文|芯東西 ZeR0
編輯|漠影
芯東西3月23日?qǐng)?bào)道，在英偉達(dá)GTC大會(huì)上，英偉達(dá)創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛宣布了一項(xiàng)突破性的cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)軟件庫(kù)，它將計(jì)算光刻加速40倍以上，為2nm及更先進(jìn)的工藝奠定基礎(chǔ)。
光刻機(jī)的重要性，在芯片行業(yè)里已經(jīng)如雷貫耳。它是半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠，是芯片制造過(guò)程中最復(fù)雜、最昂貴、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其成本約占整個(gè)硅片加工成本的1/3甚至更多。而計(jì)算光刻是芯片設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域中最大的計(jì)算工作負(fù)載，其速度提高對(duì)于挺進(jìn)先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。
cuLitho是英偉達(dá)與全球最大晶圓代工廠臺(tái)積電、全球最大光刻機(jī)巨頭阿斯麥、全球最大EDA巨頭新思科技密切合作，秘密研發(fā)近四年的“核彈”。
使用cuLitho的晶圓廠，每天可生產(chǎn)3-5倍多的光掩膜，僅使用當(dāng)前配置電力的1/9。臺(tái)積電和新思科技正將cuLitho整合到最新一代英偉達(dá)Hopper架構(gòu)GPU的軟件、制造工藝和系統(tǒng)中，阿斯麥計(jì)劃在讓所有計(jì)算光刻軟件產(chǎn)品支持GPU，臺(tái)積電將于6月開始對(duì)cuLitho進(jìn)行生產(chǎn)資格認(rèn)證。
那么，計(jì)算光刻技術(shù)到底起到什么作用？它究竟對(duì)于光刻機(jī)以及先進(jìn)芯片制造產(chǎn)生多重要的影響？為什么英偉達(dá)推出加速計(jì)算光刻的新技術(shù)，會(huì)得到三大半導(dǎo)體巨頭的盛贊和追捧？
結(jié)合黃仁勛“光刻機(jī)小課堂”和微軟New Bing聊天機(jī)器人回復(fù)的解釋，我們將這些問(wèn)題一一解答。
01.黃仁勛光刻機(jī)小課堂生動(dòng)開講EUV，光刻系統(tǒng)價(jià)值超過(guò)2.5億美元
根據(jù)復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院在去年5月發(fā)表的《先進(jìn)光刻技術(shù)的發(fā)展歷程與最新進(jìn)展》綜述文章，光刻技術(shù)不斷提高的分辨率與圖形復(fù)制精度成功地將集成電路制造線寬從40多年前的2~3μm縮小到先進(jìn)的10~15nm。當(dāng)邏輯技術(shù)節(jié)點(diǎn)到達(dá)5nm，后段必須引入EUV工藝，以減小掩模版數(shù)目、節(jié)省成本，并提高套刻精度和可靠性。
中國(guó)臺(tái)積電、韓國(guó)三星、美國(guó)格羅方德、英特爾等先進(jìn)的芯片代工廠及IDM大廠在引入EUV技術(shù)方面已有技術(shù)積累。但中國(guó)大陸暫時(shí)沒(méi)有EUV光刻機(jī)，芯片代工廠都是用193nm水浸沒(méi)式光刻機(jī)多次曝光實(shí)現(xiàn)7nm邏輯芯片的光刻工藝流程。
在英偉達(dá)GTC大會(huì)上，為了讓大家理解加速計(jì)算光刻的重要性，黃仁勛特意給全球觀眾上了一堂“光刻機(jī)小課堂”。
他講解道，光刻是在晶圓上創(chuàng)建圖案的過(guò)程，是芯片制造過(guò)程的起始階段，包括兩個(gè)階段——光掩膜制造和圖案投影。從根本而言，這是一個(gè)物理極限下的成像問(wèn)題，光掩膜如同芯片中的模板光線被阻擋或穿過(guò)光掩膜到達(dá)晶片以形成圖案。
光線由阿斯麥極紫外（EUV）光刻系統(tǒng)產(chǎn)生，每個(gè)系統(tǒng)的價(jià)值超過(guò)2.5億美元。
阿斯麥EUV采用了一種顛覆性的方式來(lái)制造光線，激光脈沖每秒向一滴錫發(fā)射5萬(wàn)次，使其汽化，產(chǎn)生一種能發(fā)射13.5nm EUV光的等離子體，幾乎是X射線。
隨后，多層鏡面引導(dǎo)光線至光掩膜。光掩膜版中的多層反射器利用13.5nm光的干涉圖案，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)特征，精細(xì)度可達(dá)到3nm。晶圓的定位精度達(dá)到1/4nm，并且每秒對(duì)準(zhǔn)2萬(wàn)次以消除任何振動(dòng)的影響。
光刻之前的步驟同樣令人不可思議。
黃仁勛解釋說(shuō)，計(jì)算光刻模擬了光通過(guò)光學(xué)元件并與光刻膠相互作用時(shí)的行為（這些行為是根據(jù)麥克斯韋方程描述的），應(yīng)用逆物理算法來(lái)預(yù)測(cè)掩膜版上的圖案，以便在晶圓上生成最終圖案。掩膜上的圖案與最終特征完全不相似。
據(jù)黃仁勛介紹，英偉達(dá)H100 GPU需要89塊掩膜版，以前在CPU上運(yùn)行時(shí)，處理單個(gè)掩膜版需要兩周時(shí)間，而在GPU上運(yùn)行cuLitho只需8小時(shí)。
