Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) sta revisionando una parte fondamentale del suo processo di produzione di chip. Per i suoi chip da 2 nm di prossima generazione, il colosso della fonderia adotterà maschere curvilinee, abbandonando la geometria rettilinea “Manhattan” utilizzata per decenni.
Questa modifica consente di stampare modelli più precisi sul silicio, migliorando le prestazioni del chip.
Questo salto è reso possibile dai nuovi scrittori di maschere multi-raggio e da software avanzati come la piattaforma CuLitho basata su GPU di Nvidia.
Sebbene costoso, l’investimento è alimentato dal mercato dell’intelligenza artificiale in forte espansione, dove i chip ad alto margine di clienti come Nvidia giustificano l’avvio di queste nuove e complesse tecniche di produzione.
Dalle griglie di Manhattan alle linee sinuose: una nuova geometria per la produzione di trucioli
Per la prima volta in oltre un decennio, la geometria fondamentale della progettazione dei chip viene ridisegnata.
Nodo di processo da 2 nm (N2) di TSMCsarà il primo a utilizzare maschere curvilinee, un allontanamento significativo dalla dipendenza del settore da modelli rettilinei, o linee rette, spesso chiamati geometria “Manhattan”.
Maschere curvilinee nella produzione di semiconduttorisono fotomaschere i cui motivi includono curve o forme a forma libera anziché essere vincolati a forme rettilinee convenzionali (con bordi dritti) allineate solo verticalmente o orizzontalmente.
Nello specifico, le maschere curvilinee possono contenere bordi che non sono né Manhattan (rigorosamente angoli di 90 gradi o 45 gradi) né linee rette, ma possono invece includere archi lisci, cerchi, ovali, spline o poligoni lineari a tratti con bordi angolati oltre le geometrie ortogonali standard.
Queste maschere sono progettate utilizzando tecniche avanzate di correzione di prossimità ottica (OPC) e di litografia inversa (ILT) che ottimizzano le forme delle fotomaschere come curve invece di approssimarle con molti piccoli rettangoli o poligoni di Manhattan.
L'uso di forme curvilinee consente una migliore fedeltà nella stampa di elementi complessi e piccoli su wafer di silicio, ottenendo finestre di processo litografiche più grandi, una migliore profondità di fuoco e una variazione di processo ridotta.
Questo cambiamento accompagna il passaggio aTransistor Gate-All-Around (GAA)., segnando una delle transizioni tecnologiche più sostanziali nella fabbricazione di semiconduttori in quasi 15 anni.
Dal concetto accademico di fotolitografia alla produzione
La fotolitografia, il processo di stampa dei progetti di chip su wafer di silicio, è governata dalla fisica della luce.
La luce si diffrange e distorce naturalmente e non favorisce angoli acuti di 90 gradi. I design curvilinei, che utilizzano curve morbide, modellano in modo più accurato il comportamento della luce, determinando un trasferimento più fedele del modello desiderato sul wafer.
Ciò amplia la finestra complessiva del processo, rendendo la produzione più resistente alle deviazioni minori e, in definitiva, migliorando la resa e le prestazioni dei trucioli.
Da anni gli ingegneri sanno che i design curvi sono teoricamente superiori. Utilizzando una tecnica chiamataTecnologia di litografia inversa (ILT), potevano lavorare a ritroso dal modello desiderato sul wafer per calcolare il design ottimale della maschera, spesso dall'aspetto psichedelico.
Tuttavia questo ideale rimase un concetto accademico perché non esistevano gli strumenti per creare queste maschere.
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Scrittori di maschere tradizionali, conosciuti comeSistemi a trave a forma variabile (VSB)., può produrre solo rettangoli e quadrati. Per creare una curva, hanno dovuto approssimarla con migliaia di minuscoli rettangoli sovrapposti in un processo chiamato “Manhattanizzazione”.
Questa conversione non solo era imprecisa, creando bordi sfocati, ma anche incredibilmente lenta.
Una macchina VSB scrive ogni rettangolo con un singolo “colpo” del suo fascio di elettroni. L’enorme numero di scatti richiesti per modelli complessi e manhattanizzati ha creato un grave collo di bottiglia in termini di produttività, con tempi di scrittura della maschera che si estendevano da ore a giorni.
La tecnologia dietro le curve: scrittori multi-beam e fisica basata su GPU
Ad alimentare questo salto di precisione nella produzione è la convergenza di innovazioni nell’hardware e nel software. Il primo fattore determinante è l’ascesa degli scrittori di maschere multi-raggio, sviluppati da aziende comeNanofabbricazione IMSENuFlare.
