在前不久的 GTC 2023 上,带来了一项突破性的技术——cuLitho计算光刻技术软件库,可将计算光刻加速40倍以上,为推进2nm甚至更先进工艺奠定基础。这项让计算光刻变得更“聪明”的cuLitho技术来势汹汹,号称是英伟达与台积电、阿斯麦、新思科技四大领域巨头密切合作,秘密研发近四年的“核弹”。

在半导体技术高度竞争、激烈博弈的当下,我们既为人类科技进步感到欣喜,同时也不禁对我国的半导体产业发展有着一丝隐忧。cuLitho是否对传统意义上的计算光刻造成冲击?我国的计算光刻发展到什么水平了,能否自主可控?

什么是计算光刻?为何如此重要?

计算光刻虽然不被大家所熟知,但和它密切相关的光刻机可谓家喻户晓。光刻机被誉为半导体工业皇冠上的明珠,而光刻是芯片制造过程中最复杂、最昂贵、最关键的环节。而计算光刻是连接芯片设计和制造的关键技术,在90nm及以下芯片制造中,不可或缺。

计算光刻并非新鲜事物,已经存在了30年之久。芯片沿着摩尔定律不断微缩,光刻机所用的光源不够“细致”,在光刻过程中光线发生衍射效应,设计的掩模版经光刻机成像会产生一些模糊和失真的现象,导致得到的图形与设计版图存在很大偏差。而计算光刻可通过优化掩模图形的复杂数学运算来补偿模糊和失真,帮助光刻机更好地“刻画”出芯片的微小结构,从而实现更高的分辨率,避免一些错误和缺陷,提升良率。

(图片来自网络)

由于计算光刻可以帮助光刻机实现更高的分辨率,提高芯片的质量和良率,帮助芯片制造实现更小的特征尺寸和更高的集成度,制造出更先进和更复杂的芯片,因此在先进制程中计算光刻的重要性愈发凸显。

cuLitho是否对传统计算光刻技术带来冲击?核心技术有哪些?

根据英伟达官方介绍,cuLitho计算光刻技术软件库是在CUDA等库函数基础上针对计算光刻操作对象及操作算法开发的专用加速库。上文有讲到,计算光刻需要复杂的数学运算,而有了cuLitho,在进行计算光刻时可以直接调用常用的数学运算结果进行并行运算,大大降低计算光刻软件本身运算的难度和运算量。因此,cuLitho与计算光刻软件并非对立与替代的关系,而是相辅相成的关系。

据测算,cuLitho可将计算光刻加速40倍以上,能耗降低9倍。如此优秀的表现与GPU(图形处理器)和ILT(反向光刻技术)两项关键技术密不可分。首先,计算光刻技术中OPC(光学临近效应修正)和ILT的运算至少有一半是由光刻制程建模成像构成的,而且它几乎完全是由图像运算组成的,这些正是GPU擅长的部分。下面再来讲讲ILT。

反演光刻技术(Inverse Lithography Technology,ILT),也叫逆向光刻技术、反向光刻技术,是以硅片上要实现的图形为目标,反演计算出掩模版上所需要图形的算法。相比于传统OPC,其优点在于优化精度高,工艺窗口更大,recipe开发过程中人工劳动需求少(传统OPC需要2万行recipe开发,采用ILT技术仅需2000行),recipe开发周期短节省time to market 时间。通常ILT技术被认为是14nm以下节点优势技术。

可以说,结合了GPU、ILT等先进技术的cuLitho确实能大幅提高效率,而行业游戏规则也正在随着cuLitho的到来发生变革。

我国计算光刻领域“玩家”有哪些?“功力”如何?

计算光刻通常包括光学邻近效应修正(OPC)、光源-掩膜协同优化技术(SMO)、多重图形技术(MPT)、反演光刻技术(ILT)等四大技术。据不完全统计,目前国内正在研发光学邻近校正软件的公司有:东方晶源、全芯智造、墨研计算、南京集成电路研究院等十多家公司。

作为一款复杂的工程软件,从研发成功到通过产线验证、再到量产应用有很长的路要走。我国计算光刻领域“玩家”虽然不少,但很多都是刚刚布局,尚处于研发阶段。真正通过产线验证,实现量产应用的可谓凤毛麟角,其中无论是技术先进性还是技术成熟度,布局最早之一的东方晶源跑在行业前列。

(图片来自东方晶源官网)

东方晶源自2014年成立之初即预见性地提出GPU加速的全芯片反向光刻掩模优化技术,从根本上异于其他公司的技术路线。历经九年自主研发,已经形成PanGen 计算光刻系列产品,包括OPC、SMO等。值得一提的是,东方晶源OPC产品是全球首款全芯片反向光刻掩模优化工程软件,并为客户量产所采纳,截止目前已完成2000+张掩模数据优化。据了解,东方晶源还基于英伟达CUDA函数库自主开发图像加速操作,加速倍率40~60倍与culitho相当。根据最新的规划,东方晶源还将在GPU加速领域做更多探索。

结语

通过本文相信大家对计算光刻有了更加深刻的理解,也解答了心中疑问和担忧。在追赶国际先进技术的过程中,我们并非亦步亦趋。相反,我国科研人员通过技术创新在很多方面正在加速赶超,东方晶源在计算光刻领域GPU、ILT的超前布局就是最好的例证。相信,随着我国半导体企业的快速发展,突破创新,我国产业必将迎来自立自强、自主可控的新篇章。