab e foundry tradizionali sarà un compromesso tra costo di ingresso, rischio tecnologico e accesso a nodi consolidati già supportati da ecosistemi EDA e IP maturi.

Il valore di Atomic Semi non sta nel battere i colossi sul nodo più avanzato, ma nell’invitare a ripensare il concetto stesso di progresso nei semiconduttori: non solo transistor più piccoli, ma anche fabbriche più distribuite, economiche e riconfigurabili. Se questa visione si dimostrerà praticabile su scala industriale, potrebbe ridisegnare il modo in cui la sovranità produttiva viene costruita, spostandola da un modello concentrato in poche strutture giganti verso una rete più ampia di capacità autonome e specializzate.