Invece di un singolo fascio di elettroni, queste macchine dividono il fascio in centinaia di migliaia di minuscoli “beam-let” controllati individualmente.
Spostando il palco della maschera e accendendo e spegnendo questi fasci luminosi come pixel su uno schermo, la macchina può effettivamente “dipingere” modelli curvi e complessi con alta fedeltà.
Portare questa tecnologia sul mercato è stata una sfida ingegneristica monumentale. Gli sviluppatori hanno dovuto risolvere problemi complicati come identificare e acquisire difetti in modelli curvi complessi e trasmettere enormi quantità di dati di progettazione alla macchina ad alta velocità.
I costi di sviluppo furono immensi; KLA-Tencor, ad esempio, ha speso oltre 226 milioni di dollariun progetto multiraggioprima di abbandonarla nel 2014. Il successo ha richiesto un decennio di tenacia e profondi investimenti per superare questi ostacoli.
Il secondo pezzo del puzzle è un massiccio aumento della potenza di calcolo, guidato dalla rivoluzione delle GPU.
Calcolare il progetto di una maschera ILT per un chip moderno con miliardi di transistor è un compito immenso, che a volte richiede fino a 30 milioni di ore di CPU. Un data center con decine di migliaia di CPU potrebbe richiedere più di una settimana per completare il lavoro.
cuLitho di Nvidia, una libreria software di algoritmi paralleli, cambia radicalmente questa equazione. Secondo Nvidia, 500 delle sue GPU H100 possono ora eseguire il lavoro computazionale di 40.000 CPU per questi compiti.
Ciò accelera i flussi di lavoro fino a 60 volte, trasformando un calcolo di due settimane in un processo notturno.
Riconoscendo questo potenziale,TSMC, Nvidia e la società di software di progettazione Synopsys hanno annunciato all'inizio del 2024stavano mettendo in produzione la piattaforma CuLitho, aprendo la strada all’adozione di maschere sinuose da parte del nodo N2.
Perché adesso? Il boom dell’intelligenza artificiale paga una rivoluzione manifatturiera
A guidare i massicci investimenti necessari per questa transizione è la domanda insaziabile e ad alto margine da parte del mercato dell’intelligenza artificiale.
I chip progettati per gli acceleratori AI, come quelli di Nvidia e AMD, devono offrire i massimi livelli di prestazioni in assoluto. La dottoressa Lisa Su, presidente e CEO di AMD, ha precedentemente sottolineato la profonda collaborazione dell'azienda con TSMC, che "ha consentito ad AMD di fornire costantemente prodotti leader che spingono i limiti del calcolo ad alte prestazioni".
Per questi clienti chiave, i vantaggi del nodo da 2 nm e dei suoi modelli curvilinei sono diretti e sostanziali.
Per Nvidia, significa che GPU più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico domineranno il data center. Per un cliente come Apple, ciò si traduce in una maggiore durata della batteria e un’elaborazione più rapida per le future generazioni di iPhone e Mac in silicio.
A differenza del mercato maturo e sensibile ai prezzi della telefonia mobile, il settore dell’intelligenza artificiale dispone dei margini finanziari per assorbire gli elevati costi legati allo sviluppo pionieristico di queste tecnologie di produzione avanzate.
Questa dinamica giustifica gli investimenti multimiliardari in nuovi scrittori di maschere e l’ampia ricerca e sviluppo necessari per portare la litografia curvilinea alla produzione in grandi volumi.
L’attenzione alla tecnologia di prossima generazione è centrale nella strategia di TSMC volta a mantenere la propria posizione di leadership.
La società ha costantemente smentito le voci di fusioni operative con Intel o altri, con il CEO C.C. Wei afferma con fermezza: "TSMC non è impegnata in alcuna discussione con altre società in merito a joint venture, licenze tecnologiche o tecnologia".
Invece, la fonderia sta spingendo avanti su più fronti, compreso lo sviluppo di imballaggi avanzati a livello di pannello per soddisfare le future richieste di intelligenza artificiale.
L'adozione delle maschere curvilinee è più di un aggiornamento incrementale; si tratta di un cambiamento fondamentale nel settore manifatturiero, pagato dal boom dell’intelligenza artificiale, che ridefinirà i limiti della progettazione dei chip per il prossimo decennio.
