Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) sedang merombak bagian inti dari proses pembuatan chipnya. Untuk chip 2nm generasi berikutnya, raksasa pengecoran logam ini akan mengadopsi masker lengkung, meninggalkan geometri garis lurus “Manhattan”yang digunakan selama beberapa dekade.
Perubahan ini memungkinkan pola yang lebih presisi untuk dicetak pada silikon, sehingga meningkatkan kinerja chip.
Lompatan ini dimungkinkan oleh pembuat masker multi-balok baru dan perangkat lunak canggih seperti platform CuLitho yang didukung GPU Nvidia.
Meskipun mahal, investasi ini didorong oleh boomingnya pasar AI, di mana chip dengan margin tinggi dari pelanggan seperti Nvidia menjadi alasan untuk memelopori teknik manufaktur baru yang rumit ini.
Dari Manhattan Grids hingga Curvy Lines: Geometri Baru untuk Pembuatan Chip
Untuk industri pertama kalinya dalam lebih dari satu dekade, geometri dasar desain chip digambar ulang.
Node proses 2nm (N2) TSMC akan menjadi node proses pertama yang menggunakan masker lengkung, sebuah perubahan yang signifikan dari ketergantungan industri pada pola bujursangkar, atau garis lurus, yang sering disebut geometri “Manhattan”.
Masker lengkung dalam manufaktur semikonduktor adalah masker foto yang polanya mencakup kurva atau bentuk bebas dan tidak dibatasi pada bentuk bujursangkar (bermata lurus) konvensional yang hanya disejajarkan secara vertikal atau horizontal.
Secara khusus, topeng lengkung dapat berisi tepi yang bukan Manhattan (sudut 90 derajat atau 45 derajat) atau garis lurus, namun dapat mencakup busur halus, lingkaran, oval, spline, atau poligon linier sepotong-sepotong dengan tepi miring melebihi standar geometri ortogonal.
Masker ini dirancang menggunakan koreksi jarak optik (OPC) tingkat lanjut dan teknik litografi terbalik (ILT) yang mengoptimalkan bentuk masker foto sebagai kurva, alih-alih memperkirakannya dengan banyak persegi panjang kecil atau poligon Manhattan.
Penggunaan bentuk lengkung memungkinkan ketepatan yang lebih baik dalam mencetak fitur kompleks dan kecil pada wafer silikon, menghasilkan jendela proses litograf yang lebih besar, meningkatkan kedalaman fokus, dan mengurangi variasi proses.
Pergeseran ini menyertai peralihan ke Transistor Gate-All-Around (GAA), menandai salah satu transisi teknologi paling substansial dalam fabrikasi semikonduktor dalam hampir 15 tahun.
Fotolitografi, proses pencetakan chip dirancang pada wafer silikon, diatur oleh fisika cahaya.
Cahaya secara alami akan difraksi dan terdistorsi, dan tidak menyukai sudut tajam 90 derajat. Desain lengkung, yang menggunakan kurva halus, memodelkan perilaku cahaya dengan lebih akurat, sehingga menghasilkan transfer pola yang diinginkan ke wafer dengan lebih akurat.
Hal ini memperluas jendela proses secara keseluruhan, menjadikan manufaktur lebih tahan terhadap penyimpangan kecil dan pada akhirnya meningkatkan hasil dan kinerja chip.
Selama bertahun-tahun, para insinyur telah mengetahui bahwa desain melengkung secara teoritis lebih unggul. Dengan menggunakan teknik yang disebut Teknologi Litografi Terbalik (ILT), mereka dapat bekerja mundur dari pola yang diinginkan pada wafer untuk menghitung desain topeng yang optimal, yang seringkali terlihat seperti psikedelik.
Namun, cita-cita ini tetap menjadi konsep akademis karena alat untuk membuatnya masker tidak ada.
Penulis topeng tradisional, yang dikenal sebagai Sistem Variable Shaped Beam (VSB), hanya dapat menghasilkan persegi panjang dan persegi. Untuk membuat kurva, mereka harus memperkirakannya dengan ribuan persegi panjang kecil yang tumpang tindih dalam proses yang disebut “Manhattanisasi.”
Konversi ini tidak hanya tidak tepat, menciptakan tepi yang kabur, tetapi juga sangat lambat.
Mesin VSB menulis setiap persegi panjang dengan satu “tembakan” berkas elektronnya. Banyaknya jumlah pengambilan gambar yang diperlukan untuk pola Manhattanisasi yang kompleks menciptakan hambatan throughput yang parah, dengan waktu penulisan mask yang berlangsung dari beberapa jam hingga beberapa hari.
Teknologi di Balik Kurva: Penulis Multi-Beam dan Fisika yang Didukung GPU
Yang mendorong lompatan dalam presisi manufaktur ini adalah konvergensi terobosan dalam perangkat keras dan perangkat lunak. Faktor pendukung pertama yang penting adalah munculnya pembuat masker multi-balok, yang dikembangkan oleh perusahaan seperti IMS Nanofabrication dan NuFlare.
