英伟达进军2纳米光刻技术：cuLitho为什么被台积电看中？

编者按：NVIDIA cuLitho通过借助 GPU将用于纳米级计算光刻的逆光刻技术加速了 40 倍，有助于创建新的解决方案，使未来的半导体技术更便宜、更可预测。

随着Chat GPT火爆全球，掩盖在表面应用层下的基础硬件技术公司英伟达浮出水面。令人惊奇的是，英伟达不仅提供了业界唯一可用于驱动GPT-4的A100芯片，还在2022年下半年发布了A100的下一代产品H100，计算能力进一步大幅度提升。

然而更令人惊讶的是，英伟达推出了新的加速2纳米逻辑芯片工艺的新技术--cuLitho，令舆论一片哗然。那么这项技术主要是做什么的呢？

我们知道，随着半导体工艺的微缩化，芯片制程对光刻分辨率的提升需求越来越严格，通过对掩模版施加矫正技术来提升精度越来越受到重视。

在1990年代，当时的光刻分辨率要求仍然在普通光学镜头可以满足的时期，掩模版的图案和光刻曝光图案是没有矫正的。

1990年代末，开始出现最简单的“Dog ears”的矫正；2000年代，出现基于模型的OPC矫正；2010年代出现了OPC协同规则辅助特征的矫正方案；而到了2020年代，EUV光刻的极限分辨条件下，更复杂的逆光刻技术（ILT）开始受到重视！

ILT技术是对于给定的设计图案，通过计算确定掩模版的矫正图案，这个计算量是非常庞大的。对于一个英伟达的A100芯片，通常情况可能使用高达近100个掩模版；而传统计算一个ILT图案需要2周时间--这对于任何一个先进芯片工艺来说，都是一个冗长的时间。使用英伟达的cuLitho技术，则可以将ILT计算时间从2周缩短到8小时。

值得一提的是，ILT技术是华人科学家Danping Peng创建的。Peng于2003年初首次实施和演示ILT，当时他在一家加州大学洛杉矶分校孵化的初创企业Luminescent Technologies担任工程师。

不过，虽然ILT被证明是一种可行的光刻技术，但是有几个技术和经济因素阻碍了ILT的采用：

1，ILT需要大量时间来计算掩模版的矫正图案；

2，ILT的掩模版文件很大，比传统掩模版文件大 6-7 倍，因此使用可变形状光束 （VSB） 写入器写入需要很长时间；

3，光刻机技术不断进步，例如ASML推出了具有更好聚焦和计量控制的机台，使用传统的掩模版已经可以满足制造需求。

由于ILT技术设计的计算，实际上一部分是图像问题，而处理图形计算正是英伟达和它的GPU的长处。英伟达工程师和包括台积电在台的行业伙伴，利用4年的时间，提出了一系列的算法，成功的实现了突破。根据英伟达的说法：

1，使用cuLitho可以让500台Nvidia DGX H100计算机完成拥有40000个CPU核的系统的工作；

2，使用cuLitho每天可以生产三到五倍的光掩模；

3，使用cuLitho将能耗从35兆瓦降低到5兆瓦。

不仅如此，cuLitho不仅可以大幅提升ILT的计算速度、减少制造掩模版的时间，而且有可能会提供更好的分辨率。这是由于CuLitho在掩模上产生难以计算的弯曲多边形，从而为投射到晶圆上的图案提供更大的聚焦深度。更大的聚焦深度会减少光刻曝光时的图案畸变，因此有望提升芯片的生产速度，甚至有可能将原本需要双重曝光的工艺用单次曝光即可完成。

值得一提的是，前不久，美国另一家半导体巨头应用材料也推出了一个基于硬件的EUV光刻辅助工具，备受行业关注。而此次英伟达推出的cuLitho是基于软件的光刻辅助工具，也有望在下一代EUV光刻技术上大放异彩。

参考资料

Nvidia 将关键芯片制造计算速度提高 40 倍 - IEEE Spectrum：https://spectrum.ieee.org/inverse-lithography

加速逆光刻技术的大批量生产 |英伟达技术博客 (nvidia.com)：https://developer.nvidia.com/blog/accelerating-high-volume-manufacturing-for-inverse-lithography-technology/