全文 - NVIDIA CuLitho and the Future of Inverse Lithography 与 cuLitho 简介

1. cuLitho 简介1.1. cuLitho 做了什么cuLitho 是 NVIDIA 推出的**计算光刻Computational Lithography**加速库主要用于以下高算力需求的芯片制造环节光学邻近校正OPC, Optical Proximity Correction修正光刻过程中因光的衍射和邻近效应导致的图案失真确保掩模上的电路图案能准确投影到硅片上。逆光刻技术ILT, Inverse Lithography Technology通过逆成像算法求解最优掩模形状以在先进制程下获得更高精度。掩模合成与全芯片修正Mask Synthesis包括全芯片邻近效应修正、模型构建与验证等。曲线流与曼哈顿流Curvilinear Manhattan FlowsTSMC 实测中曲线流获得45 倍加速传统曼哈顿流获得近60 倍加速。高数值孔径 EUVHigh-NA EUV与亚原子光刻胶建模为 2nm 及以下节点提供物理级仿真支持。生成式 AI 辅助光刻NVIDIA 在 cuLitho 中引入生成式 AI 算法可在已有 GPU 加速基础上再带来2 倍额外加速用于快速生成近完美的逆光刻掩模解。总体而言cuLitho 将原本需要数周 CPU 计算的光刻掩模制作缩短至隔夜完成并使 500 台 NVIDIA DGX H100 GPU 系统可替代约 40,000 台 CPU 系统功耗降低约 9 倍。1.2. cuLitho 不开源根据 NVIDIA 官方开发者论坛的确认cuLitho 是企业级产品enterprise product并非开源软件。1.3. 关于 cuLitho 的文档没有公开的完整文档或免费下载渠道。同样依据 NVIDIA 官方论坛的说明cuLitho 无法通过公开链接下载需要通过 NVIDIA 销售团队购买。目前主要面向台积电TSMC、新思科技Synopsys、ASML 等半导体产业链头部企业合作部署。2. NVIDIA CuLitho 与逆光刻技术的未来GPU 规模计算如何重塑先进制程的掩模合成。作者Vikram Sekar日期2025 年 3 月 31 日类型付费文章NVIDIA 在 2023 年 GTC 大会上宣布了 CuLitho。这个名字看似有些滑稽不是愚人节玩笑CuLitho 是一个 GPU 加速软件库用于加速芯片制造中掩模的制作过程。在 2024 年 GTC 大会上又有新消息称 CuLitho 将计算密集型晶圆厂操作加速了 60 倍台积电首席执行官魏哲家博士宣布我们正在将 NVIDIA cuLitho 投入台积电的生产利用这一计算光刻技术来推动半导体缩放的关键组成部分。最近新思科技Synopsys宣布他们在器件与电路仿真以及计算光刻等多项工作流程中使用了 Blackwell 系列的 GB200 芯片。虽然 CuLitho 不断出现在新闻中但我在半导体制造方面的基础知识有限无法真正领会这一进展的意义。所以我深入研究了一下。来源Synopsys我花了几天时间深入研究计算光刻的方方面面然后意识到我应该先看下面这个 Asianometry 制作的精彩视频它解释了 NVIDIA 芯片在光刻中的应用。由于这个视频做得太好了我几乎不想写这篇文章了但最终还是在网络上好心人的鼓励下写了出来——他们鼓励我用我自己的方式来解释并尽可能补充一些内容。所以我就写了。这篇文章是我对逆光刻计算的工作原理以及 GPU 加速在半导体制造未来中所扮演角色的理解。以下是我们将要讨论的内容光刻、关键尺寸与瑞利判据光刻中的光学修正逆光刻技术ILT GPU 加速与 ILT 的未来阅读时间11 分钟如果您愿意支持这些文章背后的研究和写作工作并希望获得更多见解和资源请考虑升级为付费订阅。光刻、关键尺寸与瑞利判据光刻是在硅晶圆上图案化微小几何结构的过程使我们能够制造出具有纳米级特征尺寸的现代晶体管。就像早期冲洗照片一样光刻过程需要一个掩模它类似于胶片的底片。掩模的作用是让光线在某些区域通过而在其他区域阻挡光线。晶圆上的特征根据其是否与光线相互作用而形成。因此为了图案化复杂的电子电路我们需要许多掩模对应于硅晶圆各个层级所需的几何结构。例如台积电的 5nm EUV 工艺需要 81 个掩模每个掩模的成本约为 10 万美元以上。来源ASML要全面了解芯片制造过程我推荐你观看下面这个 YouTube 视频它包含了一些精彩的动画。理想情况下我们希望硅晶圆上的几何结构尽可能小这样我们就能在很小的面积内塞入大量结构。但使用光刻系统能够制造的最小特征尺寸被称为关键尺寸Critical Dimension, CD它由**瑞利判据Rayleigh criterion**决定。我们希望让 CD 尽可能小为此我们有几个可以调节的参数波长λ这是光刻过程中使用的光的波长。例如使用 193 nm 的氟化氩ArF准分子激光器结合浸没式光刻是实现晶体管小型化的重要一步。如今极紫外EUV光刻使用 13.5 nm 的光通过用激光轰击锡滴来产生。