Nvidia cuLitho: GPUs berechnen künftig komplexe Belichtungsmasken
Die immer aufwendigeren Berechnungen im Bereich der Computational Lithography fordern stetig mehr Rechenleistung, um Belichtungsmasken moderner Nodes zu erstellen. Nvidia zeigt zur GTC 2023 für dieses Einsatzgebiet mit der Software-Bibliothek cuLitho eigene Algorithmen, die mittels GPU beschleunigt vielfach schneller laufen.
Lithografie ist der Prozess, bei dem ein am Computer erstelltes Chip-Design über eine Belichtungsmaske physisch auf einen Siliziumwafer übertragen wird. Ein Chip-Design kann dabei aus bis zu rund Hundert Ebenen und Billionen Polygonen oder Mustern bestehen, die auf den Wafer übertragen werden müssen, um dort die Transistoren und Verdrahtungen des Chips zu erzeugen. Zum Einsatz kommen dafür stetig komplexere Belichtungsmasken, um immer dichtere Muster in den Fotolack des Wafers zu ätzen, um im Endergebnis die dreidimensionale Struktur des geplanten Chip-Designs zu erhalten.
Strukturgröße vs. Wellenlänge
Computational Lithography ist in diesem Zusammenhang nicht neu, sondern kommt zwangsweise bereits als Resultat der stetig kleineren Nodes zum Einsatz, deren Strukturen vor etwa 30 Jahren anfingen, kleiner als die Wellenlänge der genutzten Lichtquelle auszufallen. Anfang der 1990er Jahre waren Strahlungsquellen mit einer Wellenlänge von 240 bis 255 nm neu, nach den Quecksilberdampflampen kamen später KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm zum Einsatz, die für die DUV-Lithografie genutzt wurden. Der Abstand zwischen der Wellenlänge der Lichtquelle und der Größe von Transistoren wurde seitdem stetig größer, erst mit der EUV-Lithografie kamen sich beide Entwicklungen wieder näher, gehen seitdem aber wieder weiter auseinander.
Das wiederum führt bei der Belichtung zum physikalischen Effekt der Diffraktion, also der Ablenkung von Lichtwellen an einem Hindernis – der Belichtungsmaske. Das Ergebnis aus diesem Effekt wäre ohne Korrektur eine verschwommene Belichtung auf dem Wafer, käme nicht die heutzutage übliche Computational Lithography zum Einsatz. Die Herangehensweise erfolgt dafür mittlerweile in der entgegengesetzten Richtung, indem man für die auf dem Wafer gewünschte Belichtung berechnet, wie die Belichtungsmaske unter Berücksichtigung der Limitierungen bei der Wellenlänge der Lichtquelle designt werden muss, um dennoch das gewünschte Chip-Design mit einer scharfen Abtrennung der einzelnen Transistoren und Verdrahtungen zu erhalten.
OPC und ILT helfen bei Belichtung
Konnte man vor 30 Jahren vereinfacht ausgedrückt noch nach dem „What you see is what you get“-Prinzip arbeiten, als das Muster noch eins zu eins, so wie es auf der Belichtungsmaske zu sehen war, auf den Wafer übertragen werden konnte, musste man sich später bei kleineren Nodes Tricks wie vermeintlichen Verfälschungen auf der Maske bedienen, um unter Berücksichtigung der Diffraktion dennoch das korrekte Ergebnis zu erhalten. Zu diesen Anpassungen zählt zum Beispiel die Optical Proximity Correction (OPC), die zusätzliche Strukturen auf der Belichtungsmaske aufbringt, um nicht erwünschte Effekte wie Linienendenverkürzung, Kantenverrundungen oder die Verbreiterung benachbarter Linien zu kompensieren. Bei der heutigen EUV-Lithografie kommt die Inverse Lithography Technology (ILT) zum Einsatz, bei der hochkomplexe, kurvenförmige Muster aufseiten der Quelle (Maske) berechnet werden, um auf dem Wafer eine exakte Annäherung zwischen Maske und Ziel (Wafer) zu erhalten.
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Belichtung ohne und mit OPC (Bild: Compugraphics)
cuLitho soll Berechnungen massiv beschleunigen
Diese Berechnungen für OPC und ILT sind das, was man unter Computational Lithography versteht und was immer leistungsfähigere Rechenzentren bei Ausrüstern und Fertigern voraussetzt, um entsprechende Belichtungsmasken erzeugen zu können. Genau hier kommt die von Nvidia entwickelte Software-Bibliothek cuLitho zum Einsatz, deren Algorithmen mittels GPU beschleunigt werden, um den Vorgang massiv zu beschleunigen und mit einem geringeren Energiebedarf bei gleichzeitig weniger benötigter Fläche durch kleinere Server im Rechenzentrum durchzuführen.
Nvidia gibt an, dass das Mask-Processing der Belichtungsmasken bei heutigen Nodes mit eine Berechnungszeit von rund zwei Wochen unter Verwendung von 40.000 CPUs einhergehe. Mit cuLitho auf 500 DGX H100 ausgeführt, die wiederum jeweils 8 H100-GPUs behausen, sodass insgesamt 4.000 Hopper-Beschleuniger zum Einsatz kommen, können diese Berechnungen über Nacht ausgeführt werden. Darüber hinaus würden die Systeme nur 1/8 der Stellfläche im Rechenzentrum und 1/9 der Energie im Vergleich zu den reinen CPU-Servern mit 40.000 Prozessoren belegen. Durch den Einsatz von cuLitho könne man 200.000 Tonnen CO2 pro Jahr einsparen, erklärt Nvidia. Wie das Unternehmen im Vorfeld der Hausmesse auf Nachfrage erklärte, lässt sich cuLitho neben Hopper auch mit Ampere und Volta beschleunigen, dann aber mit geringeren Steigerungen.
ASML, TSMC und Synopsys unterstützen cuLitho
Für anstehende Nodes wie die 2-nm-Fertigung und noch kleinere Verfahren könne die bisherige Computational Lithography ausschließlich mit CPUs potenziell nicht mehr praktikabel sein, sagt Nvidia, weil man von einem um den Faktor 10 gesteigerten Berechnungsaufwand für künftige Belichtungsmasken ausgehe. cuLitho sei deshalb überhaupt erst der Ermöglicher für die in Zukunft erwarteten Fertigungsprozesse.
Das scheinen auch die großen Player auf diesem Gebiet so zu sehen, denn Nvidia hat mit ASML, TSMC und Synopsys bereits namhafte Größen für cuLitho gewinnen können. „Wir planen, cuLitho in all unsere Software-Lösungen für Computational Lithography zu integrieren“, sagte ASML-CEO Peter Wennink. Die Technologie werde laut ASML besonders wichtig in der Ära der High-NA-EUV-Lithografie sein. Bei TSMC stehe man kurz vor der Qualifikationsphase für den Einsatz in der Produktion. Laut TSMC-CEO C.C. Wei sehe man durch cuLitho erstaunliche Fortschritte in der Beschleunigung der Computational Lithography. Auch Synopsys sieht für deren Halbleiter-Design-Software massive Fortschritte durch cuLitho und nennt für die OPC eine Verkürzung von mehreren Wochen auf nur noch wenige Tage.
ComputerBase hat Informationen zu diesem Artikel von Nvidia unter NDA erhalten. Die einzige Vorgabe war der frühestmögliche Veröffentlichungszeitpunkt.