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(lái)？

作者 |  ZeR0
編輯 |  漠影
芯東西3月23日報道，在英偉達GTC大會(huì )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(shù)軟件庫，它將計算光刻加速40倍以上，為2nm及更先進(jìn)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(guò)程中最復雜、最昂貴、最關(guān)鍵的環(huán)節，其成本約占整個(gè)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(lǐng)域中最大的計算工作負載，其速度提高對于挺進(jìn)先進(jìn)制程節點(diǎn)至關(guān)重要。cuLitho是英偉達與全球最大晶圓代工廠(chǎng)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(chǎng)，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(kāi)始對cuLitho進(jìn)行生產(chǎn)資格認證。那么，計算光刻技術(shù)到底起到什么作用？它究竟對于光刻機以及先進(jìn)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(shù)，會(huì )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?zhuān)覀儗⑦@些問(wèn)題一一解答。
01.黃仁勛光刻機小課堂生動(dòng)開(kāi)講EUV光刻系統價(jià)值超過(guò)2.5億美元

根據復旦大學(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制精度成功地將集成電路制造線(xiàn)寬從40多年前的2~3μm縮小到先進(jìn)的10~15nm。當邏輯技術(shù)節點(diǎn)到達5nm，后段必須引入EUV工藝，以減小掩模版數目、節省成本，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(jìn)的芯片代工廠(chǎng)及IDM大廠(chǎng)在引入EUV技術(shù)方面已有技術(shù)積累。但中國大陸暫時(shí)沒(méi)有EUV光刻機，芯片代工廠(chǎng)都是用193nm水浸沒(méi)式光刻機多次曝光實(shí)現7nm邏輯芯片的光刻工藝流程。 在英偉達GTC大會(huì )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(guān)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(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(xiàn)被阻擋或穿過(guò)光掩膜到達晶片以形成圖案。光線(xiàn)由阿斯麥極紫外（EUV）光刻系統產(chǎn)生，每個(gè)系統的價(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(xiàn)，激光脈沖每秒向一滴錫****5萬(wàn)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(xiàn)。隨后，多層鏡面引導光線(xiàn)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(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（這些行為是根據麥克斯韋方程描述的），應用逆物理算法來(lái)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(shí)，處理單個(gè)掩膜版需要兩周時(shí)間，而在GPU上運行cuLitho只需8小時(shí)。此外，臺積電可通過(guò)在500個(gè)DGX H100系統上使用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(wù)器。

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02.計算光刻技術(shù)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(jiǎn)單通俗的話(huà)解釋計算光刻技術(shù)的重要性。它回復說(shuō)，芯片制造就是在晶圓上刻畫(huà)出很多很多的晶體管和互連線(xiàn)路，形成電路和功能。隨著(zhù)芯片的功能越來(lái)越強大，晶體管和互連線(xiàn)路要越來(lái)越小，這樣才能放得下更多的元件。光刻機是芯片制造過(guò)程中最核心的設備，其性能和精度決定了芯片能實(shí)現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移到晶圓上，形成芯片的基本結構。但隨著(zhù)芯片的結構越來(lái)越小，光刻機所用的光線(xiàn)就不夠細致，會(huì )產(chǎn)生一些模糊和失真的現象，影響芯片的性能和質(zhì)量。而計算光刻技術(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(xiàn)能夠更精確地照射到晶圓上，幫助光刻機更好地刻畫(huà)出芯片的微小結構，實(shí)現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(shù)可以幫助光刻機實(shí)現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)現更小的特征尺寸和更高的集成度，制造出更先進(jìn)和更復雜的芯片。
03.四大好處、四項技能助攻晶圓廠(chǎng)挺進(jìn)2nm節點(diǎn)

據New Bing整理，計算光刻技術(shù)有四大好處：（1）提高光刻分辨率，實(shí)現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。具體來(lái)說(shuō)，計算光刻技術(shù)主要具備四項技能：（1）通過(guò)數值模擬來(lái)預測和評估不同波長(cháng)、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(guò)源掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO）來(lái)調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)現更小特征尺寸。（4）通過(guò)深度學(xué)習等人工智能方法來(lái)提高計算效率和精度，并實(shí)現自動(dòng)化優(yōu)化。
04.結語(yǔ)：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(shuō)，計算光刻每年消耗數百億CPU小時(shí)。大型數據中心24 x 7全天候運行，以便創(chuàng )建用于光刻系統的掩膜版。這些數據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(huì )得到臺積電、阿斯麥、新思科技的大力支持。隨著(zhù)光刻技術(shù)臨近物理極限，這項技術(shù)通過(guò)加速計算光刻流程，將有助于晶圓廠(chǎng)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，并使得曲線(xiàn)掩模、high NA EUV、亞原子級光刻膠模型等新技術(shù)節點(diǎn)所需的新型解決方案和創(chuàng )新技術(shù)成為可能。

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