在前不久的 GTC 2023 上,英偉達帶來了一項突破性的技術——cuLitho計算光刻技術軟件庫,可將計算光刻加速40倍以上,為推進2nm甚至更先進工藝奠定基礎。這項讓計算光刻變得更“聰明”的cuLitho技術來勢洶洶,號稱是英偉達與臺積電、阿斯麥、新思科技四大半導體領域巨頭密切合作,秘密研發(fā)近四年的“核彈”。

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

什么是計算光刻?為何如此重要?

計算光刻雖然不被大家所熟知,但和它密切相關的光刻機可謂家喻戶曉。光刻機被譽為半導體工業(yè)皇冠上的明珠,而光刻是芯片制造過程中最復雜、最昂貴、最關鍵的環(huán)節(jié)。而計算光刻是連接芯片設計和制造的關鍵技術,在90nm及以下芯片制造中,不可或缺。

計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,光刻機所用的光源不夠“細致”,在光刻過程中光線發(fā)生衍射效應,設計的掩模版經(jīng)光刻機成像會產(chǎn)生一些模糊和失真的現(xiàn)象,導致得到的圖形與設計版圖存在很大偏差。而計算光刻可通過優(yōu)化掩模圖形的復雜數(shù)學運算來補償模糊和失真,幫助光刻機更好地“刻畫”出芯片的微小結(jié)構,從而實現(xiàn)更高的分辨率,避免一些錯誤和缺陷,提升良率。

(圖片來自網(wǎng)絡)

由于計算光刻可以幫助光刻機實現(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,因此在先進制程中計算光刻的重要性愈發(fā)凸顯。

cuLitho是否對傳統(tǒng)計算光刻技術帶來沖擊?核心技術有哪些?

根據(jù)英偉達官方介紹,cuLitho計算光刻技術軟件庫是在CUDA等庫函數(shù)基礎上針對計算光刻操作對象及操作算法開發(fā)的專用加速庫。上文有講到,計算光刻需要復雜的數(shù)學運算,而有了cuLitho,在進行計算光刻時可以直接調(diào)用常用的數(shù)學運算結(jié)果進行并行運算,大大降低計算光刻軟件本身運算的難度和運算量。因此,cuLitho與計算光刻軟件并非對立與替代的關系,而是相輔相成的關系。

據(jù)測算,cuLitho可將計算光刻加速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)兩項關鍵技術密不可分。首先,計算光刻技術中OPC(光學臨近效應修正)和ILT的運算至少有一半是由光刻制程建模成像構成的,而且它幾乎完全是由圖像運算組成的,這些正是GPU擅長的部分。下面再來講講ILT。

反演光刻技術(Inverse Lithography Technology,ILT),也叫逆向光刻技術、反向光刻技術,是以硅片上要實現(xiàn)的圖形為目標,反演計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)過程中人工勞動需求少(傳統(tǒng)OPC需要2萬行recipe開發(fā),采用ILT技術僅需2000行),recipe開發(fā)周期短節(jié)省time to market 時間。通常ILT技術被認為是14nm以下節(jié)點優(yōu)勢技術。

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

我國計算光刻領域“玩家”有哪些?“功力”如何?

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

作為一款復雜的工程軟件,從研發(fā)成功到通過產(chǎn)線驗證、再到量產(chǎn)應用有很長的路要走。我國計算光刻領域“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)線驗證,實現(xiàn)量產(chǎn)應用的可謂鳳毛麟角,其中無論是技術先進性還是技術成熟度,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年成立之初即預見性地提出GPU加速的全芯片反向光刻掩模優(yōu)化技術,從根本上異于其他公司的技術路線。歷經(jīng)九年自主研發(fā),已經(jīng)形成PanGen 計算光刻系列產(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culitho相當。根據(jù)最新的規(guī)劃,東方晶源還將在GPU加速領域做更多探索。

結(jié)語

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