此外，臺(tái)積電可通過(guò)在500個(gè)DGX H100系統(tǒng)上使用cuLitho加速，將功率從35MW降至5MW，替代此前用于計(jì)算光刻的40000臺(tái)CPU服務(wù)器。
02.計(jì)算光刻技術(shù)有多重要？提高光刻機(jī)分辨率，影響芯片性能和質(zhì)量
我們讓New Bing用簡(jiǎn)單通俗的話解釋計(jì)算光刻技術(shù)的重要性。
它回復(fù)說(shuō)，芯片制造就是在晶圓上刻畫出很多很多的晶體管和互連線路，形成電路和功能。隨著芯片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，晶體管和互連線路要越來(lái)越小，這樣才能放得下更多的元件。
光刻機(jī)是芯片制造過(guò)程中最核心的設(shè)備，其性能和精度決定了芯片能實(shí)現(xiàn)多小的特征尺寸和多高的集成度，也就影響了芯片的速度、功耗、容量等指標(biāo)。
它像一臺(tái)高精度的相機(jī)，負(fù)責(zé)把芯片設(shè)計(jì)的圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上，形成芯片的基本結(jié)構(gòu)。但隨著芯片的結(jié)構(gòu)越來(lái)越小，光刻機(jī)所用的光線就不夠細(xì)致，會(huì)產(chǎn)生一些模糊和失真的現(xiàn)象，影響芯片的性能和質(zhì)量。
而計(jì)算光刻技術(shù)通過(guò)軟件來(lái)模擬和優(yōu)化光刻過(guò)程中的各種元素，比如光源、掩膜版、鏡頭等，讓光線能夠更精確地照射到晶圓上，幫助光刻機(jī)更好地刻畫出芯片的微小結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和效率，避免一些錯(cuò)誤和缺陷。
總而言之，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和效率，提高芯片的性能和質(zhì)量，幫助芯片制造實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸和更高的集成度，制造出更先進(jìn)和更復(fù)雜的芯片。
03.四大好處、四項(xiàng)技能助攻晶圓廠挺進(jìn)2nm節(jié)點(diǎn)
據(jù)New Bing整理，計(jì)算光刻技術(shù)有四大好處：
（1）提高光刻分辨率，實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸和更高的集成度。
（2）減少衍射像差和其他光學(xué)誤差，提高成像質(zhì)量和工藝窗口。
（3）縮短掩膜版的制作時(shí)間，降低功耗和成本，提高生產(chǎn)效率。
（4）支撐2nm及更先進(jìn)的制程工藝，為新型解決方案和創(chuàng)新技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
具體來(lái)說(shuō)，計(jì)算光刻技術(shù)主要具備四項(xiàng)技能：
（1）通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估不同波長(zhǎng)、不同掩模、不同曝光條件下的成像效果，為工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。
（2）通過(guò)源掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）來(lái)調(diào)整曝光源形狀和掩模圖形以改善成像質(zhì)量和過(guò)程窗口。
（3）通過(guò)多重曝光（Multiple Patterning）來(lái)將復(fù)雜圖形分解為多個(gè)簡(jiǎn)單圖形，并分別進(jìn)行曝光和疊加以實(shí)現(xiàn)更小特征尺寸。
（4）通過(guò)深度學(xué)習(xí)等人工智能方法來(lái)提高計(jì)算效率和精度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化優(yōu)化。
04.結(jié)語(yǔ)：加速計(jì)算光刻將芯片制造大幅降本增效
看完全文后，是不是對(duì)于加速計(jì)算光刻的重要性有了更深的理解？
黃仁勛說(shuō)，計(jì)算光刻每年消耗數(shù)百億CPU小時(shí)。大型數(shù)據(jù)中心24 x 7全天候運(yùn)行，以便創(chuàng)建用于光刻系統(tǒng)的掩膜版。這些數(shù)據(jù)中心是芯片制造商每年投資近2000億美元的資本支出的一部分。
這也是為什么英偉達(dá)新推出的cuLitho會(huì)得到臺(tái)積電、阿斯麥、新思科技的大力支持。
隨著光刻技術(shù)臨近物理極限，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)加速計(jì)算光刻流程，將有助于晶圓廠縮短原型周期時(shí)間、提高產(chǎn)量、減少碳排放，為2nm及更先進(jìn)的工藝奠定基礎(chǔ)，并使得曲線掩模、high NA EUV、亞原子級(jí)光刻膠模型等新技術(shù)節(jié)點(diǎn)所需的新型解決方案和創(chuàng)新技術(shù)成為可能。