目前，計(jì)算光刻通常包括光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）、光源-掩膜協(xié)同優(yōu)化技術(shù)（SMO）、多重圖形技術(shù)（MPT）、反演光刻技術(shù)（ILT）等四大技術(shù)。同時(shí)，研究人員不斷創(chuàng)新光刻模型與優(yōu)化算法，開(kāi)發(fā)出多種新型計(jì)算光刻技術(shù)，但OPC和 ILT技術(shù)相對(duì)屬于行業(yè)主流引領(lǐng)技術(shù)。而若沒(méi)有OPC等計(jì)算光刻軟件，IC制造廠商將失去將芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的能力。

鑒于計(jì)算光刻地位突出，ASML將其稱為“鐵三角”軟件部分的中堅(jiān)力量?！队?jì)算光刻研究及進(jìn)展特邀綜述》一文也指出，在某種程度上，先進(jìn)半導(dǎo)體工藝研發(fā)正是圍繞計(jì)算光刻開(kāi)展。通過(guò)計(jì)算光刻的迭代循環(huán)，確定最終的工藝方案，可以有效降低傳統(tǒng)工藝研發(fā)中的試錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)和成本，縮短工藝研發(fā)周期。因此，目前這項(xiàng)技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期。

新技術(shù)高地 英偉達(dá)引領(lǐng)？

在工藝技術(shù)不斷升級(jí)基礎(chǔ)上，計(jì)算光刻已經(jīng)在集成電路制造中獲得了成功應(yīng)用。英偉達(dá)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛日前在GTC大會(huì)上指出，“隨著光刻技術(shù)達(dá)到物理極限，英偉達(dá)聯(lián)手合作伙伴臺(tái)積電、ASML 和 Synopsys 推出的cuLitho，將能使晶圓廠能夠提高產(chǎn)量、減少碳足跡并為 2nm 及更高工藝奠定基礎(chǔ)?！?/p>

實(shí)際上，cuLitho 本質(zhì)上是基于 CUDA 的庫(kù)擴(kuò)展及針對(duì)計(jì)算光刻加速進(jìn)行了優(yōu)化。黃仁勛聲稱，在英偉達(dá)GPU上加速的 cuLitho 將比傳統(tǒng)光刻處理提升 40 倍，以及其500臺(tái)DGX H100服務(wù)器可以并行運(yùn)行4萬(wàn)臺(tái)CPU服務(wù)器的計(jì)算工作，從而使能耗將從35兆瓦降至5兆瓦。此外，使用cuLitho的晶圓廠每天可生產(chǎn)3-5倍光掩膜，但僅使用當(dāng)前配置電力1/9。

對(duì)此，行業(yè)人士對(duì)集微網(wǎng)表示，計(jì)算光刻技術(shù)并不新鮮，已經(jīng)存在多年，基本上是一臺(tái)可生成先進(jìn)光罩的"高速計(jì)算機(jī)"。目前，ASML、D2S和Synopsys都有向英特爾、三星、臺(tái)積電、美光等芯片制造商出售其計(jì)算光刻技術(shù)的軟硬件產(chǎn)品，所以cuLitho的推出并不具備市場(chǎng)震撼性，更多的是英偉達(dá)在顯示他們的能力。

不過(guò)，福布斯網(wǎng)站的專欄作者Dave Altavilla撰文稱，“cuLitho將成為英偉達(dá)的另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如果芯片制造行業(yè)轉(zhuǎn)向這項(xiàng)技術(shù)，該公司將為其DGX H100服務(wù)器和GPU平臺(tái)提供巨大的新收入渠道。目前，英偉達(dá)無(wú)疑是人工智能領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，它也可能在半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占據(jù)類似的主導(dǎo)地位。”

為了提高仿真和優(yōu)化效率，近年來(lái)研究人員開(kāi)始將機(jī)器、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)引入計(jì)算光刻領(lǐng)域。對(duì)于cuLitho是否以及如何運(yùn)用人工智能算法技術(shù)，英偉達(dá)方面在多個(gè)會(huì)議上都沒(méi)有明確提及。但Vivek Singh在會(huì)議中回答相關(guān)問(wèn)題時(shí)稱，cuLitho可以支持傳統(tǒng)的舊工藝，因?yàn)槠渚褪怯米魈嵘馕隽?、消除衍射等。但這勢(shì)必會(huì)涉及成本、適配和良率等問(wèn)題。

