Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) überarbeitet einen zentralen Teil seines Chipherstellungsprozesses. Für seine 2-nm-Chips der nächsten Generation wird der Gießereiriese krummlinige Masken übernehmen und damit die jahrzehntelang verwendete geradlinige „Manhattan“-Geometrie aufgeben.
Diese Änderung ermöglicht das Drucken präziserer Muster auf Silizium und steigert die Chipleistung.
Dieser Sprung wird durch neue Mehrstrahl-Maskenschreiber und fortschrittliche Software wie die GPU-basierte CuLitho-Plattform von Nvidia ermöglicht.
Die Investition ist zwar kostspielig, wird aber durch den boomenden KI-Markt vorangetrieben, wo margenstarke Chips von Kunden wie Nvidia die Pionierarbeit bei diesen komplexen neuen Fertigungstechniken rechtfertigen.
Von Manhattan Grids zu Curvy Lines: Eine neue Geometrie für die Chipherstellung
Zum ersten Mal seit über einem Jahrzehnt wird die grundlegende Geometrie des Chipdesigns neu gezeichnet.
TSMCs 2-nm-(N2)-Prozessknoten wird der erste sein, der krummlinige Masken verwendet, eine deutliche Abkehr von der Abhängigkeit der Branche von geradlinigen oder geradlinigen Mustern, die oft als „Manhattan“-Geometrie bezeichnet werden.
Krümmungslinienmasken in der Halbleiterfertigung sind Fotomasken, deren Muster Kurven oder Freiformformen umfassen, anstatt auf herkömmliche geradlinige (gerade Kanten) Formen beschränkt zu sein, die nur vertikal oder horizontal ausgerichtet sind.
Konkret können krummlinige Masken Kanten enthalten, die weder Manhattan-Winkel (strikt 90-Grad-oder 45-Grad-Winkel) noch gerade Linien sind, sondern stattdessen glatte Bögen, Kreise, Ovale, Splines oder stückweise lineare Polygone mit abgewinkelten Kanten über die standardmäßige Orthogonalität hinaus umfassen können Geometrien.
Diese Masken werden unter Verwendung fortschrittlicher optischer Proximity Correction (OPC) und inverser Lithographietechniken (ILT) entworfen, die die Fotomaskenformen als Kurven optimieren, anstatt sie durch viele kleine Rechtecke oder Manhattan-Polygone anzunähern.
Die Verwendung krummliniger Formen ermöglicht eine bessere Wiedergabetreue beim Drucken komplexer und kleiner Merkmale auf Siliziumwafern, was zu größeren lithografischen Prozessfenstern, einer verbesserten Tiefenschärfe und geringeren Prozessvariationen führt.
Diese Verschiebung begleitet den Übergang zu Gate-All-Around (GAA)-Transistoren und markiert einen der bedeutendsten technologischen Veränderungen in der Halbleiterfertigung seit fast 15 Jahren.
Photolithographie, der Prozess des Druckens von Chipdesigns auf Siliziumwafer, ist unterliegt der Physik des Lichts.
Licht wird auf natürliche Weise gebrochen und verzerrt und bevorzugt keine scharfen 90-Grad-Winkel. Krummlinige Designs, die glatte Kurven verwenden, modellieren das Verhalten des Lichts genauer, was zu einer originalgetreueren Übertragung des beabsichtigten Musters auf den Wafer führt.
Dies erweitert das gesamte Prozessfenster, macht die Fertigung widerstandsfähiger gegenüber geringfügigen Abweichungen und verbessert letztendlich die Chipausbeute und-leistung.
Seit Jahren wissen Ingenieure, dass gebogene Designs theoretisch überlegen sind. Mithilfe einer Technik namens Inverse Lithography Technology (ILT) konnten sie vom gewünschten Muster auf dem Wafer rückwärts arbeiten, um das optimale, oft psychedelisch aussehende Maskendesign zu berechnen.
Dieses Ideal blieb jedoch aufgrund der Werkzeuge ein akademisches Konzept Es gab keine Möglichkeit, diese Masken zu erstellen.
Traditionelle Maskenschreiber, bekannt als Variable Shaped Beam (VSB)-Systeme können nur Rechtecke und Quadrate erzeugen. Um eine Kurve zu erstellen, mussten sie diese mit Tausenden winziger, überlappender Rechtecke in einem Prozess namens „Manhattanisierung“ annähern.
Diese Konvertierung war nicht nur ungenau und erzeugte unscharfe Kanten, sondern auch unglaublich langsam.
Eine VSB-Maschine schreibt jedes Rechteck mit einem einzigen „Schuss“ ihres Elektronenstrahls. Die schiere Anzahl an Schüssen, die für komplexe, manhattanisierte Muster erforderlich sind, führte zu einem schwerwiegenden Durchsatzengpass, wobei sich die Maskenschreibzeiten von Stunden auf Tage erstreckten.
Die Technologie hinter den Kurven: Mehrstrahlschreiber und GPU-gestützte Physik
Dieser Sprung in der Fertigungspräzision ist auf die Konvergenz von Durchbrüchen in Hardware und Software zurückzuführen. Der erste entscheidende Wegbereiter ist der Aufstieg von Mehrstrahl-Maskenschreibern, die von Firmen wie IMS Nanofabrication und NuFlare entwickelt wurden.
