在前不久的 GTC 2023 上,英偉達(dá)帶來了一項(xiàng)突破性的技術(shù)——cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)軟件庫,可將計(jì)算光刻加速40倍以上,為推進(jìn)2nm甚至更先進(jìn)工藝奠定基礎(chǔ)。這項(xiàng)讓計(jì)算光刻變得更“聰明”的cuLitho技術(shù)來勢洶洶,號(hào)稱是英偉達(dá)與臺(tái)積電、阿斯麥、新思科技四大半導(dǎo)體領(lǐng)域巨頭密切合作,秘密研發(fā)近四年的“核彈”。

在半導(dǎo)體技術(shù)高度競爭、激烈博弈的當(dāng)下,我們既為人類科技進(jìn)步感到欣喜,同時(shí)也不禁對(duì)我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著一絲隱憂。cuLitho是否對(duì)傳統(tǒng)意義上的計(jì)算光刻造成沖擊?我國的計(jì)算光刻發(fā)展到什么水平了,能否自主可控?

什么是計(jì)算光刻?為何如此重要?

計(jì)算光刻雖然不被大家所熟知,但和它密切相關(guān)的光刻機(jī)可謂家喻戶曉。光刻機(jī)被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠,而光刻是芯片制造過程中最復(fù)雜、最昂貴、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。而計(jì)算光刻是連接芯片設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù),在90nm及以下芯片制造中,不可或缺。

計(jì)算光刻并非新鮮事物,已經(jīng)存在了30年之久。芯片沿著摩爾定律不斷微縮,光刻機(jī)所用的光源不夠“細(xì)致”,在光刻過程中光線發(fā)生衍射效應(yīng),設(shè)計(jì)的掩模版經(jīng)光刻機(jī)成像會(huì)產(chǎn)生一些模糊和失真的現(xiàn)象,導(dǎo)致得到的圖形與設(shè)計(jì)版圖存在很大偏差。而計(jì)算光刻可通過優(yōu)化掩模圖形的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算來補(bǔ)償模糊和失真,幫助光刻機(jī)更好地“刻畫”出芯片的微小結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率,避免一些錯(cuò)誤和缺陷,提升良率。

(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

由于計(jì)算光刻可以幫助光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率,提高芯片的質(zhì)量和良率,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,因此在先進(jìn)制程中計(jì)算光刻的重要性愈發(fā)凸顯。

cuLitho是否對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算光刻技術(shù)帶來沖擊?核心技術(shù)有哪些?

根據(jù)英偉達(dá)官方介紹,cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)軟件庫是在CUDA等庫函數(shù)基礎(chǔ)上針對(duì)計(jì)算光刻操作對(duì)象及操作算法開發(fā)的專用加速庫。上文有講到,計(jì)算光刻需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,而有了cuLitho,在進(jìn)行計(jì)算光刻時(shí)可以直接調(diào)用常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行并行運(yùn)算,大大降低計(jì)算光刻軟件本身運(yùn)算的難度和運(yùn)算量。因此,cuLitho與計(jì)算光刻軟件并非對(duì)立與替代的關(guān)系,而是相輔相成的關(guān)系。

據(jù)測算,cuLitho可將計(jì)算光刻加速40倍以上,能耗降低9倍。如此優(yōu)秀的表現(xiàn)與GPU(圖形處理器)和ILT(反向光刻技術(shù))兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)密不可分。首先,計(jì)算光刻技術(shù)中OPC(光學(xué)臨近效應(yīng)修正)和ILT的運(yùn)算至少有一半是由光刻制程建模成像構(gòu)成的,而且它幾乎完全是由圖像運(yùn)算組成的,這些正是GPU擅長的部分。下面再來講講ILT。

反演光刻技術(shù)(Inverse Lithography Technology,ILT),也叫逆向光刻技術(shù)、反向光刻技術(shù),是以硅片上要實(shí)現(xiàn)的圖形為目標(biāo),反演計(jì)算出掩模版上所需要圖形的算法。相比于傳統(tǒng)OPC,其優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)化精度高,工藝窗口更大,recipe開發(fā)過程中人工勞動(dòng)需求少(傳統(tǒng)OPC需要2萬行recipe開發(fā),采用ILT技術(shù)僅需2000行),recipe開發(fā)周期短節(jié)省time to market 時(shí)間。通常ILT技術(shù)被認(rèn)為是14nm以下節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢技術(shù)。

可以說,結(jié)合了GPU、ILT等先進(jìn)技術(shù)的cuLitho確實(shí)能大幅提高效率,而行業(yè)游戲規(guī)則也正在隨著cuLitho的到來發(fā)生變革。

我國計(jì)算光刻領(lǐng)域“玩家”有哪些?“功力”如何?

計(jì)算光刻通常包括光學(xué)鄰近效應(yīng)修正(OPC)、光源-掩膜協(xié)同優(yōu)化技術(shù)(SMO)、多重圖形技術(shù)(MPT)、反演光刻技術(shù)(ILT)等四大技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)正在研發(fā)光學(xué)鄰近校正軟件的公司有:東方晶源、全芯智造、墨研計(jì)算、南京集成電路研究院等十多家公司。

作為一款復(fù)雜的工程軟件,從研發(fā)成功到通過產(chǎn)線驗(yàn)證、再到量產(chǎn)應(yīng)用有很長的路要走。我國計(jì)算光刻領(lǐng)域“玩家”雖然不少,但很多都是剛剛布局,尚處于研發(fā)階段。真正通過產(chǎn)線驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用的可謂鳳毛麟角,其中無論是技術(shù)先進(jìn)性還是技術(shù)成熟度,布局最早之一的東方晶源跑在行業(yè)前列。

(圖片來自東方晶源官網(wǎng))

東方晶源自2014年成立之初即預(yù)見性地提出GPU加速的全芯片反向光刻掩模優(yōu)化技術(shù),從根本上異于其他公司的技術(shù)路線。歷經(jīng)九年自主研發(fā),已經(jīng)形成PanGen 計(jì)算光刻系列產(chǎn)品,包括OPC、SMO等。值得一提的是,東方晶源OPC產(chǎn)品是全球首款全芯片反向光刻掩模優(yōu)化工程軟件,并為客戶量產(chǎn)所采納,截止目前已完成2000+張掩模數(shù)據(jù)優(yōu)化。據(jù)了解,東方晶源還基于英偉達(dá)CUDA函數(shù)庫自主開發(fā)圖像加速操作,加速倍率40~60倍與英偉達(dá)culitho相當(dāng)。根據(jù)最新的規(guī)劃,東方晶源還將在GPU加速領(lǐng)域做更多探索。

結(jié)語

通過本文相信大家對(duì)計(jì)算光刻有了更加深刻的理解,也解答了心中疑問和擔(dān)憂。在追趕國際先進(jìn)技術(shù)的過程中,我們并非亦步亦趨。相反,我國科研人員通過技術(shù)創(chuàng)新在很多方面正在加速趕超,東方晶源在計(jì)算光刻領(lǐng)域GPU、ILT的超前布局就是最好的例證。相信,隨著我國半導(dǎo)體企業(yè)的快速發(fā)展,突破創(chuàng)新,我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必將迎來自立自強(qiáng)、自主可控的新篇章。