数值孔径NA这是衡量镜头能够收集光线的总角度范围的指标。高 NA 镜头可以增加可图案化特征的分辨率但会减小焦深。焦深非常浅意味着即使晶圆厚度发生微小变化也会影响光刻效果这是不希望的。k1 因子这是一个代表光刻过程中用于提高分辨率的所有其他技术的因子。从光学角度来看物理上将 k1 的下限限制在 0.25尽管有一些光刻技术可以突破这一限制。k1 因子是半导体晶圆厂试图在光刻步骤中通过技巧来改进的以便能够在晶圆上精确制造出更小的特征。接下来我们将讨论其中一些技巧。光刻中的光学修正与胶片照片不同在先进的光刻工艺中底片掩模看起来与图案化特征大不相同。原因是纳米尺度上的光会发生衍射如果不对掩模进行修正图案化的几何结构将会是一团糟。对掩模的预修正是通过一种称为**光学邻近修正Optical Proximity Correction, OPC**的过程完成的。下图展示了打印一个简单十字图案所需的掩模形状是如何演变的。让我们进一步谈谈每一次演变。来源NVIDIA#1基于规则的 OPC基于规则的 OPC 依赖于一组预定义的规则来修改掩模布局。这些规则是通过反复试验制定的通过比较掩模布局与图案化形状并对掩模进行调整直到打印出正确的图案化形状。下面的例子展示了对掩模进行的一个简单的狗耳修改。这种方法在约 130 nm 节点之前运作良好但在 90 nm 节点开始失效。#2基于模型的 OPC当晶体管栅极长度缩小到约 65 nm 时基于模型的 OPC 修正成为了事实上的标准。这种修正方法是基于广泛的仿真紧凑型模型设计的能够根据掩模布局预测图案化形状。它可以对掩模进行更复杂的修正以提高图案化形状的分辨率。最终随着晶体管节点缩小到 45 nm 及以下基于规则的方法中的启发式规则也被纳入基于模型的方法中。制作掩模对计算的需求催生了计算光刻技术的兴起。#3亚分辨率辅助特征SRAFsSRAFs 是掩模上的一些特征它们实际上不会形成印刷特征因为它们的大小低于光刻系统的分辨率极限。它们的主要作用是在曝光期间影响光的衍射图案以提高印刷图案的分辨率和精度。SRAFs 可以与基于规则、基于模型或 ILT 方法一起使用是 OPC 的关键组成部分。SRAFs 在掩模上的放置由光刻仿真决定计算量可能非常大。来源SemiWiki现在我们已经了解了传统掩模修正的演变让我们看看下一个前沿——逆向设计。逆光刻技术ILT随着晶体管进一步缩小逆光刻技术ILT变得至关重要。为了在硅片上产生任何图案掩模设计看起来与预期几何结构完全不同与你凭直觉想象的完全无关。与其从一个看起来像被图案化形状的掩模开始然后试图对其进行调整ILT 将这一过程反转转而提出这样一个问题什么样的光学掩模形状能够产生最接近预期硅片形状的结果这里的重要之处在于对掩模是否应该与最终特征形状哪怕有丝毫相似没有任何约束许多独特的掩模形状可能产生相同的最终特征¹。下图展示了 ILT 设计的掩模图案是什么样子以及最终图案如何基于这个掩模在硅片上形成。你可以看到除了如果你眯起眼睛看的话整体大致形状之外两者之间没有直观的联系。来源L. (Leo) Pang, “Inverse lithography technology: 30 years from concept to practical, full-chip reality,” J. Micro/Nanopattern. Mats. Metro., vol. 20, no. 03, Aug. 2021.ILT 的概念自 1980 年代就已存在但首次商业化应用于半导体制造的是 Luminescent Technologies时间是 2003 年。到 2010 年有三家公司在 ILT 领域占据主导地位Luminescent2012 年被 Synopsys 收购、英特尔称之为像素化掩模方法以及后来被 D2S Inc 收购的 Gauda。ILT 在刚推出时是革命性的但由于几个技术原因它并没有立即被广泛采用找到 ILT 掩模上的正确形状需要巨大的计算量更高的复杂度意味着写入掩模需要花费大量时间最重要的是193 nm 氟化氩ArF浸没式光刻技术的出现意味着可以在不需要复杂 ILT 掩模的情况下图案化更小的特征。因此ILT 主要用于一些利基应用如存储器单元阵列打印、逻辑电路中的热点修复或作为改进传统 OPC 的黄金标准。随着技术节点发展到 7 nm 及以下所需的小分辨率使得 ILT 设计的掩模使用越来越频繁。考虑到一颗芯片上有数百万个图案化特征而制造它的掩模必须进行逆向设计计算需求极具挑战性。即使像台积电 5nm 这样的工艺有 81 个掩模由于 ILT 的复杂性它也只用于少数几个关键掩模。ILT 的使用要求晶圆厂拥有自己的数据中心配备数万台 CPU每年运行数百亿小时以确定在先进逻辑节点制造所需的正确掩模图案。光刻对计算的需求仍在上升但幸运的是GPU 加速的出现开辟了无限可能。GPU 加速与 ILT 的未来ILT 所需的图像处理量和计算量使 GPU 加速成为提高计算效率的完美候选方案。我们将探讨 GPU 加速对未来光刻的好处识别一些关键公司并在付费墙后提供额外的研究资源。脚注¹ 原文注释标记保留。