Anstelle eines einzelnen Elektronenstrahls teilen diese Maschinen den Strahl in Hunderttausende auf aus winzigen, individuell gesteuerten „Beamlets“.
Durch Bewegen der Maskenbühne und Ein-und Ausschalten dieser Beamlets wie Pixel auf einem Bildschirm kann die Maschine komplexe, gekrümmte Muster mit hoher Wiedergabetreue effektiv „malen“.
Diese Technologie auf den Markt zu bringen war eine gewaltige technische Herausforderung. Die Entwickler mussten knifflige Probleme lösen, wie etwa das Identifizieren und Erfassen von Fehlern in komplexen Kurvenmustern und das Streamen der riesigen Mengen an Konstruktionsdaten mit hoher Geschwindigkeit an die Maschine.
Die Entwicklungskosten waren immens; KLA-Tencor beispielsweise gab über 226 Millionen US-Dollar für ein Multi-Beam-Projekt aus, bevor es 2014 aufgegeben wurde. Der Erfolg erforderte ein Jahrzehnt der Beharrlichkeit und umfangreicher Investitionen, um diese Hürden zu überwinden.
Das zweite Teil des Puzzles ist eine massive Steigerung der Rechenleistung, angetrieben durch die GPU Revolution.
Die Berechnung eines ILT-Maskendesigns für einen modernen Chip mit Milliarden von Transistoren ist eine immense Aufgabe, die manchmal bis zu 30 Millionen CPU-Stunden erfordert. Ein Rechenzentrum mit Zehntausenden von CPUs könnte über eine Woche brauchen, um die Aufgabe abzuschließen.
Nvidias cuLitho, eine Softwarebibliothek paralleler Algorithmen, ändert diese Gleichung dramatisch. Laut Nvidia können 500 seiner H100-GPUs für diese Aufgaben nun die Rechenarbeit von 40.000 CPUs leisten.
Dadurch werden Arbeitsabläufe um das bis zu 60-fache beschleunigt, sodass aus einer zweiwöchigen Berechnung ein Prozess über Nacht wird. TSMC, Nvidia und das Design-Software-Unternehmen Synopsys erkannten dieses Potenzial und gaben Anfang 2024 bekannt, dass sie die CuLitho-Plattform in Produktion bringen und damit den Weg für die Einführung kurviger Masken beim N2-Knoten ebnen.
Warum jetzt? Der KI-Boom zahlt sich für eine Fertigungsrevolution aus
Die für diesen Übergang erforderlichen massiven Investitionen sind auf die unersättliche und margenstarke Nachfrage des Marktes für künstliche Intelligenz zurückzuführen.
Chips, die für KI-Beschleuniger wie die von Nvidia und AMD entwickelt wurden, müssen die absolut höchste Leistung liefern. Dr. Lisa Su, Vorsitzende und CEO von AMD, hat zuvor die enge Zusammenarbeit des Unternehmens mit TSMC hervorgehoben, die es „AMD ermöglicht hat, kontinuierlich führende Produkte zu liefern, die die Grenzen des Hochleistungsrechnens verschieben.“
Für diese Schlüsselkunden sind die Vorteile des 2-nm-Knotens und seiner krummlinigen Muster direkt und erheblich. Für Nvidia bedeutet dies, dass leistungsstärkere und energieeffizientere GPUs das Rechenzentrum dominieren. Für einen Kunden wie Apple bedeutet dies eine längere Akkulaufzeit und eine schnellere Verarbeitung für zukünftige Generationen von iPhone-und Mac-Silizium.
Im Gegensatz zum reifen und preissensiblen Mobiltelefonmarkt verfügt der KI-Sektor über die finanziellen Spielräume, um die hohen Kosten für die Entwicklung dieser fortschrittlichen Fertigungstechnologien aufzufangen.
Diese Dynamik rechtfertigt die milliardenschweren Investitionen in neue Maskenschreiber und die umfangreiche Forschung und Entwicklung, die erforderlich sind, um die krummlinige Lithographie in die Massenproduktion zu bringen.
Der Fokus auf Technologie der nächsten Generation ist von zentraler Bedeutung für die Strategie von TSMC, seine Führungsposition zu behaupten.
Das Unternehmen hat Gerüchte über operative Fusionen mit Intel oder anderen konsequent dementiert, wobei CEO C.C. Wei erklärt entschieden: „TSMC führt keine Diskussionen mit anderen Unternehmen über Joint Ventures, Technologielizenzen oder Technologie.“
Stattdessen treibt die Gießerei an mehreren Fronten Fortschritte voran, einschließlich der Entwicklung fortschrittlicher Gehäuse auf Panelebene, um zukünftige KI-Anforderungen zu erfüllen.
Die Einführung krummliniger Masken ist mehr als ein inkrementelles Update; Es handelt sich um einen grundlegenden Wandel in der Fertigung, der durch den KI-Boom finanziert wird und die Grenzen des Chipdesigns für das nächste Jahrzehnt neu definieren wird.