值得注意，黃仁勛還提到cuLitho將在臺(tái)積電2nm工藝中的使用。借助cuLitho，臺(tái)積電可以縮短原型周期時(shí)間、提高晶圓產(chǎn)量，減少芯片制造過(guò)程中的能耗。據(jù)其透露，臺(tái)積電將于2023年6月開(kāi)始對(duì)cuLitho進(jìn)行生產(chǎn)資格認(rèn)證，并會(huì)在2024年對(duì)2nm制程開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2025年開(kāi)始量產(chǎn)。而這也給臺(tái)積電、三星的先進(jìn)制程之爭(zhēng)增添了一些變數(shù)。

盡管大力宣揚(yáng)性能指標(biāo)先進(jìn)，但英偉達(dá)尚未針對(duì)cuLitho建立較為清晰的商業(yè)模式 。上述行業(yè)人士稱，“ASML、D2S、Synopsys、Mentor等公司的系統(tǒng)都是基于英偉達(dá)的GPU。從這個(gè)角度看，英偉達(dá)利用CuLitho及強(qiáng)勢(shì)行業(yè)位置來(lái)加強(qiáng)GPU占有率才是他們的策略。至于CuLitho如何收費(fèi)并不是主要的關(guān)注點(diǎn)，他們一起合作的最終目的是擴(kuò)大未來(lái)AI市場(chǎng)占有率。”

誠(chéng)然，從英偉達(dá)聯(lián)手合作伙伴推出cuLitho可以看出，將計(jì)算光刻原理與先進(jìn)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)相結(jié)合或是未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展方向，但新技術(shù)在實(shí)用化進(jìn)程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的整體性提升，業(yè)界正致力于在后摩爾時(shí)代解決計(jì)算光刻領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)難題，從而為先進(jìn)半導(dǎo)體制程的快速發(fā)展注入新的活力和動(dòng)能。

壟斷加管制 國(guó)產(chǎn)化緊迫

作為實(shí)現(xiàn)高端芯片量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算光刻的重要性不言而喻，但國(guó)內(nèi)相關(guān)半導(dǎo)體企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中包括外部的國(guó)際壟斷和西方國(guó)家出口管制，以及內(nèi)部的起步較晚、投入不足、存在技術(shù)壁壘和商用化痛點(diǎn)等問(wèn)題。而在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)下，計(jì)算光刻國(guó)產(chǎn)化已刻不容緩。

據(jù)中科院微電子研究所計(jì)算光刻課題組介紹，目前主流計(jì)算光刻軟件包括Tachyon（荷蘭ASML/Brion產(chǎn)品，國(guó)際領(lǐng)先光源-掩膜協(xié)同優(yōu)化軟件，全球市場(chǎng)占有率第一）、Prolith（美國(guó)KLA公司產(chǎn)品，精確的光學(xué)、光刻工藝集成仿真軟件）、Mentor Calibre（美國(guó)Mentor Graphics公司產(chǎn)品，業(yè)界領(lǐng)先的OPC專業(yè)仿真軟件，后被德國(guó)西門(mén)子收購(gòu)）。

據(jù)悉，這三種計(jì)算光刻仿真軟件的功能各有側(cè)重，在各自細(xì)分領(lǐng)域里處于領(lǐng)先乃至壟斷地位，其中ASML在SMO有優(yōu)勢(shì)，Mentor 在OPC優(yōu)勢(shì)明顯，Synopsys 東西比較多而全且靈活性強(qiáng)。它們加在一起則基本上囊括了市場(chǎng)上主流的光刻仿真軟件，代表著光刻仿真軟件的尖端水平，被各大芯片制造廠廣泛采用。

