计算光刻是电脑芯片制造的关键步骤。ASML对它的定义是，利用计算机建模、仿真和数据分析等手段，预测、校正、优化和验证光刻工艺在一系列图案、工艺和系统条件下的成像性能。它涉及电磁物理、光化学、计算几何、迭代优化和分布式计算这些复杂的计算，是整个半导体设计和制造过程中计算最密集的工作负载。晶圆代工厂通常会专门为这些计算设立大型数据中心。而现在先进芯片的尺寸越来越小，降至3nm及以下，需要计算光刻更加精准，计算光刻所需的时间也越来越多。没有更强大的计算光刻很难实现复杂的掩模版设计。计算光刻历来是将新技术节点和电脑架构推向市场的瓶颈。エヌビディアのcuLithoプラットフォームは、チップ製造の基盤となるステップである計算リソグラフィの速度を大幅に向上させました。このプラットフォームにより、エヌビディアとタイワンセミコンダクターマニュファクチャリングは、マスクの曲線形状工程速度と伝統的なマンハッタン形状工程速度をそれぞれ45倍とほぼ60倍に向上させました。cuLithoの工程速度向上の基盤の上で、エヌビディアが開発した生成型AIアプリケーションのアルゴリズムはさらに2倍の速度向上を実現しました。
米東部時間10月8日火曜日にワシントンで開催された「エヌビディアAIサミット」では、エヌビディアはタイワンセミコンダクターマニュファクチャリングとの加速計算分野での協力成果を強調しました。cuLithoというエヌビディアの計算リソグラフィプラットフォームは、タイワンセミコンダクターマニュファクチャリングで稼働し、計算リソグラフィの基盤工程速度を大幅に向上させ、エネルギー消費を低減しました。
エヌビディアは、cuLithoが計算をリソグラフィ分野に導入し、cuLithoを稼働させることでタイワンセミコンダクターマニュファクチャリングが次世代半導体技術の開発を加速できるようになり、現在の製造工程が物理学の限界に近づいている中、生産性を向上させ、物理的制約を克服できます。
計算リソグラフィはコンピュータチップ製造の重要なステップです。ASMLの定義によると、コンピュータモデリング、シミュレーション、データ分析などを使用して、一連のパターン、プロセス、およびシステム条件下で、リソグラフィプロセスのイメージング性能を予測、補正、最適化、検証します。これには、電磁物理学、光化学、計算幾何学、反復最適化、分散コンピューティングなど、複雑な計算が関わり、半導体設計と製造全体の中で最もコンピューティング密度の高い作業負荷です。ウェハ工場は通常、これらの計算のために大規模なデータセンターを設置します。現在、先進のチップはサイズがますます小さくなり、3nm以下になり、より精密な計算リソグラフィが必要とされ、計算リソグラフィに必要な時間も増加しています。より強力な計算リソグラフィがないと、複雑なマスク設計を実現するのは難しいです。計算リソグラフィは新技術ノードとコンピュータアーキテクチャを市場に投入する瓶の首となっています。
昨年のエヌビディア開発者会議GTCで、エヌビディアはGPUをベースにしたcuLitho計算リソグラフィ技術ソフトウェアライブラリを発表し、リソグラフィ分野のゲームルールを変えると評されました。cuLithoの中心には、エヌビディアの科学者が発明した一連の並列アルゴリズムがあり、リソグラフィプロセスのすべての部分を並列で実行できます。以前は4万台のCPUシステムが必要だった作業が、現在はわずか500台のエヌビディアDGX H100システムで完了できます。cuLithoを使用するウェハ工場は、1日あたりの光マスク出力を3〜5倍に増やすことができ、消費電力は現行の構成より9倍低下できます。
今週火曜日、エヌビディアは今年のGTCカンファレンスで公開された成果を再確認しました。先進のウェハ工場は、リソグラフィに数百億時間のCPU計算時間を費やす必要があり、1つのチップマスクセットには通常、3000万時間以上のCPU計算時間が必要な場合があります。そのため、ウェハ工場には大規模なデータセンターが必要です。しかしながら、加速計算により、350台のエヌビディアH100 Tensor Core GPUシステムだけで今では4万台のCPUシステムを代替でき、生産スピードを加速し、同時にコスト、スペース要件、および消費電力を削減できます。
タイワンセミコンダクターマニュファクチャリングのCEO、魏哲家は今年のエヌビディアGTCカンファレンスで、GPUを加速計算に統合するためにエヌビディアと協力した結果、タイワンセミコンダクターマニュファクチャリングは性能を大幅に向上させ、スループットを増加させ、サイクル時間を短縮し、消費電力を削減しました。
エヌビディア今年のGTC大会で明らかにしたところによると、昨年導入して以来、cuLithoは台湾半導体の革新的なパターニング技術に新たな機会をもたらしています。共有ワークフローで実行されたcuLithoのテストによると、エヌビディアと台湾半導体は曲線処理速度と従来のマンハッタンスタイル処理速度をそれぞれ45倍とほぼ60倍向上させました。これら2つのプロセスの違いは、曲線処理の光マスクの形状が曲線であるのに対し、マンハッタンスタイル処理の光マスクの形状は水平または垂直に制限されている点です。
本日エヌビディアは、開発した生成AIアプリケーションアルゴリズムについても言及しました。実証によると、このアルゴリズムはcuLithoプラットフォームの価値を向上させました。cuLithoのプロセス速度向上を基に、新しい生成AIワークフローは速度をさらに2倍に引き上げました。生成AIを適用することで、ほぼ完璧なリバース光マスクまたはリバースソリューションを作成することが可能であり、計算リソグラフィでの光の回折問題を解決し、それから伝統的な厳密な物理的手法によって最終的な光マスクを導き出し、光学近接効果補正（OPC）プロセス全体を2倍速くしました。
OPCは半導体リソグラフィで30年の歴史があります。エヌビディアによると、この30年間、加速された計算とAIのような2つの技術が、OPCにこのように急速な変革をもたらしてきました。これらの技術により、物理モデリングがより正確になり、かつかつてリソース集中型であった数学技術が実現されました。
現在、ウェハ工場の多くの変更にはOPCの修正が必要であり、これが計算量を増加させ、ウェハ工場の開発サイクルにボトルネックをもたらしています。計算リソグラフィ技術の速度向上により、ウェハ工場が各マスクの作成速度を大幅に向上させ、新しい技術ノードの総周期を短縮しました。さらに重要なのは、過去に実現できなかった新たな計算を可能にしています。
エヌビディアは、20年前に逆リソグラフィ技術が提唱された例を挙げていますが、計算時間が長すぎたため、全チップ規模で正確な計算を実施することはほとんど不可能でした。cuLithoがあれば、状況は異なります。リーディングファウンドリーはこれを利用して逆解決再解決ソリューションを強化し、次世代の強力な半導体を生み出すのに役立つでしょう。