Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) กำลังปรับปรุงส่วนหลักของกระบวนการผลิตชิป สำหรับชิป 2 นาโนเมตรรุ่นต่อไป บริษัทโรงหล่อยักษ์ใหญ่จะใช้มาสก์แบบโค้ง โดยละทิ้งรูปทรงเส้นตรง”แมนฮัตตัน”ที่ใช้กันมานานหลายทศวรรษ
การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้สามารถพิมพ์รูปแบบที่แม่นยำยิ่งขึ้นบนซิลิคอน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของชิป
การก้าวกระโดดนี้เกิดขึ้นได้โดยผู้เขียนมาสก์แบบมัลติบีมใหม่และซอฟต์แวร์ขั้นสูง เช่น แพลตฟอร์ม CuLitho ที่ขับเคลื่อนด้วย GPU ของ Nvidia
แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายสูง แต่การลงทุนดังกล่าวได้รับแรงหนุนจากตลาด AI ที่เฟื่องฟู ซึ่งชิปที่มีอัตรากำไรสูงจากลูกค้าอย่าง Nvidia พิสูจน์ให้เห็นถึงการบุกเบิกเทคนิคการผลิตใหม่ที่ซับซ้อนเหล่านี้
จาก Manhattan Grids ไปจนถึง Curvy Lines: เรขาคณิตใหม่สำหรับการผลิตชิป
สำหรับ เป็นครั้งแรกในรอบกว่าทศวรรษที่เรขาคณิตพื้นฐานของการออกแบบชิปกำลังถูกวาดใหม่
TSMC’s 2nm (N2) process node will be its first to use curvilinear masks, a significant departure from the industry’s reliance on rectilinear, or straight-lined, patterns often called “Manhattan”geometry.
Curvilinear masks in semiconductor manufacturing are photomasks ซึ่งมีรูปแบบที่มีเส้นโค้งหรือรูปร่างอิสระ แทนที่จะถูกจำกัดด้วยรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า (ขอบตรง) ทั่วไปที่จัดตำแหน่งในแนวตั้งหรือแนวนอนเท่านั้น
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มาสก์ส่วนโค้งสามารถมีขอบที่ไม่ใช่แมนฮัตตัน (มุม 90 องศาหรือ 45 องศาอย่างเคร่งครัด) หรือเส้นตรง แต่สามารถรวมถึงส่วนโค้งเรียบ วงกลม วงรี เส้นโค้ง หรือรูปหลายเหลี่ยมเชิงเส้นเป็นชิ้น ๆ ที่มีมุม ขอบที่เกินกว่ารูปทรงเรขาคณิตตั้งฉากมาตรฐาน
มาสก์เหล่านี้ได้รับการออกแบบโดยใช้การแก้ไขความใกล้ชิดด้วยแสงขั้นสูง (OPC) และเทคนิคการพิมพ์หินผกผัน (ILT) ที่ปรับรูปร่างโฟโตมาสก์ให้เป็นเส้นโค้งแทนที่จะประมาณด้วยสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ จำนวนมากหรือรูปหลายเหลี่ยมในแมนฮัตตัน
การใช้รูปร่างโค้งช่วยให้มีความเที่ยงตรงที่ดีขึ้นในการพิมพ์คุณสมบัติที่ซับซ้อนและขนาดเล็กบนเวเฟอร์ซิลิคอน ส่งผลให้หน้าต่างกระบวนการพิมพ์หินมีขนาดใหญ่ขึ้น และความลึกที่ดีขึ้น และลดความแปรปรวนของกระบวนการ
การเปลี่ยนแปลงนี้มาพร้อมกับการย้ายไปสู่ทรานซิสเตอร์ Gate-All-Around (GAA) ซึ่งถือเป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในรอบเกือบ 15 ปี
การพิมพ์หินด้วยแสงซึ่งเป็นกระบวนการพิมพ์การออกแบบชิปลงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน อยู่ภายใต้หลักฟิสิกส์ของแสง
แสงหักเหและบิดเบี้ยวตามธรรมชาติ และไม่ชอบมุม 90 องศาที่คมชัด การออกแบบส่วนโค้งซึ่งใช้เส้นโค้งที่ราบเรียบจะจำลองพฤติกรรมของแสงได้แม่นยำมากขึ้น ส่งผลให้การถ่ายโอนรูปแบบที่ต้องการไปยังแผ่นเวเฟอร์มีความเที่ยงตรงมากขึ้น
