Knappt hann EUV-litografi med sin betydligt högre upplösning än DUV börja användas innan det blev dags för att se sig om efter nästa steg, i den ständiga jakten på mindre transistorer. Nyligen avtäckte Applied Materials plattformen Centura Sculpta Pattern System som ska komplettera EUV-maskinerna från ASML, men nya och förbättrade litografiska verktyg är endast ett av flera nödvändiga steg på vägen mot fortsatta avancemang.
Under Nvidias GPU Technology Conference avtäcks ett samarbete mellan grafikjätten, ASML, TSMC och Synopsys för att accelerera utvecklingen av nästa generations halvledare. Det handlar om ett nytt mjukvarubibliotek kallat cuLitho – som tydligt anspelar på Computational Lithography – och accelereras av Nvidias beräkningskort, för att drastiskt ska korta ledtiderna att skapa de fotomasker som blockerar och släpper igenom ljus för att rita mönster på kiselskivor.
Computational Lithography är steget innan det är dags att gå från kretsdesign till litografisk tillverkning, där ett stort antal nämnda fotomasker krävs. Genom enorma beräkningsresurser hos datacenter simuleras Maxwells ekvation av hur ljus beter sig när det passerar genom optik och interagerar med fotoresistorer, vilket lägger grund för de mönster som ska appliceras på en fotomask. Att detta krävs är för att mönstret på en fotomask inte alls motsvarar det mönster som ritas på kiselskivan.
För att illustrera vikten av att korta ledtiderna tar Nvidia sin egen beräkningskrets H100 ”Hopper” som exempel. Denna tillverkas på 4 nanometer av TSMC, mäter 814 mm² och har hela 80 miljarder transistorer. För att tillverka dessa kretsar krävs inget mindre än 89 fotomasker och att framställa en enskild mask kan ta två veckor. Det är också just Nvidia H100 som tillsammans med mjukvarubiblioteket cuLitho ska accelerera processen och utföra samma arbete över 40 gångar snabbare – på runt 8 timmar.
En ansenlig del av de hundratals miljarder USD som investeras i kretstillverkning går till stora datacenter för Computational Lithography, som förutom en uppstartskostnad har stora energibehov. Ett modernt datacenter från TSMC uppges bestå av 40 000 CPU:er och drar 35 megawatt, och är de doningar som idag tar veckor på sig att skapa fotomasker. För att nå de 8 timmar Nvidia talar om används istället 500 DGX H100-system, som vardera huserar 8 stycken H100-beräkningskort, och som drar endast 5 megawatt.
Sammantaget menar Nvidia att det med cuLitho blir möjligt att korta prototypcyklerna rejält, öka kapaciteten hos en kretstillverkare som snabbare kan gå från design till faktisk tillverkning och genom lägre energianvändning sänka koldioxidutsläppen. Vidare gör Nvidia gällande att snabbare framställning av fotomasker är ett viktigt steg när det är dags att tillverka kretsar på 2 nanometer, något TSMC har för avsikt att göra år 2025.
Överraskande nog är det inget tillkännagivande av något som komma skall, utan en färdig lösning TSMC ska börja använda skarpt redan i juni. Även om TSMC är en central del av samarbetet och får ett försprång blir cuLitho inte en exklusiv produkt. ASML låter meddela att de ska bygga in stöd för GPU-acceleration i samtliga av sina mjukvaruprodukter för Computational Lithography.
The cost of the computational time needed for the largest workloads in semi manufacturing has in recent years been outpacing Moore’s law, due to both the larger number of transistors in newer nodes and more stringent accuracy requirements. Future nodes require more detailed calculations, not all of which can feasibly fit into the available computational bandwidth provided by the current platforms, slowing the pace of innovation in semiconductors.
A fab process change often requires an OPC (optical proximity correction) revision, creating bottlenecks. cuLitho helps remove these bottlenecks, and it makes possible novel solutions and innovative techniques like curvilinear masks, high NA EUV lithography, and sub-atomic photoresist modeling needed for new technology nodes.
Avslutningsvis ser Nvidia acceleration med tekniker som cuLitho som en viktig del i framtida tekniker som ännu inte realiserats. Bland dessa nämns nästa generations EUV-litografi kallad High NA (High Numerical Aperture), kurvlinjära fotomasker och subatomära modeller för fotoresistorer.
