A Nvidia anunciou sua nova biblioteca de software cuLitho para acelerar um processo crítico no fluxo de trabalho de fabricação de semicondutores. A nova biblioteca acelera a litografia computacional, uma técnica usada para criar fotomáscaras para a produção de chips. A Nvidia afirma que sua nova abordagem permite que 500 sistemas DGX H100 com 4.000 GPUs Hopper façam a mesma quantidade de trabalho que 40.000 servidores baseados em CPU, mas o façam 40 vezes mais rápido e com 9 vezes menos energia do que as soluções tradicionais baseadas em CPU. A Nvidia afirma que isso reduz o tempo de produção de uma fotomáscara de várias semanas para uma operação de oito horas.
Os líderes de fabricação de chips TSMC, ASML e Synopsys assinaram contrato para a nova tecnologia, com a Synopys já integrando-a em suas ferramentas de design de software. Com o tempo, a Nvidia espera que a nova abordagem permita maior densidade e rendimento do chip, melhores regras de design e litografia com inteligência artificial.
Os cientistas da Nvidia criaram novos algoritmos que permitem que fluxos de trabalho de litografia computacional cada vez mais complexos sejam executados em GPUs em paralelo, exibindo uma aceleração de 40X usando GPUs Hopper. Os novos algoritmos são integrados a uma nova biblioteca de aceleração cuLitho que pode ser integrada ao software dos fabricantes de máscaras (normalmente uma fundição ou um designer de chip). A biblioteca de aceleração cuLitho também é compatível com GPUs Ampere e Volta, embora Hopper seja naturalmente a solução mais rápida. No final, a Nvidia afirma que isso permite que 500 sistemas DGX H100 soldem 4.000 GPUs Hopper para fazer o trabalho de 40.000 servidores que usam CPUs para processar a carga de trabalho.
A impressão dos pequenos recursos em um chip começa com um pedaço de quartzo chamado fotomáscara. Este quartzo transparente tem um padrão impresso de um design de chip e funciona muito como um estêncil – brilhar uma luz através da máscara grava o design no wafer, criando assim os bilhões de transistores 3D e estruturas de fios que compõem um chip moderno. Cada design de chip requer múltiplas exposições para construir o design do chip em camadas. Como tal, o número de fotomáscaras usadas durante o processo de fabricação do chip varia de acordo com o chip; pode até exceder 100 máscaras. Por exemplo, a Nvidia diz que são necessárias 81 máscaras para criar o H100, e a Intel cita máscaras ’50+’ usadas para seus chips de 14nm, por exemplo.
Surgiram novas técnicas que agora permitem gravar recursos menores que o comprimento de onda da luz usada para criá-los. No entanto, o encolhimento contínuo dos recursos levou a problemas com a difração, que essencialmente “borra” o design que está sendo impresso no silício. O campo da litografia computacional neutraliza o impacto da difração por meio de operações matemáticas complexas que otimizam o layout da máscara. No entanto, essa tarefa está se tornando cada vez mais intensiva em computação, pois os recursos encolhem ainda mais, permitindo assim bilhões de transistores a mais por projeto.
Esses problemas complexos exigem grandes clusters de computadores, muitas vezes com dezenas de milhares de servidores (a Nvidia cita 40.000), que analisam os números em paralelo nas CPUs em uma carga de trabalho que pode levar semanas para processar uma única fotomáscara (a quantidade de tempo varia de acordo com a complexidade do chip – a Intel diz que sua equipe leva cinco dias para criar uma única máscara).
A Nvidia afirma que o número de servidores necessários para projetar uma máscara moderna está aumentando na mesma proporção que a Lei de Moore, empurrando assim os requisitos do servidor e a quantidade de energia necessária para operá-los em um território insustentável. Na verdade, os incríveis requisitos de computação para a nova tecnologia de máscara, como Tecnologia de litografia inversa (ILT) que usa máscaras curvilíneas inversas (ILM), já tem dificultado a adoção dessas técnicas mais avançadas. Além disso, espera-se que High-NA EUV e ILT aumentem a quantidade de processamento de dados para máscaras em 10 vezes nos próximos anos. 81 máscaras para o H100.
É aí que entra o cuLitho da Nvidia. A biblioteca cuLitho pode ser integrada ao software de litografia computacional que aproveita as técnicas ILT (formas curvilíneas) ou correção de proximidade óptica (OCP, que usa formas ‘Manhattan’) e já está integrada às ferramentas da Synopsys. TSMC e ASML também estão adotando a tecnologia. Dada a sensibilidade desse tipo de software, os controles de exportação dos EUA regerão qualquer distribuição do software para a China e outras regiões sujeitas a sanções.
A Intel há muito usa suas próprias ferramentas de software proprietárias, mas está mudando lentamente para a adoção de ferramentas padrão do setor, principalmente quando começa a implementar suas próprias operações externas de fundição IDM 2.0. Como tal, ainda não se sabe se outras grandes fabricantes, como Intel e Samsung, adotarão o novo software para suas próprias ferramentas internas.