英偉達臺積電密謀的“新核彈”，計算光刻如何改變2nm芯片制造？

黃仁勛、New Bing解讀計算光刻：如何影響芯片制造未來？

作者 |  ZeR0
編輯 |  漠影
芯東西3月23日報道，在英偉達GTC大會上，英偉達創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛宣布了一項突破性的cuLitho計算光刻技術軟件庫，它將計算光刻加速40倍以上，為2nm及更先進的工藝奠定基礎。光刻機的重要性，在芯片行業(yè)里已經(jīng)如雷貫耳。它是半導體工業(yè)皇冠上的明珠，是芯片制造過程中最復雜、最昂貴、最關鍵的環(huán)節(jié)，其成本約占整個硅片加工成本的1/3甚至更多。而計算光刻是芯片設計和制造領域中最大的計算工作負載，其速度提高對于挺進先進制程節(jié)點至關重要。cuLitho是英偉達與全球最大晶圓代工廠臺積電、全球最大光刻機巨頭阿斯麥、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，僅使用當前配置電力的1/9。臺積電和新思科技正將cuLitho整合到最新一代英偉達Hopper架構GPU的軟件、制造工藝和系統(tǒng)中，阿斯麥計劃在讓所有計算光刻軟件產(chǎn)品支持GPU，臺積電將于6月開始對cuLitho進行生產(chǎn)資格認證。那么，計算光刻技術到底起到什么作用？它究竟對于光刻機以及先進芯片制造產(chǎn)生多重要的影響？為什么英偉達推出加速計算光刻的新技術，會得到三大半導體巨頭的盛贊和追捧？結合黃仁勛“光刻機小課堂”和微軟New Bing聊天機器人回復的解釋，我們將這些問題一一解答。
01.黃仁勛光刻機小課堂生動開講EUV光刻系統(tǒng)價值超過2.5億美元

根據(jù)復旦大學微電子學院在去年5月發(fā)表的《先進光刻技術的發(fā)展歷程與最新進展》綜述文章，光刻技術不斷提高的分辨率與圖形復制精度成功地將集成電路制造線寬從40多年前的2~3μm縮小到先進的10~15nm。當邏輯技術節(jié)點到達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。 中國臺積電、韓國三星、美國格羅方德、英特爾等先進的芯片代工廠及IDM大廠在引入EUV技術方面已有技術積累。但中國大陸暫時沒有EUV光刻機，芯片代工廠都是用193nm水浸沒式光刻機多次曝光實現(xiàn)7nm邏輯芯片的光刻工藝流程。 在英偉達GTC大會上，為了讓大家理解加速計算光刻的重要性，黃仁勛特意給全球觀眾上了一堂“光刻機小課堂”。

他講解道，光刻是在晶圓上創(chuàng)建圖案的過程，是芯片制造過程的起始階段，包括兩個階段——光掩膜制造和圖案投影。從根本而言，這是一個物理極限下的成像問題，光掩膜如同芯片中的模板光線被阻擋或穿過光掩膜到達晶片以形成圖案。光線由阿斯麥極紫外（EUV）光刻系統(tǒng)產(chǎn)生，每個系統(tǒng)的價值超過2.5億美元。

阿斯麥EUV采用了一種顛覆性的方式來制造光線，激光脈沖每秒向一滴錫****5萬次，使其汽化，產(chǎn)生一種能****13.5nm EUV光的等離子體，幾乎是X射線。隨后，多層鏡面引導光線至光掩膜。光掩膜版中的多層反射器利用13.5nm光的干涉圖案，實現(xiàn)更精細特征，精細度可達到3nm。晶圓的定位精度達到1/4nm，并且每秒對準2萬次以消除任何振動的影響。光刻之前的步驟同樣令人不可思議。黃仁勛解釋說，計算光刻模擬了光通過光學元件并與光刻膠相互作用時的行為（這些行為是根據(jù)麥克斯韋方程描述的），應用逆物理算法來預測掩膜版上的圖案，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H100 GPU需要89塊掩膜版，以前在CPU上運行時，處理單個掩膜版需要兩周時間，而在GPU上運行cuLitho只需8小時。此外，臺積電可通過在500個DGX H100系統(tǒng)上使用cuLitho加速，將功率從35MW降至5MW，替代此前用于計算光刻的40000臺CPU服務器。

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02.計算光刻技術有多重要？提高光刻機分辨率，影響芯片性能和質(zhì)量

我們讓New Bing用簡單通俗的話解釋計算光刻技術的重要性。它回復說，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越強大，晶體管和互連線路要越來越小，這樣才能放得下更多的元件。光刻機是芯片制造過程中最核心的設備，其性能和精度決定了芯片能實現(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。它像一臺高精度的相機，負責把芯片設計的圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上，形成芯片的基本結構。但隨著芯片的結構越來越小，光刻機所用的光線就不夠細致，會產(chǎn)生一些模糊和失真的現(xiàn)象，影響芯片的性能和質(zhì)量。而計算光刻技術通過軟件來模擬和優(yōu)化光刻過程中的各種元素，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，幫助光刻機更好地刻畫出芯片的微小結構，實現(xiàn)更高的分辨率和效率，避免一些錯誤和缺陷。總而言之，這項技術可以幫助光刻機實現(xiàn)更高的分辨率和效率，提高芯片的性能和質(zhì)量，幫助芯片制造實現(xiàn)更小的特征尺寸和更高的集成度，制造出更先進和更復雜的芯片。
03.四大好處、四項技能助攻晶圓廠挺進2nm節(jié)點

據(jù)New Bing整理，計算光刻技術有四大好處：（1）提高光刻分辨率，實現(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誤差，提高成像質(zhì)量和工藝窗口。（3）縮短掩膜版的制作時間，降低功耗和成本，提高生產(chǎn)效率。（4）支撐2nm及更先進的制程工藝，為新型解決方案和創(chuàng)新技術奠定基礎。具體來說，計算光刻技術主要具備四項技能：（1）通過數(shù)值模擬來預測和評估不同波長、不同掩模、不同曝光條件下的成像效果，為工藝設計提供指導和參考。（2）通過源掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）來調(diào)整曝光源形狀和掩模圖形以改善成像質(zhì)量和過程窗口。（3）通過多重曝光（Multiple Patterning）來將復雜圖形分解為多個簡單圖形，并分別進行曝光和疊加以實現(xiàn)更小特征尺寸。（4）通過深度學習等人工智能方法來提高計算效率和精度，并實現(xiàn)自動化優(yōu)化。
04.結語：加速計算光刻將芯片制造大幅降本增效

看完全文后，是不是對于加速計算光刻的重要性有了更深的理解？黃仁勛說，計算光刻每年消耗數(shù)百億CPU小時。大型數(shù)據(jù)中心24 x 7全天候運行，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新推出的cuLitho會得到臺積電、阿斯麥、新思科技的大力支持。隨著光刻技術臨近物理極限，這項技術通過加速計算光刻流程，將有助于晶圓廠縮短原型周期時間、提高產(chǎn)量、減少碳排放，為2nm及更先進的工藝奠定基礎，并使得曲線掩模、high NA EUV、亞原子級光刻膠模型等新技術節(jié)點所需的新型解決方案和創(chuàng)新技術成為可能。

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