行業(yè)人士認(rèn)為，計(jì)算光刻市場(chǎng)被國(guó)際供應(yīng)商壟斷，不僅成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的核心痛點(diǎn)，擠壓了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的生存空間，也對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控和安全構(gòu)成了潛在風(fēng)險(xiǎn)。

另?yè)?jù)中國(guó)國(guó)際招標(biāo)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大陸晶圓廠的OPC 軟件供應(yīng)商包括ASML、Mentor、Anchor Semiconductor、Synopsys等。由于極其昂貴的售價(jià)，上述三大廠商對(duì)于工業(yè)用戶的售價(jià)都極為高昂，每一個(gè)軟件的年授權(quán)使用費(fèi)均高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美金。在國(guó)內(nèi)能夠同時(shí)裝備三種軟件的工廠幾乎沒(méi)有，尤其是處于成長(zhǎng)初期的中小型企業(yè)。

除了行業(yè)壟斷、價(jià)格高昂之外，國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨更嚴(yán)重的問(wèn)題或是國(guó)際出口管制。2019年12月，《瓦森納協(xié)定》增加了一條針對(duì)EUV光刻掩膜而設(shè)計(jì)的計(jì)算光刻軟件等內(nèi)容。2022年9月，全芯智造資深總監(jiān)孟曉東曾在一次行業(yè)講座中指出，這一修訂非常關(guān)鍵，直接卡住了半導(dǎo)體光刻工藝研發(fā)的源頭。

圖源：孟曉東演講PPT-《OPC的基本原理、業(yè)界概況以及國(guó)產(chǎn)化方案簡(jiǎn)介》

緊接著，美國(guó)政府進(jìn)一步推波助瀾，于2020年10月15日宣布將六項(xiàng)新興技術(shù)添加到《出口管制條例》 (EAR)的商務(wù)部管制清單(CCL)中，其中計(jì)算光刻軟件首當(dāng)其沖。

孟曉東認(rèn)為，從國(guó)內(nèi)先進(jìn)工藝發(fā)展的進(jìn)程來(lái)看，領(lǐng)先晶圓廠正在突破先進(jìn)工藝研發(fā)和生產(chǎn)，但由于對(duì)國(guó)外OPC技術(shù)的絕對(duì)依賴，核心技術(shù)受制于人，加上計(jì)算光刻技術(shù)薯蓋從0.18微米到先進(jìn)工藝的絕大多數(shù)工藝節(jié)點(diǎn)，在發(fā)生極限斷供情況，晶圓廠有停工停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。由于有安全因素和自主可控的要求，計(jì)算光刻國(guó)產(chǎn)化的需求極為緊迫。

十年磨一劍 只待筑高塔

危難時(shí)刻，國(guó)內(nèi)也常有科研機(jī)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)企業(yè)勇挑重?fù)?dān)、投身其中。宇微光學(xué)創(chuàng)始人劉世元表示，“OPC是芯片設(shè)計(jì)工具EDA工業(yè)軟件的一種，沒(méi)有這種軟件，即使有光刻機(jī)也造不出芯片。從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，我們團(tuán)隊(duì)整整走了十年。十年磨一劍，就是要解決芯片從設(shè)計(jì)到制造的卡脖子問(wèn)題?！?/p>

據(jù)華中科技大學(xué)公號(hào)介紹，2022年11月，該校機(jī)械學(xué)院劉世元教授成立的宇微光學(xué)（成立于2020年10月21日）成功研發(fā)出我國(guó)首款完全自主可控的OPC軟件，并已在相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，從而填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。目前其正在做集成與測(cè)試，并到芯片生產(chǎn)廠商做驗(yàn)證。

“創(chuàng)業(yè)與科研不同，要面向市場(chǎng)，在短期內(nèi)形成產(chǎn)品并獲得客戶和投資人的認(rèn)可，面臨眾多風(fēng)險(xiǎn)和不確定性?！?/strong>劉世元表示，之所以走出舒適區(qū)，走上創(chuàng)業(yè)路，是希望自己的研究成果能夠最終轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，為國(guó)家和社會(huì)發(fā)展作貢獻(xiàn)。