สิ่งนี้ทำให้กรอบเวลากระบวนการโดยรวมกว้างขึ้น ทำให้การผลิตมีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อการเบี่ยงเบนเล็กน้อย และท้ายที่สุดก็ปรับปรุงผลผลิตและประสิทธิภาพของชิปในที่สุด
เป็นเวลาหลายปีที่วิศวกรทราบดีว่าการออกแบบส่วนโค้งนั้นเหนือกว่าในทางทฤษฎี ด้วยการใช้เทคนิคที่เรียกว่า เทคโนโลยีการพิมพ์หินผกผัน (ILT) พวกเขาสามารถย้อนกลับไปจากรูปแบบที่ต้องการบนเวเฟอร์เพื่อคำนวณการออกแบบหน้ากากที่เหมาะสมและมักจะดูหลอนประสาท
อย่างไรก็ตาม อุดมคตินี้ยังคงเป็นแนวคิดทางวิชาการเนื่องจากเครื่องมือในการสร้างสิ่งเหล่านี้ ไม่มีมาสก์
นักเขียนหน้ากากแบบดั้งเดิมที่รู้จักกันในชื่อ ระบบลำแสงรูปทรงแปรผัน (VSB) สามารถสร้างได้เฉพาะสี่เหลี่ยมและสี่เหลี่ยมเท่านั้น ในการสร้างเส้นโค้ง พวกเขาต้องประมาณมันด้วยสี่เหลี่ยมเล็กๆ นับพันที่ทับซ้อนกันในกระบวนการที่เรียกว่า”แมนฮัตตัน”
การแปลงนี้ไม่เพียงแต่ไม่แม่นยำเท่านั้น แต่ยังสร้างขอบที่คลุมเครือ แต่ยังช้าอย่างไม่น่าเชื่ออีกด้วย
เครื่อง VSB เขียนแต่ละสี่เหลี่ยมด้วย”ช็อต”ของลำอิเล็กตรอนของมัน จำนวนช็อตที่จำเป็นสำหรับรูปแบบแมนฮัตตันที่ซับซ้อนทำให้เกิดปัญหาคอขวดของปริมาณงานที่รุนแรง โดยเวลาในการเขียนแบบมาสก์ขยายจากชั่วโมงเป็นวัน
เทคโนโลยีเบื้องหลังเส้นโค้ง: นักเขียนแบบมัลติบีมและฟิสิกส์ที่ขับเคลื่อนด้วย GPU
การขับเคลื่อนการก้าวกระโดดในด้านความแม่นยำในการผลิตคือการบรรจบกันของความก้าวหน้าทางฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ปัจจัยสำคัญประการแรกคือการเพิ่มขึ้นของตัวเขียนมาสก์แบบหลายลำแสง ซึ่งพัฒนาโดยบริษัทต่างๆ เช่น IMS Nanofabrication และ NuFlare
เครื่องจักรเหล่านี้แยกลำแสงออกเป็นลำเล็กๆ หลายแสนลำซึ่งควบคุมแยกกัน “beam-lets”
ด้วยการเลื่อนมาสก์สเตจและเปิดและปิดบีมเล็ตเหล่านี้เหมือนกับพิกเซลบนหน้าจอ เครื่องจักรจึงสามารถ “ลงสี” รูปแบบโค้งที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยความเที่ยงตรงสูง
การนำเทคโนโลยีนี้ออกสู่ตลาดถือเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่ นักพัฒนาต้องแก้ไขปัญหาที่ยุ่งยาก เช่น การระบุและการจับข้อบกพร่องในรูปแบบโค้งที่ซับซ้อน และการสตรีมข้อมูลการออกแบบจำนวนมหาศาลไปยังเครื่องจักรด้วยความเร็วสูง
ต้นทุนการพัฒนานั้นมหาศาล ตัวอย่างเช่น KLA-Tencor ใช้เงินมากกว่า 226 ล้านเหรียญสหรัฐในโครงการ multi-beam ก่อนที่จะละทิ้งในปี 2014 ความสำเร็จต้องใช้ความพากเพียรและการลงทุนอย่างลึกซึ้งเป็นเวลาสิบปีเพื่อเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้
ปริศนาชิ้นที่สองคือการเพิ่มขึ้นอย่างมากในพลังการคำนวณซึ่งขับเคลื่อนโดย GPU การปฏิวัติ
การคำนวณการออกแบบมาสก์ ILT สำหรับชิปสมัยใหม่ที่มีทรานซิสเตอร์หลายพันล้านตัวเป็นงานที่ยิ่งใหญ่ ซึ่งบางครั้งต้องใช้ CPU สูงถึง 30 ล้านชั่วโมง ศูนย์ข้อมูลที่มี CPU นับหมื่นตัวอาจต้องใช้เวลากว่าหนึ่งสัปดาห์จึงจะทำงานให้เสร็จสิ้น
