Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) håller på att se över en central del av sin chiptillverkning. För sin nästa generations 2nm-chip kommer gjuterijätten att anta kurvlinjära masker och överge den raklinjeformade”Manhattan”-geometrin som använts i decennier.
Denna förändring gör det möjligt att skriva ut mer exakta mönster på kisel, vilket ökar chipprestandan.
Det här språnget är aktiverat av nya multi-beam-skrivare och avancerad mjukvara som NVIDIA. GPU-driven CuLitho-plattform.
Även om den är kostsam, drivs investeringen av den blomstrande AI-marknaden, där högmarginalchips från kunder som Nvidia rättfärdigar nya komplexa tekniker.
From Manhattan Grids to Curvy Lines: A New Geometry for Chipmaking
För första gången på över ett decennium ritas den grundläggande geometrin för chipdesign om.
TSMC:s 2nm (N2)-processnod kommer att vara den första som använder kurvlinjära masker, en betydande avvikelse från branschens beroende av rätlinjiga eller raklinjeformade mönster som ofta kallas”Manhattan”-geometri.
Specifikt kan kurvlinjära masker innehålla kanter som varken är Manhattan 4 graders eller 5 graders vinkel eller 90 graders vinkel. raka linjer, men kan istället inkludera släta bågar, cirklar, ovaler, splines eller bitvis linjära polygoner med vinklade kanter bortom standard ortogonala geometrier.
Dessa masker är designade med avancerad optisk närhetskorrigering (OPC) och invertslitografitekniker (ILT) som optimerar dem med att approximera fotomaskformerna i stället för små kurvor eller små kurvor. polygoner.
Användningen av kurvlinjära former möjliggör bättre trohet vid utskrift av komplexa och små detaljer på kiselskivor, vilket ger större litografiska processfönster, förbättrat fokusdjup och minskad processvariation.
Denna förändring följer med flytten till Gate-All-Around (GAA) transistorer, som markerar en av de mest betydande tekniska övergångarna inom halvledartillverkning under nästan 15 år, fotografiprocessen, chipet printing-processen under <15 år.
på kiselskivor, styrs av ljusets fysik.
Ljuset diffrakterar och förvrängs naturligt och gynnar inte skarpa 90-gradersvinklar. Krökta konstruktioner, som använder jämna kurvor, modellerar mer exakt hur ljus beter sig, vilket resulterar i en mer trovärdig överföring av det avsedda mönstret till skivan.
Detta vidgar det övergripande processfönstret, vilket gör tillverkningen mer motståndskraftig mot mindre avvikelser och i slutändan förbättrar spånutbytet och prestanda.
I åratal har konstruktörer känt till att krökta konstruktioner. Genom att använda en teknik som kallas Inverse Lithography Technology (ILT), kunde de arbeta bakåt från det önskade mönstret på wafern för att beräkna den optimala, ofta psykedeliska designen.
detta idealiska utseende. ett akademiskt koncept eftersom verktygen för att skapa dessa masker inte existerade.
Traditionella maskförfattare, kända som kvadratformade system (Variable Shaped) kan endast producera fyrkantiga, SB-system och rektangulära system. För att skapa en kurva var de tvungna att approximera den med tusentals små, överlappande rektanglar i en process som kallas”Manhattanization.”
Denna omvandling var inte bara oprecis, skapade suddiga kanter, utan också otroligt långsam.
En VSB-maskin skriver varje rektangel med ett enda”skott”av sin elektronstråle. Det stora antalet bilder som krävdes för komplexa, manhattaniserade mönster skapade en allvarlig genomströmningsflaskhals, med skrivtider för masken som sträckte sig från timmar till dagar.
Teknologin bakom kurvorna: Multi-Beam Writers och GPU-driven fysik
Att driva detta språng i tillverknings-och mjukvaruutveckling är ett genombrott i tillverkningsindustrin. Den första kritiska möjliggöraren är framväxten av maskskrivare med flera strålar, utvecklade av företag som IMS Nanofabrication och NuFlare,
i stället för en maskinelektron
. hundratusentals små, individuellt styrda”beam-lets.”
