破局国际垄断、出口管制 计算光刻国产化刻不容缓

集微网报道 （文/陈兴华）作为半导体工业皇冠上的明珠，光刻机的重要性在半导体行业里已经如雷贯耳。而计算光刻是芯片设计和制造领域中最大的计算工作负载，其利用计算机建模、仿真和数据分析等手段提高处理速度、校正优化图案成像性能等对于研发先进制程节点至关重要。一定程度上，先进半导体工艺的研发正是围绕计算光刻开展，并推动这项技术也迎来快速发展的时代。

在计算光刻领域，英伟达日前重磅推出的cuLitho引发较多关注。对于这一号称英伟达秘密研发四年的技术“核弹”，有观点认为，cuLitho将成为英伟达的另一个转折点，或将在半导体制造基础设施领域占据一定的主导地位。但也有行业人士称，由于业界已推出多款类似产品，cuLitho的亮相并不具备市场震撼性，更多的是英伟达在显示其技术能力。

对国内半导体制造业界而言，不得不面对的严峻挑战是，计算光刻技术已遭西方国际巨头垄断，而且已被《瓦森纳协定》和美国政府列入出口管制名单。对此，国内已涌现出部分科研机构和产业企业攻坚卡脖子技术，填补了国内相关空白。但要实现产业链的真正自主可控、安全稳定，还有待更多业界力量投身其中，以在较为紧迫的国产化形势中扭转不利局面。

解行业瓶颈 正蓬勃发展

过去半个多世纪，在摩尔定律推动下，光刻技术使微电子和纳米电子器件不断微缩，如今已经进入5nm、3nm及以下工艺节点，逐步逼近其分辨率的物理极限。同时，光刻系统的衍射受限特性以及各类系统像差、误差和工艺偏差，都会严重影响光刻成像精度。

英伟达先进技术副总裁Vivek Singh近日在一次会议上表示，“半导体经过几十年的发展，晶体管互联间距变得越来越小，但大概三十年前，晶体管的尺寸变得比（光刻机所用的）激光波长还要小，于是衍射效应就产生了，晶体管成像就会变得模糊。”

对于这一关键问题，据《激光与光电子学进展》刊发的“计算光刻研究及进展特邀综述”一文介绍，此时计算光刻以光学成像和工艺建模为基础，采用数学方法对光刻成像过程进行仿真与优化，提高光刻成像分辨率，能够有效提升工艺窗口和芯片制造良率，降低光刻工艺的研发周期与成本。

据集微网了解，“计算光刻”是利用计算机建模、仿真和数据分析等手段，来预测、校正、优化和验证光刻工艺在一系列图案、工艺和系统条件下的成像性能。另据ASML介绍，“计算光刻将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合，从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计，这正是我们想要达到的，因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。”

显而易见，随着晶体管和互联线宽的持续微缩，掩膜板的复杂度正越来越高，同时数据中心的算力消耗正在大大增加等。在这一背景下，计算光刻软件逐渐成为光刻工艺环节上的重要辅助工具，且需求日益增加。Vivek Singh称，“随着AI和机器学习等应用的发展，市场对小尺寸、高密度芯片的需求日益增长，光刻工艺需要大幅提速，才能跟上创新节奏。”

目前，计算光刻通常包括光学邻近效应修正（OPC）、光源-掩膜协同优化技术（SMO）、多重图形技术（MPT）、反演光刻技术（ILT）等四大技术。同时，研究人员不断创新光刻模型与优化算法，开发出多种新型计算光刻技术，但OPC和 ILT技术相对属于行业主流引领技术。而若没有OPC等计算光刻软件，IC制造厂商将失去将芯片设计转化为产品的能力。

鉴于计算光刻地位突出，ASML将其称为“铁三角”软件部分的中坚力量。《计算光刻研究及进展特邀综述》一文也指出，在某种程度上，先进半导体工艺研发正是围绕计算光刻开展。通过计算光刻的迭代循环，确定最终的工艺方案，可以有效降低传统工艺研发中的试错风险和成本，缩短工艺研发周期。因此，目前这项技术正处于蓬勃发展的时期。

新技术高地 英伟达引领？

在工艺技术不断升级基础上，计算光刻已经在集成电路制造中获得了成功应用。英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋日前在GTC大会上指出，“随着光刻技术达到物理极限，英伟达联手合作伙伴台积电、ASML 和 Synopsys 推出的cuLitho，将能使晶圆厂能够提高产量、减少碳足迹并为 2nm 及更高工艺奠定基础。”