cuLitho ของ NVIDIA ซึ่งเป็นไลบรารีซอฟต์แวร์ที่มีอัลกอริทึมแบบขนาน ได้เปลี่ยนแปลงสมการนี้อย่างมาก จากข้อมูลของ Nvidia พบว่า GPU H100 จำนวน 500 ตัวสามารถทำงานด้านการคำนวณของ CPU ได้ถึง 40,000 ตัวสำหรับงานเหล่านี้
วิธีนี้ช่วยเร่งขั้นตอนการทำงานได้สูงสุดถึง 60 เท่า เปลี่ยนการคำนวณสองสัปดาห์ให้เป็นกระบวนการข้ามคืน เมื่อตระหนักถึงศักยภาพนี้ TSMC, Nvidia และบริษัทซอฟต์แวร์ด้านการออกแบบ Synopsys ได้ประกาศเมื่อต้นปี 2024 ว่าพวกเขากำลังย้ายแพลตฟอร์ม CuLitho ไปสู่การใช้งานจริง ซึ่งปูทางไปสู่การใช้ Curvy Mask ของโหนด N2
ทำไมต้องตอนนี้ AI Boom จ่ายให้กับการปฏิวัติการผลิต
การขับเคลื่อนการลงทุนจำนวนมหาศาลที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้คือความต้องการที่มีอัตรากำไรสูงจากตลาดปัญญาประดิษฐ์ที่ไม่รู้จักพอ
ชิปที่ออกแบบมาสำหรับตัวเร่ง AI เช่นชิปจาก Nvidia และ AMD จะต้องมอบประสิทธิภาพระดับสูงสุดอย่างแน่นอน ดร. ลิซ่า ซู ประธานและซีอีโอของ AMD ได้เน้นย้ำถึงความร่วมมือเชิงลึกของบริษัทกับ TSMC ซึ่ง “ทำให้ AMD สามารถนำเสนอผลิตภัณฑ์ความเป็นผู้นำที่ผลักดันขีดจำกัดของการประมวลผลประสิทธิภาพสูงได้อย่างต่อเนื่อง”
สำหรับลูกค้ารายสำคัญเหล่านี้ ประโยชน์ของโหนด 2 นาโนเมตรและรูปแบบเส้นโค้งของโหนดนั้นตรงและเป็นรูปธรรม F
หรือ Nvidia หมายถึง GPU ที่ทรงพลังและประหยัดพลังงานมากขึ้นเพื่อครองศูนย์ข้อมูล สำหรับลูกค้าอย่าง Apple การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวหมายถึงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นและการประมวลผลที่เร็วขึ้นสำหรับซิลิคอน iPhone และ Mac รุ่นต่อๆ ไป
ภาค AI ต่างจากตลาดโทรศัพท์มือถือที่เติบโตเต็มที่และมีความอ่อนไหวด้านราคา ต่างจากตลาดโทรศัพท์มือถือที่เติบโตเต็มที่และไวต่อราคา โดยมีส่วนต่างทางการเงินเพื่อดูดซับต้นทุนที่สูงในการบุกเบิกเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงเหล่านี้
ไดนามิกนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงการลงทุนหลายพันล้านดอลลาร์ในผู้เขียนหน้ากากรายใหม่ และการวิจัยและพัฒนาที่กว้างขวางซึ่งจำเป็นในการนำการพิมพ์หินแบบโค้งมาสู่การผลิตในปริมาณมาก
การมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยียุคหน้าถือเป็นหัวใจสำคัญของกลยุทธ์ของ TSMC ในการรักษาตำแหน่งผู้นำ
บริษัทได้ปฏิเสธข่าวลือเรื่องการควบรวมกิจการกับ Intel หรือบริษัทอื่น ๆ อย่างต่อเนื่องกับ CEO C.C. Wei กล่าวอย่างแน่วแน่ว่า “TSMC ไม่ได้มีส่วนร่วมในการหารือใดๆ กับบริษัทอื่นๆ เกี่ยวกับการร่วมทุน การออกใบอนุญาตด้านเทคโนโลยี หรือเทคโนโลยี”
โรงหล่อกำลังผลักดันไปข้างหน้าในหลายด้านแทน รวมถึงการพัฒนาบรรจุภัณฑ์ระดับแผงขั้นสูงเพื่อตอบสนองความต้องการ AI ในอนาคต
การใช้มาสก์โค้งเป็นมากกว่าการอัปเดตที่เพิ่มขึ้น เป็นการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในการผลิต ซึ่งได้รับค่าตอบแทนจากกระแสความนิยมของ AI ซึ่งจะกำหนดขีดจำกัดของการออกแบบชิปใหม่ในทศวรรษหน้า
