芯片制造發(fā)展是否存在新路徑

摩爾定律預(yù)言了芯片工藝的發(fā)展軌跡，在工藝節(jié)點(diǎn)保持著“勻速”發(fā)展的表象下，芯片制造所需要的光刻技術(shù)則呈現(xiàn)出了爆炸式革新。進(jìn)入21世紀(jì)后，浸沒(méi)式***的出現(xiàn)打破了193nm的波長(zhǎng)限制。而后線寬越做越小，光刻工藝復(fù)雜性再次增加，僅靠半導(dǎo)體設(shè)備上的更新，已經(jīng)滿(mǎn)足不了芯片制造的需求。光刻技術(shù)再次站在了需要選擇向哪里發(fā)展的路口上。

利用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的光刻。計(jì)算光刻（也被稱(chēng)為OPC領(lǐng)域）作為EDA軟件的一種，從90nm節(jié)點(diǎn)被用于芯片制造以來(lái)，就在其中承擔(dān)了重要的角色。同時(shí)，隨著先進(jìn)工藝?yán)^續(xù)向前發(fā)展，用于芯片制造的半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)難度不斷增加，所消耗的能源與投入的研發(fā)資金不斷攀升。在這種情況下，計(jì)算光刻的發(fā)展受到了業(yè)界的關(guān)注，成為了跨越先進(jìn)工藝發(fā)展瓶頸以及后摩爾時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)展計(jì)算光刻的重要性

芯片制造的線寬尺寸不斷微縮，光學(xué)鄰近效應(yīng)（Optical Proximity Effect）會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重影響曝光顯影過(guò)程的良率。因此需要對(duì)掩模版上的圖形進(jìn)行修正，抵消這些誤差，使曝光后獲得的圖形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算光刻能針對(duì)性地對(duì)每一個(gè)圖形進(jìn)行光學(xué)鄰近效應(yīng)修正(Optical Proximity Correction, OPC)，根據(jù)預(yù)測(cè)出的畸變大小，相應(yīng)地通過(guò)優(yōu)化掩模版形狀和尺寸，進(jìn)而在晶圓上獲得高質(zhì)量的芯片版圖成像。

計(jì)算光刻已經(jīng)成為芯片制造過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié)?？梢哉f(shuō)沒(méi)有計(jì)算光刻，即使有了***，也造不出芯片。沒(méi)有計(jì)算光刻軟件，所有芯片制造廠商會(huì)失去將芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為芯片產(chǎn)品的能力。

從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境來(lái)看，圍繞著芯片制造的半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)正在全球范圍內(nèi)展開(kāi)。計(jì)算光刻能夠大幅提高芯片制造效率，在芯片制造領(lǐng)域計(jì)算光刻已經(jīng)成為剛需。作為高端芯片制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，在計(jì)算光刻領(lǐng)域進(jìn)行投入已經(jīng)成為了行業(yè)共識(shí)。

從技術(shù)發(fā)展的角度看，芯片線寬越來(lái)越小，各種光學(xué)效應(yīng)、系統(tǒng)誤差和工藝條件偏差等變得越來(lái)越精細(xì)。計(jì)算光刻可以通過(guò)算法建模、仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果優(yōu)化等手段解決半導(dǎo)體制造過(guò)程中的納米級(jí)掩模修復(fù)、芯片設(shè)計(jì)、制造缺陷檢測(cè)與矯正，是提升光刻系統(tǒng)成像性能的主要方法。隨著芯片制造過(guò)程中的問(wèn)題和復(fù)雜性不斷升級(jí)，交給計(jì)算光刻的工作也越來(lái)越多，推動(dòng)計(jì)算光刻技術(shù)的進(jìn)步受到了行業(yè)的重視。

從市場(chǎng)需求的角度看，計(jì)算光刻作為EDA領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其市場(chǎng)總額在半導(dǎo)體領(lǐng)域當(dāng)前占比雖然并不高，但隨著全球各大半導(dǎo)體勢(shì)力在提高芯片制造能力方面競(jìng)相角逐，市場(chǎng)對(duì)計(jì)算光刻技術(shù)的需求量迅猛增加。尤其是在強(qiáng)調(diào)本土化大背景的今天，全球半導(dǎo)體的軍備競(jìng)賽將直接推動(dòng)計(jì)算光刻技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展。為了搶占半導(dǎo)體制造業(yè)的技術(shù)高地，大力發(fā)展計(jì)算光刻技術(shù)以及培育相關(guān)人才對(duì)于本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展至關(guān)重要。

