英伟达“意外”攻进芯片制造领域，与台积电ASML协作推进2纳米工艺

图片来源：英伟达

界面新闻记者 | 彭新

英伟达出人意料地进进了一个新领域——芯片制造。

在3月22日凌晨举行的GTC大会上，英伟达公布与台积电、ASML、新思科技（Synopsys）三大半导体巨头协作，将英伟达加速运算技术用于芯片光刻中的计算光刻中，并推出用于计算光刻的软件库“cuLitho”。

“半导体产业是世界上几乎所有其他产业的基础。”在GTC大会的主题演讲上，黄仁勋称，随着产业向更高芯片制程进军，算力需求也大幅增加，芯片光刻工艺愈加复杂。从原理上来看，光刻机就是用光把图案投射到硅片上，一方面需要让投射图案尽可能地小，可以在一平方毫米中塞进成千上万，甚至数亿个晶体管；另一个则要让生产效率最高，出产尽量多的晶圆。

为了让光刻的图案足够正确，“计算光刻”这道工序便不可或缺。计算光刻使用逆物理算法来推测掩膜板上的图案，通过模拟光通过光学元件并与光刻胶相互作用时的行为，以便在晶圆上生成最终图案。

实际上，计算光刻也是光刻机巨头ASML的核心业务之一。此前，ASML中国区总裁沈波即向界面新闻介绍称，在光刻机业务之外，ASML还有计算光刻及光学和电子束量测两大业务，并称为ASML业务“铁三角”。其中，计算光刻主要通过软件对整个光刻过程进行建模和仿真，以优化光源外形和掩膜板外形，缩小光刻成像与芯片设计差距，从而使光刻效果达到预期状态；光学和电子束量测则属芯片生产后工序，即量测，通过光学手段或电子束手段对芯片做计量和检测，以检测芯片缺陷和计量曝光后成像效果，进而提高良率。三者共同构建了ASML的芯片光刻解决方案。

黄仁勋称，计算光刻过程正是芯片设计和制造领域中最大的计算负载，“每年消耗数百亿CPU小时，大型数据中心24x7全天候运行，往创建用于光刻系统的掩膜板，这些数据中心还是芯片制造商每年投资近2000亿美元的资本支出的一部分。”

他进一步举例称，光制造英伟达H100 GPU芯片就需要89块掩膜板，假如在CPU上运行时，处理单个掩膜板当前需要两周时间，但在GPU上运行cuLitho的情状下，仅需要8小时即可处理完一个掩膜板。

黄仁勋还表达，通过GPU加速计算光刻过程，也可进一步降低能耗。台积电可以在500个DGX H100系统上使用cuLitho加速，将功率从35兆瓦降至5兆瓦，替代原本使用计算光刻的4万台CPU服务器，进一步降低功耗。

据英伟达介绍，通过将cuLitho软件库集成至台积电的制造流程中，并结合新思的EDA软件，ASML也计划将GPU支持整合到所有的计算光刻软件产品中。在几大芯片给予链巨头共同协作下，可推动半导体行业向更先进芯片制程进军，加速芯片上市时间，提高晶圆厂运行效率，以推动制造过程的大型数据中心的能源效率来改良芯片生产。

黄仁勋特殊提及cuLitho在台积电2纳米工艺中的使用。借助cuLitho，台积电可以缩短原型周期时间，提高晶圆产量，减少芯片制造过程中的能耗，并为2纳米及以上的生产做好预备。据悉台积电将于6月开始对cuLitho进行生产资格认证，并会在2024年对2纳米制程开始风险性试产，2025年开始量产。

芯片光刻领域仅有少数行业参与者，属于小众市场，英伟达为何有意愿深度参与？英伟达先进技术副总裁Vivek Singh向界面新闻回应称，这一决定最早源于黄仁勋的远见，“他意识到这（计算光刻）将是半导体未来的大问题，而且会越来越大，行业的未来将取决于它。”为了预备cuLitho，英伟达与台积电、ASML、新思科技共同协作预备了4年，将计算光刻速率加速了40倍以上。

Vivek Singh提及，一些较老架构的GPU芯片也可以使用cuLitho软件库加速计算光刻进程，因此芯片生产商没有必要购买更新更贵的GPU。除了2纳米外，cuLitho软件库还可用于更旧的芯片制造工艺。cuLitho潜在的好处是可能降低光刻中掩膜板的使用量，进一步降低芯片生产成本。但对于英伟达如何通过cuLitho盈利，Vivek Singh未作具体回应。