实际上，cuLitho 本质上是基于 CUDA 的库扩展及针对计算光刻加速进行了优化。黄仁勋声称，在英伟达GPU上加速的 cuLitho 将比传统光刻处理提升 40 倍，以及其500台DGX H100服务器可以并行运行4万台CPU服务器的计算工作，从而使能耗将从35兆瓦降至5兆瓦。此外，使用cuLitho的晶圆厂每天可生产3-5倍光掩膜，但仅使用当前配置电力1/9。

对此，行业人士对集微网表示，计算光刻技术并不新鲜，已经存在多年，基本上是一台可生成先进光罩的"高速计算机"。目前，ASML、D2S和Synopsys都有向英特尔、三星、台积电、美光等芯片制造商出售其计算光刻技术的软硬件产品，所以cuLitho的推出并不具备市场震撼性，更多的是英伟达在显示他们的能力。

不过，福布斯网站的专栏作者Dave Altavilla撰文称，“cuLitho将成为英伟达的另一个转折点。如果芯片制造行业转向这项技术，该公司将为其DGX H100服务器和GPU平台提供巨大的新收入渠道。目前，英伟达无疑是人工智能领域的领导者，它也可能在半导体制造基础设施领域占据类似的主导地位。”

为了提高仿真和优化效率，近年来研究人员开始将机器、深度学习等人工智能技术引入计算光刻领域。对于cuLitho是否以及如何运用人工智能算法技术，英伟达方面在多个会议上都没有明确提及。但Vivek Singh在会议中回答相关问题时称，cuLitho可以支持传统的旧工艺，因为其就是用作提升解析力、消除衍射等。但这势必会涉及成本、适配和良率等问题。

值得注意，黄仁勋还提到cuLitho将在台积电2nm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。据其透露，台积电将于2023年6月开始对cuLitho进行生产资格认证，并会在2024年对2nm制程开始风险性试产，2025年开始量产。而这也给台积电、三星的先进制程之争增添了一些变数。

尽管大力宣扬性能指标先进，但英伟达尚未针对cuLitho建立较为清晰的商业模式 。上述行业人士称，“ASML、D2S、Synopsys、Mentor等公司的系统都是基于英伟达的GPU。从这个角度看，英伟达利用CuLitho及强势行业位置来加强GPU占有率才是他们的策略。至于CuLitho如何收费并不是主要的关注点，他们一起合作的最终目的是扩大未来AI市场占有率。”

诚然，从英伟达联手合作伙伴推出cuLitho可以看出，将计算光刻原理与先进数据处理等技术相结合或是未来半导体行业的重要发展方向，但新技术在实用化进程中仍然面临诸多挑战。随着半导体制造技术的整体性提升，业界正致力于在后摩尔时代解决计算光刻领域的科学和技术难题，从而为先进半导体制程的快速发展注入新的活力和动能。

垄断加管制 国产化紧迫

作为实现高端芯片量产的关键技术，计算光刻的重要性不言而喻，但国内相关半导体企业和科研机构正面临严峻的挑战，其中包括外部的国际垄断和西方国家出口管制，以及内部的起步较晚、投入不足、存在技术壁垒和商用化痛点等问题。而在当前国际形势和产业竞争下，计算光刻国产化已刻不容缓。

据中科院微电子研究所计算光刻课题组介绍，目前主流计算光刻软件包括Tachyon（荷兰ASML/Brion产品，国际领先光源-掩膜协同优化软件，全球市场占有率第一）、Prolith（美国KLA公司产品，精确的光学、光刻工艺集成仿真软件）、Mentor Calibre（美国Mentor Graphics公司产品，业界领先的OPC专业仿真软件，后被德国西门子收购）。

据悉，这三种计算光刻仿真软件的功能各有侧重，在各自细分领域里处于领先乃至垄断地位，其中ASML在SMO有优势，Mentor 在OPC优势明显，Synopsys 东西比较多而全且灵活性强。它们加在一起则基本上囊括了市场上主流的光刻仿真软件，代表着光刻仿真软件的尖端水平，被各大芯片制造厂广泛采用。

行业人士认为，计算光刻市场被国际供应商垄断，不仅成为当前国内芯片产业的核心痛点，挤压了国内相关企业的生存空间，也对半导体产业链的自主可控和安全构成了潜在风险。

另据中国国际招标网数据统计，大陆晶圆厂的OPC 软件供应商包括ASML、Mentor、Anchor Semiconductor、Synopsys等。由于极其昂贵的售价，上述三大厂商对于工业用户的售价都极为高昂，每一个软件的年授权使用费均高达数百万美金。在国内能够同时装备三种软件的工厂几乎没有，尤其是处于成长初期的中小型企业。