Genom att flytta maskscenen och slå på och av dessa beam-lets som pixlar på en skärm, kan maskinen effektivt”måla”komplexa, böjda mönster med hög tillförlitlighet.
Att ta ut denna teknik på marknaden var en monumental ingenjörsutmaning. Utvecklare var tvungna att lösa knepiga problem som att identifiera och fånga defekter i komplexa krökta mönster och strömma de enorma mängderna designdata till maskinen i hög hastighet.
Utvecklingskostnaderna var enorma; KLA-Tencor spenderade till exempel över 226 miljoner USD på ett projekt med flera strålar innan de övergav det 2014. Framgång krävde ett decennium av uthållighet och djupa investeringar för att övervinna dessa hinder.
drivs av GPU-revolutionen.
Att beräkna en ILT-maskdesign för ett modernt chip med miljarder transistorer är en enorm uppgift som ibland kräver upp till 30 miljoner CPU-timmar. Ett datacenter med tiotusentals processorer kan ta över en vecka att slutföra jobbet.
Nvidias cuLitho, ett programbibliotek med parallella algoritmer, förändrar denna ekvation dramatiskt. Enligt Nvidia kan 500 av dess H100 GPU:er nu utföra beräkningsarbetet för 40 000 processorer för dessa uppgifter.
Detta accelererar arbetsflöden med upp till 60 gånger, vilket gör en tvåveckorsberäkning till en process över natten. TSMC, Nvidia och designmjukvaruföretaget Synopsys insåg denna potential och meddelade i början av 2024 att de flyttade CuLitho-plattformen till produktion, vilket banade väg för N2-nodens antagande av kurviga masker.
Varför nu? AI-boomen betalar för en tillverkningsrevolution
Den massiva investeringen som krävs för denna övergång är den omättliga efterfrågan med höga marginaler från marknaden för artificiell intelligens.
Chips designade för AI-acceleratorer, som de från Nvidia och AMD, måste leverera de absolut högsta prestandanivåerna. Dr. Lisa Su, ordförande och VD för AMD, har tidigare lyft fram företagets djupa samarbete med TSMC, som”har gjort det möjligt för AMD att konsekvent leverera ledarskapsprodukter som tänjer på gränserna för högpresterande datoranvändning.”
För dessa nyckelkunder är fördelarna med 2nm-noden och dess kurvlinjära mönster direkta och betydande. För
eller Nvidia betyder det kraftfullare och energieffektivare grafikprocessorer som dominerar datacentret. För en kund som Apple innebär det längre batteritid och snabbare bearbetning för framtida generationer av iPhone-och Mac-kisel.
Till skillnad från den mogna och priskänsliga mobiltelefonmarknaden har AI-sektorn ekonomiska marginaler för att absorbera de höga kostnaderna för att banbryta dessa avancerade tillverkningsteknologier.
Denna dynamik motiverar den stora investeringen i forskning och utveckling som behövs för att skapa en omfattande forskning och forskning. krökt litografi till högvolymproduktion.
Fokus på nästa generations teknologi är central för TSMC:s strategi att behålla sin ledande position.
Företaget har konsekvent förnekat rykten om operativa sammanslagningar med Intel eller andra, med VD C.C. Wei säger bestämt,”TSMC är inte engagerad i någon diskussion med andra företag angående något joint venture, teknologilicenseringar eller teknik.”
Istället driver gjuteriet framåt på flera fronter, inklusive utvecklingen av avancerad förpackning på panelnivå för att möta framtida AI-krav.
Antagandet av kurvlinjära masker är mer än en inkrementell uppdatering; det är en grundläggande förändring i tillverkningen, som betalas av AI-boomen, som kommer att omdefiniera gränserna för chipdesign för det kommande decenniet.