Alih-alih menggunakan berkas elektron tunggal, mesin ini membagi berkas menjadi ratusan ribu berkas elektron “beam-let” yang kecil dan dapat dikontrol secara individual.
Dengan menggerakkan mask stage dan menyalakan dan mematikan beam-let ini seperti piksel pada layar, mesin ini dapat secara efektif “melukis” pola melengkung yang rumit dengan fidelitas tinggi.
Membawa teknologi ini ke pasar merupakan tantangan teknik yang sangat besar. Pengembang harus memecahkan masalah rumit seperti mengidentifikasi dan menangkap cacat pada pola lengkung yang kompleks dan mengalirkan sejumlah besar data desain ke mesin dengan kecepatan tinggi.
Biaya pengembangan sangat besar; KLA-Tencor, misalnya, menghabiskan lebih dari $226 juta untuk proyek multi-beam sebelum meninggalkannya pada tahun 2014. Kesuksesannya memerlukan ketekunan dan investasi besar selama satu dekade untuk mengatasi rintangan ini.
Bagian kedua dari teka-teki ini adalah peningkatan besar-besaran dalam kekuatan komputasi, yang didorong oleh GPU revolusi.
Menghitung desain topeng ILT untuk chip modern dengan miliaran transistor adalah tugas besar, terkadang membutuhkan hingga 30 juta jam CPU. Sebuah pusat data dengan puluhan ribu CPU dapat memerlukan waktu lebih dari seminggu untuk menyelesaikan pekerjaannya.
cuLitho Nvidia, sebuah perpustakaan perangkat lunak algoritma paralel, secara dramatis mengubah persamaan ini. Menurut Nvidia, 500 GPU H100 miliknya kini dapat melakukan pekerjaan komputasi 40.000 CPU untuk tugas-tugas ini.
Hal ini mempercepat alur kerja hingga 60 kali lipat, mengubah penghitungan dua minggu menjadi proses semalam. Menyadari potensi ini, TSMC, Nvidia, dan perusahaan perangkat lunak desain Synopsys mengumumkan pada awal tahun 2024 bahwa mereka memindahkan platform CuLitho ke tahap produksi, sehingga membuka jalan bagi adopsi masker melengkung di node N2.
Mengapa Sekarang? Booming AI Membayar Revolusi Manufaktur
Yang mendorong investasi besar-besaran yang diperlukan untuk transisi ini adalah permintaan yang tidak pernah terpuaskan dan margin tinggi dari pasar kecerdasan buatan.
Chip yang dirancang untuk akselerator AI, seperti yang dibuat oleh Nvidia dan AMD, harus memberikan tingkat kinerja tertinggi. Lisa Su, Ketua dan CEO AMD, sebelumnya telah menyoroti kolaborasi mendalam perusahaan dengan TSMC, yang “memungkinkan AMD untuk secara konsisten menghadirkan produk-produk terdepan yang mendorong batas-batas komputasi kinerja tinggi.”
Bagi pelanggan utama ini, manfaat dari node 2nm dan pola lengkungnya sangatlah langsung dan substansial. F
atau Nvidia, berarti GPU yang lebih bertenaga dan hemat energi akan mendominasi pusat data. Bagi pelanggan seperti Apple, hal ini berarti masa pakai baterai yang lebih lama dan pemrosesan yang lebih cepat untuk iPhone dan silikon Mac generasi mendatang.
Tidak seperti pasar ponsel yang matang dan sensitif terhadap harga, sektor AI memiliki margin finansial untuk menanggung biaya tinggi dalam merintis teknologi manufaktur canggih ini.
Dinamika ini membenarkan investasi multi-miliar dolar pada pembuat topeng baru dan penelitian dan pengembangan ekstensif yang diperlukan untuk menghadirkan litografi lengkung ke produksi volume tinggi.
Fokus pada teknologi generasi mendatang sangat penting bagi strategi TSMC dalam mempertahankan posisi kepemimpinannya.
Perusahaan secara konsisten membantah rumor merger operasional dengan Intel atau lainnya, dengan CEO C.C. Wei menyatakan dengan tegas, “TSMC tidak terlibat dalam diskusi apa pun dengan perusahaan lain mengenai usaha patungan, perizinan teknologi, atau teknologi apa pun.”
Sebaliknya, TSMC terus bergerak maju di berbagai bidang, termasuk pengembangan pengemasan tingkat panel yang canggih untuk memenuhi permintaan AI di masa depan.
Pengadopsian masker lengkung lebih dari sekadar pembaruan bertahap; Ini adalah perubahan mendasar dalam bidang manufaktur, yang dibiayai oleh ledakan AI, yang akan mendefinisikan kembali batasan desain chip untuk dekade berikutnya.