除了行业垄断、价格高昂之外，国内企业面临更严重的问题或是国际出口管制。2019年12月，《瓦森纳协定》增加了一条针对EUV光刻掩膜而设计的计算光刻软件等内容。2022年9月，全芯智造资深总监孟晓东曾在一次行业讲座中指出，这一修订非常关键，直接卡住了半导体光刻工艺研发的源头。

图源：孟晓东演讲PPT-《OPC的基本原理、业界概况以及国产化方案简介》

紧接着，美国政府进一步推波助澜，于2020年10月15日宣布将六项新兴技术添加到《出口管制条例》 (EAR)的商务部管制清单(CCL)中，其中计算光刻软件首当其冲。

孟晓东认为，从国内先进工艺发展的进程来看，领先晶圆厂正在突破先进工艺研发和生产，但由于对国外OPC技术的绝对依赖，核心技术受制于人，加上计算光刻技术薯盖从0.18微米到先进工艺的绝大多数工艺节点，在发生极限断供情况，晶圆厂有停工停产的风险。由于有安全因素和自主可控的要求，计算光刻国产化的需求极为紧迫。

十年磨一剑 只待筑高塔

危难时刻，国内也常有科研机构及产业企业勇挑重担、投身其中。宇微光学创始人刘世元表示，“OPC是芯片设计工具EDA工业软件的一种，没有这种软件，即使有光刻机也造不出芯片。从基础研究到产业化应用，我们团队整整走了十年。十年磨一剑，就是要解决芯片从设计到制造的卡脖子问题。”

据华中科技大学公号介绍，2022年11月，该校机械学院刘世元教授成立的宇微光学（成立于2020年10月21日）成功研发出我国首款完全自主可控的OPC软件，并已在相关企业实现成果转化和产业化，从而填补了国内空白。目前其正在做集成与测试，并到芯片生产厂商做验证。

“创业与科研不同，要面向市场，在短期内形成产品并获得客户和投资人的认可，面临众多风险和不确定性。”刘世元表示，之所以走出舒适区，走上创业路，是希望自己的研究成果能够最终转化成产品，为国家和社会发展作贡献。

2022年7月，宇微光学宣布完成Pre-A轮数千万元融资。本轮融资完成后，宇微光学将进一步加强各核心模块的集成化与软件产品化，同时对各项软件参数进行标定、测试与验证。下一步，宇微光学将加快产品推广步伐，加快进入国内外芯片制造厂商市场，力争成为全球芯片产业链中重要的一环。

宇微光学创始人刘世元 图源：华中科大公众号

当然，刘世元教授并非“孤勇者”，业内亦有“十年磨一剑”的同仁。2013年7月，国家02专项首席科学家韦亚一博士组建中科院微电子所集成电路计算光刻与设计优化实验室，参与国家科技重大专项22 nm先导光刻工艺及FinFET工艺产业转移研究，以及武汉新芯、中芯国际、华力微电子等的计算光刻技术合作研发，具备丰富的计算光刻技术理论和实践基础。

但科研突破并不能仅仅停留在实验室，需要在商用市场上去验证突破。于是，韦亚一博士于2018年11月又推动成立了从事计算光刻产业化的南京诚芯集成电路技术研究院有限公司，并参股南京翔芯信息科技、南京诚锐半导体、南京科德半导体等相关公司。

此外，国内从事计算光刻科研和产业化的机构企业还包括上海光学机械近距离校正研究所信息光学与光电子技术实验室，以及于2019年9月成立的全芯智造技术有限公司等。其中，前者提出了一种基于虚拟边缘和带相位采样掩模像素的快速光学近距离效应校正技术，是90nm及以下工艺节点集成电路制作的关键计算光刻技术之一。而全芯智造开发出了具备自主知识产权的软件架构、程序语言OPC产品，并且实现全流程整合覆盖。

简而言之，计算光刻的国产化正从多年科研走向产业化初期阶段，但同样正面临国际垄断以及被卡脖子的境地。如今，在部分半导体行业巨头联手推动下，一定程度上计算光刻的时代已然逐渐到来，而国内科研机构、行业企业等要奋起直追，势必需要引起足够重视，从点滴做起，以及凭借更多维的“十年磨一剑”聚沙成塔，从而保障国内产业链的自主可控以及自立自强。

（校对/张轶群）