計(jì)算光刻市場(chǎng)概況

今年年初，英偉達(dá)圍繞計(jì)算光刻的發(fā)展推出cuLitho加GPU的解決方案，意在從計(jì)算光刻高性能計(jì)算角度進(jìn)一步提高芯片生產(chǎn)效率，引起了全行業(yè)對(duì)計(jì)算光刻的興趣，使得計(jì)算光刻這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域受到極大關(guān)注。從市場(chǎng)規(guī)模上看，2022年全球計(jì)算光刻軟件市場(chǎng)規(guī)模約為10億美元。未來(lái)5年，該市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至20億美元以上。

計(jì)算光刻是通過(guò)“算法+數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝尋優(yōu)的自動(dòng)化過(guò)程，其本質(zhì)上是芯片制造過(guò)程中的一種EDA仿真技術(shù)。因此，傳統(tǒng)EDA公司Siemens EDA（Mentor Graphics）和Synopsys等是計(jì)算光刻市場(chǎng)的參與者。

除EDA廠商外，全球計(jì)算光刻市場(chǎng)的頭部企業(yè)也有一家出身于硬件設(shè)備的公司--***巨頭ASML。最初，計(jì)算光刻是作為ASML“鐵三角”全方位光刻解決方案的一部分被行業(yè)所了解，盡管ASML持續(xù)布局其計(jì)算光刻領(lǐng)域的核心技術(shù)，但其在計(jì)算光刻領(lǐng)域的超強(qiáng)實(shí)力一直被***業(yè)務(wù)所掩蓋。直到計(jì)算光刻市場(chǎng)爆發(fā)，ASML在該領(lǐng)域的爆發(fā)力才越來(lái)越嶄露頭角。同時(shí)在軟件和硬件方面的雙線發(fā)展，不斷夯實(shí)ASML在光刻領(lǐng)域的領(lǐng)先者地位。

第一梯隊(duì)廠商對(duì)計(jì)算光刻技術(shù)的加大投入，引起了行業(yè)對(duì)這一領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始追趕計(jì)算光刻技術(shù)，有一部分本土廠商逐漸脫穎而出。

計(jì)算光刻的發(fā)展挑戰(zhàn)

全球計(jì)算光刻軟件市場(chǎng)集中程度和技術(shù)門(mén)檻都很高，國(guó)際廠商通常具有多年的技術(shù)積累，豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及扎實(shí)的客戶(hù)基礎(chǔ)，在與客戶(hù)的合作關(guān)系和信賴(lài)度等方面都表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。而對(duì)于國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尤其是本土計(jì)算光刻公司來(lái)說(shuō)，上述挑戰(zhàn)都需要逐一攻堅(jiān)。

計(jì)算光刻作為芯片制造類(lèi)的EDA工具，其開(kāi)發(fā)難度高于其他類(lèi)EDA軟件，屬于技術(shù)、資金、人才密集型領(lǐng)域。由于研發(fā)投產(chǎn)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致行業(yè)人才需求以及資金消耗成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

從研發(fā)投入上看，計(jì)算光刻是一門(mén)資金投入大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的生意，持續(xù)充足的研發(fā)投資不僅有機(jī)會(huì)蘊(yùn)育創(chuàng)新的技術(shù)，更是企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的活力源泉。但由于計(jì)算光刻市場(chǎng)整體規(guī)模的限制，加之國(guó)內(nèi)芯片制造能力與國(guó)際一線廠商還存在相當(dāng)差距，使得本土企業(yè)望而卻步。因此，計(jì)算光刻的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展需要得到長(zhǎng)期關(guān)注和政策扶持。

