GTC 2023’te Nvidia, yarı iletken üretim iş akışındaki kritik bir darboğazı hızlandırmak için yeni cuLitho yazılım kitaplığını duyurdu. Yeni kitaplık, çip üretimi için foto maskeler oluşturmak için kullanılan bir teknik olan hesaplamalı litografiyi hızlandırır. Nvidia, yeni yaklaşımının, 4.000 Hopper GPU kullanan 500 DGX H100 sisteminin 40.000 CPU tabanlı sunucuyla aynı miktarda işi yapmasını, ancak bunu 40 kat daha hızlı ve 9 kat daha az güçle yapmasını sağladığını iddia ediyor. Nvidia, bunun bir fotoğraf maskesi üretmek için hesaplamalı litografi iş yükünü birkaç haftadan sekiz saatlik bir işleme indirdiğini iddia ediyor.
Yonga üretimi liderleri TSMC, ASML ve Synopsys yeni teknoloji için imza attılar ve Synopys zaten onu yazılım tasarım araçlarına entegre ediyor. Zamanla Nvidia, yeni yaklaşımın daha yüksek çip yoğunluğu ve verimi, daha iyi tasarım kuralları ve yapay zeka destekli litografi sağlamasını bekliyor.
Nvidia bilim adamları, giderek daha karmaşık hale gelen hesaplamalı litografi iş akışlarının GPU’larda paralel olarak yürütülmesine izin veren ve Hopper GPU’ları kullanarak 40 kat hızlanma sergileyen yeni algoritmalar yarattı. Yeni algoritmalar, maske üreticilerinin yazılımına (tipik olarak bir dökümhane veya çip tasarımcısı) entegre edilebilen yeni bir cuLitho hızlandırma kitaplığına entegre edilmiştir. CuLitho hızlandırma kitaplığı, Ampere ve Volta GPU’larla da uyumludur, ancak Hopper en hızlı çözümdür.
Küçük özellikleri bir çipe yazdırmak, fotoğraf maskesi adı verilen bir kuvars parçasıyla başlar. Bu şeffaf kuvars, bir çip tasarımının baskılı bir modeline sahiptir ve bir şablon gibi çalışır – maskeden geçen bir ışık, tasarımı gofretin üzerine kazıyarak modern bir çipi oluşturan milyarlarca 3D transistörü ve tel yapısını oluşturur. Her çip tasarımı, çipin tasarımını katmanlar halinde oluşturmak için birden fazla pozlama gerektirir. Bu nedenle, çip yapma işlemi sırasında kullanılan foto maskelerin sayısı çipe göre değişir; 100 maskeyi bile geçebilir. Örneğin Nvidia, H100’ü oluşturmak için 89 maske gerektiğini söylüyor ve Intel, örneğin 14nm yongaları için kullanılan ’50+’ maskeden bahsediyor.
Artık, onları oluşturmak için kullanılan ışığın dalga boyundan daha küçük özelliklerin aşındırılmasına izin veren yeni teknikler ortaya çıktı. Bununla birlikte, özelliklerin devam eden küçülmesi, silikon üzerine basılan tasarımı esasen “bulanıklaştıran” kırınım sorunlarına yol açmıştır. Hesaplamalı litografi alanı, maske düzenini optimize eden karmaşık matematiksel işlemler aracılığıyla kırınım etkisine karşı koyar. Bununla birlikte, özellikler daha da küçüldükçe ve böylece tasarım başına milyarlarca daha fazla transistörü etkinleştirdikçe, bu görev giderek daha fazla bilgi işlem yoğun hale geliyor.
Bu karmaşık problemler, tek bir fotoğraf maskesini (zaman miktarı) işlemek haftalarca sürebilen bir iş yükünde CPU’larda paralel olarak sayıları karıştıran, genellikle on binlerce sunucuyu numaralandıran (Nvidia 40.000’den alıntı yapıyor) büyük bilgisayar kümeleri gerektirir. çip karmaşıklığına göre değişir – Intel, ekibinin tek bir maske oluşturmasının beş gün sürdüğünü söylüyor).
Nvidia, modern bir maske tasarlamak için gereken sunucu sayısının Moore Yasası ile aynı oranda arttığını, dolayısıyla sunucu gereksinimlerini ve bunları çalıştırmak için gereken güç miktarını sürdürülemez bir alana ittiğini iddia ediyor. Aslında, yeni maske teknolojisi için inanılmaz bilgi işlem gereksinimleri, örneğin Ters Eğrisel Maskeleri (ILM) kullanan Ters Litografi Teknolojisi (ILT)), bu daha gelişmiş tekniklerin benimsenmesini zaten engellemiştir. Ek olarak, High-NA EUV ve ILT’nin önümüzdeki yıllarda maskeler için veri işleme miktarını 10 kat artırması bekleniyor.
Nvidia’nın cuLitho’su burada devreye girerek hesaplamalı litografi iş yükünü sekiz saate indiriyor. cuLitho kitaplığı, ILT (eğrisel şekiller) veya Optik Yakınlık Düzeltme (‘Manhattan’ şekillerini kullanan OCP) tekniklerinden yararlanan hesaplamalı litografi yazılımına entegre edilebilir ve halihazırda Synopsys’in araçlarına entegre edilmiştir. TSMC ve ASML de teknolojiyi benimsiyor. Bu tür yazılımların hassasiyeti göz önüne alındığında, yazılımın Çin’e ve yaptırımlara tabi olan diğer bölgelere her türlü dağıtımı ABD ihracat kontrollerine tabi olacaktır.
Intel uzun süredir kendi tescilli yazılım araçlarını kullanıyordu, ancak yavaş yavaş endüstri standardı araçları benimsemeye geçiyor, özellikle de kendi harici IDM 2.0 dökümhane operasyonlarını uygulamaya başladığında. Bu nedenle, Intel ve Samsung gibi diğer büyük fabrikaların yeni yazılımı kendi dahili araçları için kullanıp kullanmayacakları henüz belli değil. Her şeye rağmen, Synopsys, ASML ve TSMC’nin desteği, cuLitho kitaplığının ve Nvidia’nın önde gelen yarı iletken üreticileriyle GPU tabanlı çözümlerinin önümüzdeki yıllarda geniş çapta benimsenmesini garanti ediyor.