人才是計(jì)算光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的原動(dòng)力。國(guó)內(nèi)發(fā)展計(jì)算光刻技術(shù)，相關(guān)政策也要從計(jì)算光刻人才層面進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。計(jì)算光刻行業(yè)最需要的是軟件、芯片、物理，數(shù)學(xué)/微電子學(xué)科這幾大類(lèi)中的至少兩種以上的復(fù)合型人才。比如產(chǎn)品開(kāi)發(fā)崗位主要是寫(xiě)軟件代碼，以C++語(yǔ)言最為常見(jiàn)，在開(kāi)發(fā)中注重運(yùn)行結(jié)果精確性和算法速度，需要的是精通軟件、物理，數(shù)學(xué)/微電子的人才；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)后，需要了解芯片設(shè)計(jì)和制造的人才作為應(yīng)用工程師，將軟件解決方案推廣給芯片制造商。合格乃至優(yōu)秀的計(jì)算光刻行業(yè)人才在全球范圍內(nèi)均較為稀缺。雖然最近幾年行業(yè)加大了計(jì)算光刻人才的培養(yǎng)力度，也有不少校企合作項(xiàng)目，但計(jì)算光刻人才面臨需求量大，專(zhuān)業(yè)人才少，培養(yǎng)周期長(zhǎng)等難題，人才緊缺將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。

如何推進(jìn)計(jì)算光刻發(fā)展

國(guó)內(nèi)在計(jì)算光刻領(lǐng)域的發(fā)展尚處于起步階段，理性推動(dòng)計(jì)算光刻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展尤為重要。

一、抓住中國(guó)市場(chǎng)機(jī)會(huì)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是國(guó)之重器，中國(guó)本土市場(chǎng)對(duì)芯片的需求量巨大，而且政府對(duì)芯片制造領(lǐng)域的投資還會(huì)持續(xù)放大，種種因素都會(huì)帶動(dòng)計(jì)算光刻市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。對(duì)于領(lǐng)先的外企來(lái)說(shuō)，中國(guó)市場(chǎng)蘊(yùn)藏?zé)o限的發(fā)展?jié)摿?，有效制定更加因地制宜的市?chǎng)策略是自身持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)；而對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)化替代將會(huì)成為一個(gè)重要機(jī)遇，夯實(shí)自身的技術(shù)研發(fā)和積累，與制造企業(yè)深度合作，完善產(chǎn)業(yè)鏈路等等，都將成為企業(yè)快速發(fā)展的基石。

二、理性推動(dòng)計(jì)算光刻市場(chǎng)的發(fā)展。過(guò)度資本化會(huì)擾亂計(jì)算光刻市場(chǎng)的正常發(fā)展，計(jì)算光刻沒(méi)有辦法速成，需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累和沉淀，拿出時(shí)間成本和真金白銀，扎馬步練內(nèi)功，才能讓企業(yè)具備長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。

三、大力度持續(xù)性地培養(yǎng)本土專(zhuān)業(yè)人才。計(jì)算光刻的軟件應(yīng)用需要與工程實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，人才端必須靠近應(yīng)用端，在地培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才可以服務(wù)于本土芯片制造業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而從實(shí)踐中推動(dòng)計(jì)算光刻技術(shù)在中國(guó)的深耕。以ASML重視計(jì)算光刻人才的培養(yǎng)為例，自2004年在中國(guó)成立計(jì)算光刻研發(fā)中心后，該研發(fā)中心已成為ASML在亞洲最大的專(zhuān)業(yè)軟件研發(fā)基地，其主導(dǎo)并參與公司全球先進(jìn)計(jì)算光刻產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展，ASML所培養(yǎng)的計(jì)算光刻專(zhuān)才已經(jīng)成為其在華業(yè)務(wù)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的重要基石。

四、聯(lián)合上下游，突破生態(tài)壁壘。計(jì)算光刻作為制造類(lèi)EDA的一種，有著很強(qiáng)的生態(tài)壁壘。僅靠一家EDA公司解決不了所有問(wèn)題，需要打通上下游關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與芯片制造廠商一起去建立生態(tài)，解決實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

工藝演進(jìn)出現(xiàn)瓶頸，新技術(shù)的迸發(fā)更容易引起行業(yè)的關(guān)注。在芯片制造硬件設(shè)備成本高居不下的情況下，軟件將會(huì)成為工藝進(jìn)步的新突破口。計(jì)算光刻作為推動(dòng)芯片制造發(fā)展的一條“新賽道”，必將引起國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的極大關(guān)注。